（道路与铁道工程专业论文）水泥稳定碎石基层施工质量变异性研究.pdf

摘要 随着我国经济的迅速发展，高等级公路里程不断增加，为适应交通量增长对 道路的要求，大部分高等级公路选择了半刚性基层沥青混凝土路面结构。水泥稳 定碎石基层因其具有较高的强度和较好的水稳定性等特点，在目前我国半刚性路 面高等级公路的建设中得到广泛的应用。水泥稳定碎石基层的施工质量也因此受 到普遍关注，经过实践和研究表明，其施工质量的变异性是影响基层修筑质量的 关键因素之一。 本文以大量的试验为基础，结合安徽省毫阜高速公路基层的施工，从集料的 组成与变异、拌和过程中主要参数的变异、混合料运输和摊铺过程中参数变异、 混合料成型特征变异四个方面对影响水泥稳定碎石基层性能的变异性因素进行 研究分析，确定了变异性水平及其对水稳基层使用质量的影响，总结提高施工水 平、减小水稳基层施工变异性的措施，并提出保证水稳基层施工的合理参数和控 制方法，以提高水稳基层施工的过程控制水平。 本文的研究工作力求通过对施工质量变异性的分析，达到对水稳基层施工质 量进行过程控制的目的，减小施工变异性，提高路面基层的使用质量。 关键词：水泥稳定碎石；半刚性基层；施工质量；变异性 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m y sr a p i dd e v e i o p m e n ti no wc o l l i l t r y ，t h em i l e a g eo f h i 曲w a yi si n c r e a s i n g i no r d e r t oa d a p tt ot l l ee x c e s s i v el o a da 1 1 dt m m c ，m o s to ft i l e h i 曲w a yh a v et a l ( e nt h es e m i - r i g i dp a v e m e n ta st h e i rm a j o rp a v e m e n ts t n l c t u r e c e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e sc o u r s eh a v et w od i s t i n c ta d v a n t a g e sw h i c ha r eh i 曲 i n t e n s i t yi nb a s ec o u r s ea i l dg o o dm o i s t u r es u s c e p t i b i l i 吼s oi ti su s e d 、v i d e l yi no u r h j g h 、v a yc o n s t m c t i o n w h i l e ，i t sc o n s t r i l c t i o nq u a l i t yo f m ec e m e n t - s t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e sc o u r s ei sp a i dm o r ea t t e n t i o n i ti sp m v e dt h a tt l l ev 撕a b i l i t yo fc o n s t 兀1 c t i o n q u a l i t yi so n eo f t h ek e yf a c t o r sa b c tb a s e m e n tc o n s t n l c t i o n 0 nt l l eb a s e so fp l e n t yo ft e s t s ，c o m b i n ew i t ht h ec o n s t r u c t i o no fb o f i lk 曲w a y ， m ea u t h o rc a r r yo u tr e s e a r c ha n a l y s i so ft h ef a c t o r sa 圩e c t i n gt h ep e r f b n n a n c eo f c e m e n t - s t a b i l i z e dc m s h e ds t o n e s ，i n c l u d i n gf o i l rp a n sm a i n l y ：t h ev a r i a b i l i t yo f a g g r c g a t e ，t h ev a r i a b i l i t yo fm a i np a r a m e t e r si nm i x 眦p r o d u c t i o n ，t l l ev 州a b i l i t yo f p a r a l t l e t e r si nt r 柚s p o r t a t i o na n ds p r e a d i n g ，m ev 撕a b i l i t yo fs t m c t u r ef e a t u r e s t h e a i mo ft h er e s e a r c hi st of i n do u tt h ev a r i a b i l i t yi e v e la n dm a k es u r ej t se 丘b c tt ot h e c o n s m l c t i o nq u a l i t y t bm a k es u r et h a tt h ec o n s t m c t i o nc o n t r 0 1l e v e lb em i s e d ，t h e r e s e a r c hp r e s e n t st h em e a s u r e sa b o u th o wt or a i s em ec o n s t m c t i o nl e v e la i l dr e d u c e t h ec o n s t m c t i o nv a r i a b i l i 饥a tt h es a m et i m e ，i ta l s om a l ( es o m es u g g e s t i o n sa b o u tt l l e r e a s o n a b l ep a r a r n e t e r sa n dc o m r o lm e t h o d sw t l i c hw i l lb eh e l p 凡lf o rt 1 1 ec o n s t m c t i o n t h er e s e a r c hm a k e se 肺nt oc o m r o lt h eq u a l 时o ft h eb a s ec o u r s ed u r i n gi t s c o n s t m c “o nt 量l r o u g ht h ea i l a l y s i so f t h ep a r 锄e l e f sv 撕a b i l i t yo fc o n s t r u c t i o 玛f i n e o u te n e c t i v em e a s u r e st or e d u c em ec o n s t n i c t i o nv a r i a b i l i 咄a n dm a ：k es u r em eh i g h q u a l i t yo f t h ep a v e m e n fs t m c t u r e k e yw o r d s ：c e m e n t s t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s ；s e m i t i g i db a s ec o u r s e ；c o n s t r u c t i o n q u a l i t y ；v a r i a b i l i t y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毳碾亮k 绰多月，罗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 镪荐游6 月，夕日 导师签名： 尹 灵己v 6 年莎月7 夕日 第一章绪论 1 1 研究背景 一、概述 近年来，随着国民经济的迅速增长，我国高速公路建设得以蓬勃发展，每年 以几千公里的速度递增。1 9 8 7 年，我国高速公路里程仅为2 7 1 公里，至2 0 0 2 年 就已达到1 9 8 万公里。2 0 0 3 年全国建设完成高速公路里程4 6 0 0 公里，高速公 路通车总里程( 不包括台湾) 达到2 9 8 万公里，高速公路新增里程4 4 0 0 公里。 到2 0 0 4 年底，我国高速公路通车里程已超过3 4 万公里，继续保持世界第二。 根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家 将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公 里。高速公路如此迅猛的发展，对公路工程学科提出了更严格的要求，同时也带 动了路面工程学科的发展。 在沥青路面各结构层中有一层或一层以上是用水硬性结合料( 即无机结合 料) 处治，且该层具有一定的厚度并能发挥其特性时，此路面称为半刚性基层沥 青路面 6 。半刚性基层沥青路面能适应现代公路运输量大、车辆大型化的需要， 因此是高等级公路的主要路面类型之一。我国已建成通车的高速公路有约8 0 以 上采用了这种结构。而水泥稳定碎石因其强度高，稳定性好，拌和方便，质量易 控制等优点成为路面基层的主要结构形式。 沥青面层属于柔性结构，刚度小，荷载分布能力弱，因此位于其下的基层是 主要的承重层，并承受着由沥青路面表层传来的较大的荷载压应力。基层的底面 又往往承受着拉应力的作用，在行车荷载的反复作用下，基层易发生疲劳破坏。 对于半刚性基层沥青路面来说，基层必须满足以下一些主要技术要求 ( 1 ) 有足够的强度和刚度； ( 2 ) 有足够的稳定性； ( 3 ) 有足够的抗冲刷能力； ( 4 ) 收缩性要小； ( 5 ) 有足够的平整度； ( 6 ) 与面层结合良好。 二、问题的提出 我国所修建的高速公路，其半刚性基层主要使用三种材料：水泥稳定土、石 灰粉煤灰稳定土、水泥粉煤灰稳定土，后两者又称为综合稳定材料。这几种稳定 材料各有优缺点，在实际使用中必须根据当地的材料供应情况、气候条件、工期 要求、以及经济合理性进行选择。 目前，在半刚性基层材料中，水泥稳定碎石比其他半刚性材料，如石灰土和 二灰碎石，有更好的路用性能，其初期强度较高，具有整体性强、承载能力高、 刚度大、水稳性好等优点，而且可供应稳定的材料种类多、选择面较广，在山区 公路修建中能就地取材，对保证工程质量，降低工程造价具有积极的意义。 当路面结构确定以后，要通过旋工来实现，不同的施工方法、工艺水平和管 理水平建成的路面结构从材料参数到结构层厚度都不可能只是一个定值，都会有 明显的变异性，而且变化在一个较大的范围内，即使是同一种施工方法，统一工 艺水平建成的路面机构的各个参数也会不同，所以在任何实际的施工过程中，都 会不同程度的存在施工参数的变异性，这是不可避免的，也是正常的。 施工参数变异性的大小与路面施工的质量息息相关，而沥青路面的施工质量 又对其使用寿命有很大的影响。路面质量评定中既要考虑路面结构各个参数的均 值，又要考虑各个参数的变异性。因此，路面质量好，不仅是各个参数的均值达 到要求，而且要求其变异性比较小。因此，分析施工变异性，找出变异性规律， 从而在施工过程中对质量进行控制，有针对性地提出合理化施工建议是很有必要 的。 卜2 国内外研究概况 参数变异性研究是可靠度研究的一个分支和发展，虽然关于沥青路面施工参 数变异性的研究开始的较晚，但可靠度的研究却早就开始了。早在2 0 世纪4 0 年代中期，美国的a m f r e d e n t a l 就开始研究土木工程方面的可靠度问题，并于 1 9 4 5 年l o 月在美国土木工程师协会的论文集上发表了论文“结构可靠度”。从 2 0 世纪6 0 年代中期开始，才将可靠度用于路面的研究。1 9 6 6 年美国加州公路局 和地沥青协会在制定路面设计程序的时候考虑了材料的变异性，引入可靠度概 念。2 0 世纪8 0 年代初，同济大学和西安公路交通大学( 现长安大学) 分别对水 泥混凝土路面的可靠性设计进行了研究。1 9 9 1 年，我国交通部正式开始进行沥 青路面结构的可靠性研究。 目前国内外专门针对水泥稳定碎石基层施工变异性进行研究的还不多。国外 对施工参数变异性的研究主要偏重于对材料变异性的可靠度研究方面，如1 9 6 6 年美国加州公路局和沥青研究所在制定路面设计程序时就考虑了材料的变异性， 引入了可靠性概念；1 9 8 2 年，在第5 届国际沥青路面设计会议上，p t r i o h 等在 “可靠性概念在路面设计中的应用”一文中，对路面工程可靠性理论的应用研究 做了综述，并提出了选择可靠度水平的原则及可靠性概念在路面设计中的应用方 法；1 9 8 7 年在布鲁塞尔召开的第1 8 届世界道路会议及1 9 9 0 年在挪威召开的第3 届机场和道路承载力国际会议都把可靠性在路面设计中的应用作为一个重要问 题加以叙述。目前，美国德克萨斯州柔性路面设计方法、a a s h t o 刚性路面设计 方法、修订从s h t o 路面结构设计指南等都引入了可靠性理论。我国的路面可靠 度研究起步较晚，从8 0 年代开始，同济大学、西安公路交通大学、长沙交通学i 院及有关科研部门，陆续就沥青路面设计的可靠性问题进行了探讨，取得了一定 的成果。1 9 8 5 年，朱照宏、郭忠印发表的“水泥稳定土路面设计可靠性分析一。 引入了可靠性理论，提出了可靠性的分析方法，并对影响可靠度较大的部分参数 做了概率统计分析。1 9 9 0 年，国家科技工作引导项目高等级、重交通道路修 建水泥混凝十路面的研究报告，较详细地对可靠性做了分析。 另外，有一些关于沥青路面基层施工控制方面的研究虽然并不是针对某参数 的变异性，但在其研究的过程当中，都涉及到了控制变异性的范畴。现在有很多 课题研究沥青路面的早期破坏，这就涉及到路面结构的施工变异问题；研究碾压 工艺对施工质量的一项，这又涉及到了压实度的变异性控制的问题。所以，本文 所研究的变异性问题，在施工质量控制的研究中涉及的较多。 卜3 本课题主要研究内容和技术路线 一、依托工程概况 安徽省毫阜高速公路是东营香港国家重点公路中的一段，毫阜高速公路主 线全长9 9 9 3 7 公里，按平原微丘高速公路标准测设，设计行车速度为1 2 0 k m h 。 路基宽度2 8 米。路面面层结构为：上面层4 c ms m a 一1 3 型沥青混凝土，中面层 6 c ma c 一2 0 型沥青混凝土( 改性沥青) ，下面层6 c ma c 一2 0 型沥青混凝土( 7 0 = 基 质沥青) ，基层3 5 c m 水泥稳定碎石。 毫阜高速公路全线路面分四段施工，本研究主要依托a 合同段2 9 2 4 3 7 公里 水泥稳定碎石基层的施工。a 标段的施工主要由上海机场道路建设集团公司承 建。在本课题的研究过程中，室内试验所采用的材料均取自该标段施工所采用的 原材料，与施工相关的资料数据的采集也与该标段的施工进度相结合，保证了试 验数据的真实性。 二、课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： 1 、水泥稳定碎石变异性的室内强度试验 作为沥青面层的承重层，足够的强度是衡量基层质量的一个重要指标，而且 鉴于半刚性基层自身的缩裂性，及其对面层易形成反射裂缝的性质，减少半刚性 基层的缩裂性也成为了基层施工质量的一个目标。 本课题的研究首先引入了正交设计方法开展了大量的室内试验，以确定对基 层强度和干缩性能产生影响的主要因素以及这些因素影响程度的主次程度。各影 响因素的变异一般大致在某一个范围之内，本课题的研究结合毫阜高速基层的施 工，通过对现场检测数据的收集整理，已确定了各主要指标的变异范围( 在以下 各章中会分别对各因素的变异情况进行分析) ，所以可以通过在这个范围内取几 个有代表性的点进行试验，以近似确定在整个范围内变化时控制指标的变化，然 后根据这些变化，确定某个因素对某指标的影响大小和影响程度，进而确定该因 素的变异性对施工质量的影响。 2 、集料组成性质变异性分析 集料是构成水泥稳定碎石混合料的主要组成部分。集料在混合料中发挥骨架 作用，是混合料力学性能的主要来源，因此是影响基层质量的重要因素。本研究 从水泥稳定碎石基层施工用集料的技术指标要求、生产加工过程、单粒级集料级 配变异性、合成级配变异性、针片状颗粒含量变异性等几个方面，对集料变异性 的分布规律、影响变异性的因素进行了分析，对集料的质量控制提出了相应的要 求，并提出了减小变异性的措施，控制施工质量的波动。 3 、水泥稳定碎石基层混合料拌和质量变异性分析 高速公路水泥稳定碎石基层的施工，应采用专用拌和机集中拌料，以保证混 合料的配合比在施工过程中的准确性与稳定性，从而保证混合料质量的稳定。虽 然采用机械拌和，水稳混合料的主要技术参数，如水泥剂量、含水量、矿料级配 仍不是绝对恒定的，在过程中是变化的，即具有变异性，甚至会出现离析等严重 变异现象。本课题的研究对混合料的级配、含水量、水泥剂量等控制混合料质量 的关键指标的变异性进行了分析，并对拌和中出现的离析现象及原因进行了分 析，提出了相应的减小离析的措施，从而达到在施工中对拌和过程进行质量控制 的目的。 4 、水泥稳定碎石混合料运输与摊铺质量控制 在水泥稳定碎石混合料的运输与摊铺过程中，由于环境温度、风力以及等待 时间等的影响，由于受到温度与车辆颠簸等影响，混合料会发生含水量的损失、+ 级配的变化，这些是影响基层成型质量的要素。而摊铺质量的好坏，直接影响碾。 压质量。本文通过室内模拟试验和现场检测的方法对运输和摊铺过程中含水量的 散失情况进行了分析，并对这一过程中混合料离析现象的产生和防治提出了相应 j 的措施。同时，为减小含水量的散失，研究还讨论了水泥稳定碎石混合料拌和时 间与车辆配置的关系、运输速度与车辆配置的关系，对施工提出了合理的车辆配 置建议。 5 、水泥稳定碎石基层成型特征变异性分析 一 压实是保证基层质量的关键工序，混合料经过摊铺压实后才能具有设计路用 性能。水稳施工的压实度、平整度、厚度都是影响水泥稳定碎石基层质量的关键 指标。本文对水泥稳定碎石基层的压实度变异性、平整度变异性、厚度变异性及 变异性的影响因素分别进行了分析，并给出合理的施工组织建议。 三、本课题研究的技术路线 如图卜1 所示为水泥稳定碎石基层施工工艺流程图。本课题旨在从上述施工 过程中主要的施工参数入手，以大量的试验为基础，结合安徽省毫阜高速公路a 标段水泥稳定碎石基层施工的全过程，对影响水泥稳定碎石基层性能的变异性因 素进行研究分析，确定其变异性水平及其对水泥稳定碎石基层使用质量的影响， 总结提高施工水平、减小施工变异性的措施，并提出保证施工的合理参数和控制 方法，以提高水泥稳定碎石基层施工的过程控制水平。 本课题研究的技术路线如图卜2 。 图1 2 研究技术路线流程图 7 第二章水泥稳定碎石变异性的室内强度试验 2 1 概述 作为沥青面层的承重层，足够的强度是衡量基层质量的一个重要指标，而且 鉴于半刚性基层自身的缩裂性，及其对面层易形成反射裂缝的性质，减少半刚性 基层的缩裂性也成为了基层施工质量的一个目标。 本课题的研究首先开展了大量的室内试验，以确定对基层强度和干缩性能产 生影响的主要因素以及这些因素影响程度的主次程度。但由于影响基层7 天抗压 强度和干缩裂缝的因素很多，如在这次试验中，可能的因素至少有5 、6 个。本 研究取级配、水泥剂量、含水量、压实度和保湿养生时问这5 个因素，如果每个 因素取3 个水平，那么测其抗压强度的变化，组成所有可能的试验方案时，就要 做3 3 3 3 3 = 2 4 3 组试件，这是一个很大的工作量。 显然对所有的2 4 3 种可能的搭配都进行试验，在对试验结果进行分析就可以 使问题得到解决。但是否只做其中一小部分试验，通过分析就可以使问题得到圆 满解决呢? 是否可以设计一种合理的试验方法，只需要做较少的试验，就可以找 到主要施工控制指标的主要影响因素? 由此本研究引入了正交设计方法，以解决 上述问题。 各影响因素的变异一般大致在某一个范围之内，本课题的研究中结合毫阜高 速公路水泥稳定碎石基层的施工，通过对现场检测数据的收集整理，已确定了各 主要指标的变异范围( 在以下各章中会分别对各因素的变异情况进行分析) ，所 以可以通过在这个范围内取几个有代表性的点进行试验，以近似确定在整个范围 内变化时控制指标的变化，然后根据这些变化，确定某个因素对某指标的影响大 小和影响程度，进而确定该因素的变异性对施工质量的影响。 2 2 正交设计方法简述 “正交设计方法”是一种处理多因素试验的科学试验方法，它可以利用一种 规格化的表格一一“正交表”，合理安排试验，用这种方法只需通过较少次数的 试验便可判断出较优的条件，若再对试验结果进行简单的分析，可以更全面、更 系统地掌握试验的结果，做出正确的判断。 正交试验跟一般的试验主要差异反映在两个方面： ( 1 ) 所有可能搭配的试验次数与实际进行的少量试验次数之间r 的矛盾； ( 2 ) 实际上所做的少数试验与全面掌握内在规律之间的矛盾。 为了解决上述的第一个问题，要求必须合理地设计和安排试验，这就是“均 衡搭配”的问题，以便通过尽可能少的试验次数就可以抓住矛盾。为了解决上面 的第二个问题，要求对试验结果进行科学的分析，即在“均衡搭配”的基础上， 根据正交试验的“综合可比性”认识内在规律，为解决问题提供方便条件。 一、正交强度试验 设有3 个因素a 、b 、c ，这3 个因索的3 个水平分别记为a 、a ：、凡、b 、8 ：、 b 3 、c 。、c 。、c 。如果按它们所有可能的组合情况需做2 7 次试验。在图2 一l 中， 每个“”代表一个试验，该图表明了各因素不同水平的组合搭配情况。 图2 一l图2 2图2 3 如果只做9 次试验，则需要从这2 7 次试验中挑选9 次具有代表性的试验。 若按图2 2 中的9 个黑点所示安排试验，则因素c 第一水平作二个试验，第二 水平做五个试验，显然分配不均匀。同样，因素b 和a 三个水平也分配不均匀。 如按图2 3 的9 个试验进行安排，则每一个因素的每一个水平都有三个试验。 正由于它们搭配得均匀，所以任一个因素的任一水平与其他因素的每一水平相遇 一次，且仅相遇一次，因此，才便于对试验结果进行科学分析。为便于观察，把 这9 个试验列成表( 见表2 1 ) 。每一横行代表一个试验，如第六行( 编号6 ) 表示第六号试验，这个试验是由因素a 取第二个水平 2 ，因素b 取第三个水平 b 3 ，因素c 取第一个水平c 。所组成。按这种方法对其他因素水平进行检查时，均 为每一因素的每一水平与其他各因素的各水平只相遇一次( 或相遇次数相同) ， 这就是安排试验的均衡搭配的原则。 对三因素，三水平的情况，由几何图形可以看出如何安排试验才能均衡，在 因素、水平较多的情况下又如何选取试验点才能使其搭配均匀呢? 可根据因素和 水平的不同一选用己经编排好的安排试验，如下表，这种表格就是正交表。 正交表表2 1 因素 试验号 abc 1a lb i c l 2 a 1b 2 c 2 3 a lb lc 3 4 a 2b l c 2 5 a 2b 2c 3 6 a 2 码 c i 7 a 3 b c 3 8 a 3b 2c l 9 a 3 b 3 c 2 正交表是合理组织试验并对试验直接进行分析的主要工具，不j 刘均i 习索和水 平有不同的正交表与之相对应。 二、f 检验 设x ，x z 一，。一是来自总体( - ，盯? ) 的样本，】_ ；，匕，_ ：是来自总体 ( p ：，盯；) 的样本，且两样本独立。其样本方差分别是研、，且设p 一，p z ，盯? ，盯； 均为未知。现在需要检验假设 o ：盯? = 盯；，l ：口? 仃； 由于s ? 、$ 相互独立，且( 月i 一1 ) s ? ，盯? ( 胛，一1 ) ，f = l ，2 s ? 叫2 得知 s ；o ? f ( - 一1 ， z 一1 ) 故当h 。为真，即仃i5 0 ；时， 0 壁 有罡f ( _ 一l ，n 2 一1 ) 取f = s ? ，霹作为检验统计量。 当 i 0 为真时，e ( s ? ) = 口? = 仃；= e ( s ；) ， 而当h 为真时，e ( s ? ) = 盯? ，盯；= e ( s ；) ， 翌 故，= s ? s ；有偏大的趋势，因而拒绝域的形式为罡z 七。 其中t 由下式确定：p 拒绝h o ih o 为真 ：p s ? 七) ：口 即有七。c ( 码一l ，吗一1 ) 于是拒绝域为：s ? 露而( 一1 ，疗：一1 ) l 二述榆验法称为f 榆验法。 2 3 强度、干缩试验的正交设计和试验测试 一、强度试验 ( 1 ) 正交试验准备 级配数据的确定 为了尽量减少因某一种集料内部各级方孔筛通过率变异给试验带来的影响， 试验前将每一级集料都筛分了一遍，然后根据最后混合料的级配，每一级都分别 配料。这样可以保证本次试验中人为因素造成的变异相对较小。 现场级配数据统计( 因2 3 6 舢、4 7 5 咖和1 9 唧这三档控制筛孔的通过率比 较具有代表性，故作为主要考虑，共有9 9 个数据) 。正交表设计：l 1 6 ( 4 5 ) 4 水平，5 因素。 击实试验 首先取毫阜路a 标集料做击实试验，以确定最佳含水量和最大干密度。击实 试验结果如下表。 击实试验数据表2 5 l干密度( g 。s ) 2 2 2 62 2 6 8 2 3 0 22 3 2 3 2 2 9 3 i 含水量( ) 3 44 14 6 5 3 6 2 根据试验数据绘出含水量与干密度的关系图，如图2 4 所示，由图上得到最 佳含水量和最大干密度的数值。 图2 4 击实曲线图 试验结果显示：最大干密度为2 3 2 3 9 c m 3 ，最佳含水量为5 1 。 ( 2 ) 正交试验影响因素的选取 试验取在施工过程中几个对工程质量会有较大影响的几个指标：级配、水泥 剂量、含水量、压实度和养生水平。 以最大干密度2 3 2 3 9 c 一，含水量5 1 做标准试件，做水泥稳定碎石的变 异性对比试验。其他可能变异的因素取级配、水泥剂量、含水量、压实度和养生 情况。每种因素的变化情况为： 级配变化范围为级配中值、级配偏规范上限、级配偏规范下限和一个统计 特殊值。 水泥剂量取最佳值( 4 5 ) ，统计数据的上限( 6 7 ) ，一个统计特殊值( 5 5 ) 和统计数据的下限( 3 8 ) 。 含水量取最佳值( 5 1 ) ，统计数据的上限( 5 4 ) ，一个统计特殊值( 4 5 ) 和统计数据的下限( 4 o ) 。 压实度取下限( 9 6 ) ，一个特殊值( 1 0 0 ) ，上限( 1 0 2 ) 和中值( 9 8 ) 。 养生根据工地可能采用的情况，取l 天保湿+ 5 天空气养生，5 天保湿+ l 天空气养生，3 天保湿+ 3 天空气养生和6 天保湿养生。 每个因素取4 个水平，具体各因素之间的搭配如下表 影响因素表2 6 级配水泥剂量( )含水量( )压实度( )养生时间( 天) l ( 偏上限) 1 ( 67 ) l ( 4 0 )1 ( 9 8 )l ( 湿1 天+ 干5 天) 2 ( 偏下限) 2 ( 5 5 ) 2 ( 5 4 )2 ( 1 0 0 )2 ( 湿5 天+ 干l 天) 3 ( 中值)3 ( 3 8 )3 ( 4 5 )3 ( 1 0 2 ) 3 ( 湿6 天) 4 ( 特殊值) 4 ( 4 5 )4 ( 5 1 )4 ( 9 6 ) 4 ( 湿3 天+ 干3 天) 注：的级配组成为：1 9 、4 7 5 、2 3 6 这三级的通过率为统计数据的中值，其余各级的 通过率为规范要求的中值。 正交设计表表2 7 试验号 级配水泥剂量 含水量压实度养生 1 11l1 l 2l2222 313333 414444 52l234 622 l4 3 723 412 824321 9313 42 1 032431 1 13312 4 1 234 2 l3 1 3 4l423 1 442314 1 5 4 32 4l 1 6 44 l3 2 ( 3 ) 抗压强度试验 为了考察各种不同因素对强度的影响，该试验每组试验做六个试件，测得7 天抗压强度数据如下表。 试验结果表2 8 l23456均值方差 c v ( ) 14 6 44 5 74l o5 0 34 9 84 4 94 6 30 3 47 3 7 29 7 l 7 _ 3 6 93 l 8 o l 7 7 4 1 0 1 787 l】1 61 3 _ 3 2 358 45 6 l6 0 46 7 87 0 97 0 76 4 l1 1 61 3 3 2 4 4 3 642 5 4 7 3 4 3 8 ，4 4 45 3 84 5 9o 4 29 1 5 55 7 16 5 1 5 5 2 5 2 06 0 7 5 8 6 59 1o 4 s7 8 0 66 8 07 7 97 1 57 9 37 8 965 87 3 6o 5 9 8 0 5 74 9 45 5 44 9 55 2 75 8 851 l5 2 80 3 7 6 9 9 83 4 039 73 9 43 4 83 7 83 1 73 6 2o 3 25 0 0 94 8 0 5 0 65 0 64 0 25 4 85 0 449 l0 4 9 9 9 7 1 06 2 66 0 56 8 16 6 46 0 46 2 46 3 4o 3 25 0 0 l l5 7 l6 1 97 3 05 5 06 3 76 0 】6 1 8o 6 3l o 2 2 1 23 2 1 2 6 23 7 43 5 03 1 53 0 2 3 2 1o - 3 9 1 2l o 1 34 2 44 7 43 4 44 0 73 7 53 7 l39 90 4 61 1 6 0 1 46 6 56 5 27 0 96 5 76 8 07 2 46 8 1o 2 94 3 l 1 5 3 8 44 5 53 2 44 5 73 8 03 8 43 9 7o 5 l】2 7 8 1 623 62 4 62 7 72 4 02 8 52 s 32 5 80 1 97 4 4 由表可知，试验结果的指标在2 3 6 l o 1 7 之间波动，各试验结果以 ”a ( f = l 1 6 ，口= l 6 ) 表示，它们的平均值表示为： 歹2 素善荟y ”“2 8 ( 胁) 总偏差平方和5 总表示了各个试验数据围绕总平均值的变动情况，其值为： 1 66 旷善薹( 儿。一歹) 2 = 2 6 5 9 5 ( 4 ) 试验的方差分析 对于本次试验来说，分析的关键是能不能区分每个因素各水平所对应试验结 果问的差异究竟是由因素水平不同所引起的还是由试验误差所引起的。同时，如 果分析了某一种因素的作用，还应该知道分析的精度，即某一因素的作用与误差 的作用之间的比例关系，也即考察结果的可信度。为了达到这个目的，采用了方 差分析的方法。方差分析是将因素水平变化所引起的试验结果间的差异与误差波 动所引起的试验结果间的差异区分开的一种数学方法。 如果因素水平变化所引起的试验结果变动落在误差范围内，或者与误差相差 不大，就可以判断这个因素水平变化并不引起试验结果的显著变动，而该试验结 果主要是由试验室误差引起的。相反，如果因素水平变化所引起的试验结果变动 超过误差的范围，就可以判断这个因素水平的变化会引起试验结果的显著变动， 这个因素是影响试验结果的重要因素。 同一条件进行的试验，得到的数据不会完全一样，但是它们都围绕着某一个 数值上下波动，这个数值是在没有干扰情况下所应该达到的真值。因此，只要试 验的过程中存在着误差，同条件下的试验数据总可以分为两部分，即真值与误 差两部分。前者在试验条件不变的情况下是固定的，后者则随具体试验数据而变 化，因试验数据是围绕着真值上下波动，试验误差也是围绕着真值上下起伏地变 化。当把同一条件下的大量数据平均起来的时候，误差也在相当大的程度上抵消 了，而数据的平均值便接近于真值。因此，可用同一条件下各次试验数据减去它 们平均值的办法把误差近似地算出来。当然，数据的平均值并不是真值，而是接 近真值，平均值本身仍包含着误差的干扰，不过由于大量数据相加，使得误差对 平均值的影响已较单次试验误差小得多，正因为如此，用各次试验数据与平均值 的差值可以近似地估算误差。 每一条件下误差的合计值都为零。为了获得对误差规律性的认识，必须把各 次的误差汇总起来考虑。对误差来说，它的正负号没有什么意义，重要的是知道 它的绝对值在什么范围内波动，因此取它们的平方，并将它们相加得： s ：( y l ，l y 1 ) 2 + + ( y i 6 一y 1 ) 2 + ( y 2 一y 2 ) 2 + + ( y 2 ，6 一y 2 ) 2 + + ( y 1 6 - l y 1 6 ) 2 + + ( y 1 6 6 一j ，1 6 ) 2 = 2 1 7 5 ( 2 1 ) s 。称为误差的偏差平方和。 从误差的偏差平方和知道：数据个数多的偏差平方和就可能大，为消除数据 个数的影响，可采用误差的平均偏差平方和”误表示： 误差的自由度： 厂误2 ( 6 一1 ) 1 6 2 8 0 ( 2 2 ) 误差的平均偏差平方和： v 误2 5 溉_ 2 1 7 j _ o ” 协3 ) a ( 级配) ，b ( 水泥剂量) ，c ( 含水量) ，d ( 压实度) ，e ( 养生时间) 5 个因 素的平均偏差平方和分别如下表： 5 个因素的平均偏差平方和表2 9 123 4 5 试验号级配水泥含水量压实度养生强度 剂量时问 ll1l il4 6 3 2l22 228 7 l 3l3333 6 4 1 414444 4 5 9 5 2 1234 5 8 1 622l4 37 3 6 7234 125 2 8 8 2 432l 3 6 2 93 l3424 9 1 1 0324 3l63 4 1 1 33124 6 1 8 1 234 2133 2 1 1 34l4 233 9 9 1 442314 6 8 1 1 54 324l3 9 7 1 644 1322 5 8 i j 2 4 3 41 9 3 52 0 7 51 9 9 31 8 7 5 i i j 2 2 0 7 2 9 2 22 1 7 02 2 5 12 1 4 8 i i i ， 2 0 6 42 1 8 42 1 7 52 1 1 4 2 0 9 6 ， 1 7 3 51 4 0 02 0 2 02 0 8 32 3 3 9 ij 2 5 9 2 6 3 3 7 4 3 14 3 0 5 03 9 72 03 4 4 8 5 i i ，2 4 8 7 0 98 5 3 9 8 4 7 1 0 65 0 6 6 84 6 1 2 9 j = l ，2 ，3 ， 1 i i 24 2 6 0 l4 7 6 8 84 7 3 2 74 4 6 7 7 4 3 9 4 0 4 ，5 。2 3 0 1 0 31 9 5 9 14 0 7 9 44 3 3 8 l5 4 7 3 2 ii 2 + i ij 2 + i i i j 2 + j 2 】8 0 6 7 6 j 9 0 1 0 81 7 8 2 7 61 7 8 4 4 61 7 9 2 8 6 ( i 2 + i l ，2 十i i i ? + j 2 ) 4 4 5 1 6 94 7 5 2 74 4 5 6 94 4 6l l4 4 8 2 l s j 3 86 01 8 0 0 82 6 05 1 51 7 7 4 因素a 放在l 1 6 ( 4 s ) 正交表的第一列上，共有四个一水平，四个二水平， 四个三水平，四个四水平。用因素a 的一水平对强度的平均影响a 。4 ，代替各个 一水平( 共四个) 对强度的影响，用因素a 的二水平对强度的平均影响a ：4 ，代 替各个二水平对强度的影响，同理用a 。4 、a 。4 代替三水平和四水平对强度的影 向。根据正交表的综合可比性，a ，4 、a ：4 、a 。4 、a ，4 这四个平均值可以相互 比较，且他们反映了因素a 的四个水平问的差异，所以因素a 的偏差平方和5 一可 由计算2 4 个a 4 ，2 4 个a ：4 、2 4 个a 。4 、2 4 个a 。4 的偏差平方和得到，即： 驴2 4 ( 一n2 4 ( 一n2 4 ( 一订2 4 ( 一班3 8 6 0 ( 2 4 ) 自由度以= 厶2 尼= ，d = 矗= 因素水平一1 2 4 1 = 3 a 因素的平均偏差平方和为：v 一2 霸，l = 3 8 6 0 3 = 1 2 8 7 同样可求得因素b 、c 、d 、e 的偏差平方和与平均偏差平方和为： j b = 1 8 0 0 8 v b25 目厶= 1 8 0 0 3 3 = 6 0 0 3 s c 。2 6 0 v c25 c ，元= 2 6 0 3 = o 8 7 25 1 5 v d2s d ，厶= 5 1 5 ，3 = 1 7 2 = 1 7 7 4 。 。五= 1 7 7 4 3 = 5 9 l ( 2 5 ) 由计算结果可知，、v c 、v d 、”r 都大于v 误，因此在叱、 ”。、的偏差中，由误差引起的影响部分很小，他们的偏差实际上主要时由于 因素水平变化造成的，这在进行显著性检验前就可判定。 检验因素a 、b 、c 、d 和e 的显著性： 只2 形误却_ 8 7 0 2 7 = 4 7 7 最。i ( 3 ，8 0 ? “0 4 屹2 “n 0 3 o 2 7 = 2 2 2 ( 3 ，8 沪4 0 4 尼2 她8 7 0 2 7 矗2 矗以8 0 ) - 2 7 2 2 。1 7 2 0 2 7 - 6 4 ( 3 ，8 驴4 0 4 r = _ 5 9 i 0 2 7 - 2 1 9 l ( 3 ，8 卟4 0 4 ( 2 6 ) 通过方差分析可知，在影响强度的这几个主要因素中，水泥剂量、级配、养 生时间、压实度的变异与抗压强度有9 9 的相关性，而含水量的变异与抗压强度 有9 5 的相关性。其中水泥剂量对强度有高度显著的影响，级配对强度的影响也 很明显。而压实度、含水量和养生对强度的影响稍小，其次序为：水泥剂量 级 配 保湿养生时间 压实度 含水量。 ( 5 ) 试验结果分析 以上分析说明各因素的变异跟强度是相关的，下面就说明本次试验得到的各 因素与强度的相互变化规律： b 。4 ，b ：4 ，b 3 4 ，b 。4 分别表示当b ( 水泥剂量) 因素在1 ，2 ，3 ，4 水平 时，其他因素在变化时强度的平均值，因此，这4 个值体现了强度随b 因素水平 变化而产生的变化。 如图2 5 ，强度与水泥剂量的关系接近线性关系。随着水泥剂量的增大， 强度增加很快，直线的斜率为1 2 3 6 2 ，水泥剂量从5 减少为3 ，即水泥剂量比 正常剂量少2 ，其7 天抗压强度减少约1 8 ，在本试验中强度降低1 6 4 m p a 。 图2 6 显示，保湿养生天数跟强度之间也是接近直线关系，但斜率只有 o 3 4 9 5 ，说明保湿养生天数增加一天，7 天强度增加o 3 4 9 5 m p a ，这说明养生对 强度的影响很显著。 图2 5 抗压强度和水泥剂量的关系 图2 6 抗压强度与保湿养生天数的关系 图2 7 抗压强度与压实度的关系图2 8 抗压强度与含水量的关系 从图2 7 可知，压实度对强度的影响有一定的规律，强度随压实度的增加 先增大然后减小，在压实度达到1 0 0 时，强度达到最大值。压实度对强度的影 响不是很大，压实度从9 6 增加到1 0 0 ，强度从5 m p a 增加到5 6 m p a ，增加了1 2 。 从1 0 0 到1 0 2 ，强度约减小5 。 从图2 8 可知，含水量与抗压强度之间没有必然的联系，且含水量变化所产 生的强度的变化也不显著。 图2 9 抗压强度与级配的关系 图2 9 中的斜率以及强度的变化范围表明，级配为规范级配中值时强度最 大，其次为级配偏上限，级配偏下限，当取级配特殊值时，获得的强度最小。这 说明级配对强度的影响是显著的，靠近规范级配中值是比较合理的级配。规范级 配中值的强度比特殊值的强度高约3 0 ，所以级配如果偏离级配中值，强度可能 产生很大的变异。 7 天无侧限抗压强度是水泥稳定粒料最重要的性能指标。现场试验表明，对 强度影响最明显的因素是水泥剂量，现场变异可能使强度下降约1 8 ，其次是级 配的变异，可以使强度下降3 0 。压实之后的保湿养生对强度的影响也很明显，