正交試驗法的海堤安全監(jiān)控范文
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《水利水運(yùn)工程學(xué)報》2014年第三期
1正交試驗法
正交試驗法是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法，是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計學(xué)和正交性原理從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，試驗次數(shù)少，且能反映客觀事物的變化規(guī)律。
1．1正交試驗設(shè)計根據(jù)正交試驗法的原理，主要步驟如下:(1)根據(jù)實際情況，選擇合適的正交表，記為Ln(rm)，其中L為正交表符號;r為水平個數(shù)，即因素狀態(tài)的個數(shù);n為正交表行數(shù)，即安排的計算次數(shù);m為正交表列數(shù)，即最多可安排因素的個數(shù)。(2)根據(jù)所確定的計算方案進(jìn)行計算，求得正交試驗設(shè)計方案結(jié)果。(3)根據(jù)試驗結(jié)果分析，得出結(jié)論。對正交試驗結(jié)果的分析，通常采用兩種方法:一種是直觀分析法或稱極差分析法;另一種是方差分析法。本文主要采用極差分析法。
1．2極差分析法極差越大說明該因素的水平改變時對試驗結(jié)果影響就越大，極差最大的因素也就是最主要的因素，極差較小的因素為較次要的因素。
2變形和穩(wěn)定性分析
本工程為圍海造陸工程，規(guī)劃造陸面積約24km2，其中涉及施工海堤總長度超過15km，海堤采用砂袋圍堰結(jié)合拋石的復(fù)合型結(jié)構(gòu)形式，海堤護(hù)底、護(hù)腳、護(hù)面采用單塊質(zhì)量200～400kg塊石，堤心石采用10～400kg開山石，堤身采用堤心砂吹填、砂袋子圍堰等形式。海堤是本工程的重要組成部分，其施工質(zhì)量與安全直接關(guān)系到整個工程能否順利開展，是后續(xù)吹填、軟基處理的基礎(chǔ)，因此海堤施工期安全一直受到建設(shè)各方的廣泛關(guān)注，成為工程建設(shè)的重點和焦點之一。
2．1地質(zhì)條件由于本工程采用圍海造陸工藝，表層廣泛分布著一層新近吹填土層，根據(jù)鉆孔揭示，場地地層自上而下分述如下:①吹填土:黃褐色，稍濕～飽和，松散～中密，厚度4．3～10．1m，平均厚度約7．0m，以中細(xì)砂充填為主，局部夾粉土薄層及團(tuán)塊。實測擊數(shù)4．0～29．0擊，平均8．0擊。①1粉細(xì)砂:灰黑色～灰色，稍濕～飽和，松散～中密，含貝殼類碎片較多，實測擊數(shù)8．0～16．0擊，平均11．3擊。②層淤泥質(zhì)黏土:灰色～深灰色，流塑，厚度1．2～8．3m，平均厚度約6．0m，含少量有機(jī)質(zhì)及腐殖質(zhì)填充有腥臭味，干強(qiáng)度、韌性中等。實測擊數(shù)1．0～10．0擊，平均2．9擊。②1層粉質(zhì)黏土:黃褐色～灰褐色，軟塑～硬塑，干強(qiáng)度、韌性高。實測擊數(shù)7．0～17．0擊，平均13．0擊。③層中細(xì)砂:黃褐色～灰褐色，飽和，松散～中密，厚度1．0～4．5m，平均厚度約2．5m。實測擊數(shù)4．0～27．0擊，平均13．7擊。
2．2計算模型及參數(shù)數(shù)值計算采用PLAXIS軟件進(jìn)行，土體單元本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb模型，塑料排水板采用Drain單元模擬，計算深度取14．75m，海堤最大填筑高度為8．9m，左、右兩側(cè)水平影響范圍分別取坡角外27．0和37．0m，海堤的典型斷面如圖1所示。左、右垂直邊界只有豎向位移，均為不透水邊界，底邊界既無水平位移也無豎向位移，為透水邊界。土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。
2．3變形分析由于本工程的特殊性，圍海造陸面積較大，海堤長度較長，不同位置處的地質(zhì)條件差異明顯，造成不同斷面的海堤變形規(guī)律也有所不同，在此僅就所選取的海堤斷面進(jìn)行簡單分析，計算結(jié)果見圖2。從圖中可以看出:最終計算沉降量為0．78m，最大沉降量發(fā)生在袋裝砂頂，而現(xiàn)場實測最終沉降量為0．66m，這是因為現(xiàn)場沉降板埋設(shè)較晚，實測沉降量中未包括部分前期沉降量，總體上計算值與實測值基本吻合，表明本文數(shù)值計算所采用的數(shù)學(xué)模型和計算參數(shù)可行，能夠較好反映本海堤在填筑過程中變形特點，為后續(xù)正交試驗法對比分析提供了基礎(chǔ)模型和計算參數(shù)。
2．4穩(wěn)定性分析PLAXIS軟件中提供了phi-c折減法進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析［7］，該方法通過逐步減小土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力，直至結(jié)構(gòu)破壞，以反映土體在加載條件下的安全性狀。本海堤經(jīng)過兩級填筑施工，海堤最終安全系數(shù)為1．143，略大于《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL435－2008)中對三級海堤在非常用運(yùn)行條件Ⅰ(施工期)情況下的安全系數(shù)1．10的要求，且由于海堤施工過程中同時在圍區(qū)內(nèi)進(jìn)行吹填施工，相當(dāng)于對海堤進(jìn)行了反壓處理，提高了海堤的整體穩(wěn)定性，海堤基本是安全穩(wěn)定的，這也被工程實踐所驗證。圖3為完成填筑后海堤的模擬滑移面情況。可以看出:深部滑移面是位于下部軟弱夾層(即淤泥質(zhì)土層)的底部，這與現(xiàn)場實測的測斜管最大水平位移的深度是相互吻合的，這充分說明下部軟土層是影響整個海堤穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。
3影響因素分析
影響海堤穩(wěn)定的因素很多，包括海堤結(jié)構(gòu)型式、地質(zhì)條件、水位情況、地應(yīng)力等，這些因素直接或間接地對海堤安全性產(chǎn)生了顯著的影響，同時各種影響因素之間還相互交織，使問題相當(dāng)復(fù)雜。影響本海堤穩(wěn)定的主要土層為下部淤泥質(zhì)土層，因此將該土層作為影響因素分析的主要對象。為了簡化問題，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，本文將主要影響因素概括為如下幾方面:①不飽和重度;②彈性模量;③地下水位;④黏聚力;⑤內(nèi)摩擦角。
3．1正交試驗方案為了便于試驗數(shù)據(jù)處理，確定因素的水平數(shù)為4，具體取值情況如表2所示。假設(shè)各因素之間無交互作用，對所確定的5種因素選擇正交表L16(45)來安排試驗，即4水平5因素的正交試驗，試驗次數(shù)為16次，具體試驗計劃如表3所列。
3．2試驗結(jié)果分析試驗結(jié)果如表4所示，本次試驗各組安全系數(shù)均大于1．10，說明海堤安全穩(wěn)定，最小安全系數(shù)為試驗15，該組對應(yīng)的彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力均為最小，水位也是最低的情況下發(fā)生的;最大安全系數(shù)為試驗13，該組對應(yīng)的內(nèi)摩擦角、黏聚力均為最大，地下水位最高的情況下發(fā)生的。可見，內(nèi)摩擦角、黏聚力、地下水位對該海堤的穩(wěn)定性影響還是比較顯著的，而不飽和重度、彈性模量的影響則相對較小。由表5可以看出:對于本海堤工程而言，5種影響因素的影響程度依次為:內(nèi)摩擦角、地下水位、黏聚力、不飽和重度、彈性模量，其中內(nèi)摩擦角作用明顯強(qiáng)于其它各項影響因素，這一結(jié)論與前人的研究成果也有所差異，這也說明不同的海堤、邊坡、岸坡工程，各種影響因素在穩(wěn)定性中所起到的作用也是有所不同的。因此不應(yīng)盲目套用以往的工程經(jīng)驗，而應(yīng)針對具體的工程案例進(jìn)行針對性分析，才能得到更加符合工程實際的結(jié)果。
4水平位移速率控制標(biāo)準(zhǔn)
通過正交試驗法分析得出本海堤穩(wěn)定的主要影響因素為內(nèi)摩擦角。基于最主要影響因素再進(jìn)行施工安全監(jiān)控則更具有針對性，也更能準(zhǔn)確把握海堤施工期變形特點，所制定的監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)也能更真實反映海堤填筑過程中的變化情況。
4．1安全系數(shù)與內(nèi)摩擦角關(guān)系位移總量法是累積值，并不能反映階段變化情況，在進(jìn)行安全控制時往往會忽略關(guān)鍵點的控制，對施工安全監(jiān)控不利，而水平位移速率恰恰是對關(guān)鍵點的控制。基于最主要影響因素(內(nèi)摩擦角)，不考慮其他影響因素的條件下，在此重點分析水平位移速率與海堤安全系數(shù)之間的關(guān)系。具體計算結(jié)果見表6和圖4。從表6可見:最主要影響因素(內(nèi)摩擦角)對海堤的穩(wěn)定作用非常明顯，內(nèi)摩擦角從6°提高到10°，其海堤安全系數(shù)即可以達(dá)到《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL435－2008)中最高安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)1．30的要求。從圖4可見，當(dāng)內(nèi)摩擦角增加到10°以上時，安全系數(shù)即基本保持不變，而10°也基本是軟土的內(nèi)摩擦角范疇，這也驗證了之前所述的下部軟土層是影響整個海堤穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。
4．2安全系數(shù)與位移速率關(guān)系為了保證施工監(jiān)控的有效性，將表6計算得到的最大水平位移速率乘以0．7的系數(shù)作為不同內(nèi)摩擦角條件下的水平位移速率值，即可以得到圖5所示的安全系數(shù)與水平位移速率的關(guān)系圖，可以看出:當(dāng)內(nèi)摩擦角小于10°，水平位移速率大于3．30mm/d，海堤安全系數(shù)基本隨著水平位移速率的增加呈線性減小的趨勢，對海堤的安全穩(wěn)定非常不利，這一結(jié)論與圖4結(jié)論相對應(yīng)。基于以上分析，針對本海堤建議采用3．0mm/d的水平位移速率監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)，近1年多的工程實踐也表明該標(biāo)準(zhǔn)切實可行，符合本工程實際情況，取得了較好的監(jiān)控效果，達(dá)到了預(yù)期目的，保障了海堤施工安全。
5結(jié)語
本文利用正交試驗法對某海堤安全穩(wěn)定影響因素進(jìn)行了分析，并基于最主要影響因素建立了安全系數(shù)與水平位移速率之間的關(guān)系，最終提出了水平位移速率監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)，主要得到了以下幾點結(jié)論:(1)不同的海堤工程，各種影響因素在其穩(wěn)定中所起的作用也有所不同，應(yīng)針對具體的海堤工程案例進(jìn)行針對性分析，才能得到更加符合工程實際的結(jié)果，不宜盲目套用以往工程經(jīng)驗成果。(2)基于正交試驗法確定海堤穩(wěn)定的最主要影響因素，并以此為基礎(chǔ)制定海堤安全監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)的方法切實可行。(3)結(jié)合本海堤工程的實際情況，提出了3．0mm/d的水平位移速率監(jiān)控控制標(biāo)準(zhǔn)，實踐表明該標(biāo)準(zhǔn)能夠較好反映海堤變形特點，具有較好的工程指導(dǎo)意義。
作者：胡珩董志良單位：中交四航工程研究院有限公司