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《水利水運工程學報》2014年第三期

1正交試驗法

正交試驗法是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法，是研究多因素多水平的一種設計方法，根據數理統計學和正交性原理從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，試驗次數少，且能反映客觀事物的變化規律。

1．1正交試驗設計根據正交試驗法的原理，主要步驟如下:(1)根據實際情況，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，即因素狀態的個數;n為正交表行數，即安排的計算次數;m為正交表列數，即最多可安排因素的個數。(2)根據所確定的計算方案進行計算，求得正交試驗設計方案結果。(3)根據試驗結果分析，得出結論。對正交試驗結果的分析，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變形和穩定性分析

本工程為圍海造陸工程，規劃造陸面積約24km2，其中涉及施工海堤總長度超過15km，海堤采用砂袋圍堰結合拋石的復合型結構形式，海堤護底、護腳、護面采用單塊質量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，其施工質量與安全直接關系到整個工程能否順利開展，是后續吹填、軟基處理的基礎，因此海堤施工期安全一直受到建設各方的廣泛關注，成為工程建設的重點和焦點之一。

2．1地質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，以中細砂充填為主，局部夾粉土薄層及團塊。實測擊數4．0～29．0擊，平均8．0擊。①1粉細砂: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8．0～16．0擊，平均11．3擊。②層淤泥質黏土:灰色～深灰色，流塑，厚度1．2～8．3m，平均厚度約6．0m，含少量有機質及腐殖質填充有腥臭味，干強度、韌性中等。實測擊數1．0～10．0擊，平均2．9擊。②1層粉質黏土:黃褐色～灰褐色，軟塑～硬塑，干強度、韌性高。實測擊數7．0～17．0擊，平均13．0擊。③層中細砂: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4．0～27．0擊，平均13．7擊。

2．2計算模型及參數數值計算采用PLAXIS軟件進行，土體單元本構關系選用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。土體物理力學指標如表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，不同位置處的地質條件差異明顯，造成不同斷面的海堤變形規律也有所不同，在此僅就所選取的海堤斷面進行簡單分析，計算結果見圖2。從圖中可以看出:最終計算沉降量為0．78m，最大沉降量發生在袋裝砂頂，而現場實測最終沉降量為0．66m，這是因為現場沉降板埋設較晚，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，表明本文數值計算所采用的數學模型和計算參數可行，能夠較好反映本海堤在填筑過程中變形特點，為后續正交試驗法對比分析提供了基礎模型和計算參數。

2．4穩定性分析PLAXIS軟件中提供了phi-c折減法進行安全穩定性分析［7］，該方法通過逐步減小土體的內摩擦角和黏聚力，直至結構破壞，以反映土體在加載條件下的安全性狀。本海堤經過兩級填筑施工，海堤最終安全系數為1．143，略大于《海堤工程設計規范》(SL435－2008)中對三級海堤在非常用運行條件Ⅰ(施工期)情況下的安全系數1．10的要求，且由于海堤施工過程中同時在圍區內進行吹填施工，相當于對海堤進行了反壓處理，提高了海堤的整體穩定性，海堤基本是安全穩定的，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(即淤泥質土層)的底部，這與現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定的關鍵所在。

3影響因素分析

影響海堤穩定的因素很多，包括海堤結構型式、地質條件、水位情況、地應力等，這些因素直接或間接地對海堤安全性產生了顯著的影響，同時各種影響因素之間還相互交織，使問題相當復雜。影響本海堤穩定的主要土層為下部淤泥質土層，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內摩擦角。

3．1正交試驗方案為了便于試驗數據處理，確定因素的水平數為4，具體取值情況如表2所示。假設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，試驗次數為16次，具體試驗計劃如表3所列。

3．2試驗結果分析試驗結果如表4所示，本次試驗各組安全系數均大于1．10，說明海堤安全穩定，最小安全系數為試驗15，該組對應的彈性模量、內摩擦角、黏聚力均為最小，水位也是最低的情況下發生的;最大安全系數為試驗13，該組對應的內摩擦角、黏聚力均為最大，地下水位最高的情況下發生的。可見，內摩擦角、黏聚力、地下水位對該海堤的穩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:內摩擦角、地下水位、黏聚力、不飽和重度、彈性模量，其中內摩擦角作用明顯強于其它各項影響因素，這一結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，各種影響因素在穩定性中所起到的作用也是有所不同的。因此不應盲目套用以往的工程經驗，而應針對具體的工程案例進行針對性分析，才能得到更加符合工程實際的結果。

4水平位移速率控制標準

通過正交試驗法分析得出本海堤穩定的主要影響因素為內摩擦角。基于最主要影響因素再進行施工安全監控則更具有針對性，也更能準確把握海堤施工期變形特點，所制定的監控控制標準也能更真實反映海堤填筑過程中的變化情況。

4．1安全系數與內摩擦角關系位移總量法是累積值，并不能反映階段變化情況，在進行安全控制時往往會忽略關鍵點的控制，對施工安全監控不利，而水平位移速率恰恰是對關鍵點的控制。基于最主要影響因素(內摩擦角)，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之間的關系。具體計算結果見表6和圖4。從表6可見:最主要影響因素(內摩擦角)對海堤的穩定作用非常明顯，內摩擦角從6°提高到10°，其海堤安全系數即可以達到《海堤工程設計規范》(SL435－2008)中最高安全系數標準1．30的要求。從圖4可見，當內摩擦角增加到10°以上時，安全系數即基本保持不變，而10°也基本是軟土的內摩擦角范疇，這也驗證了之前所述的下部軟土層是影響整個海堤穩定的關鍵所在。

4．2安全系數與位移速率關系為了保證施工監控的有效性，將表6計算得到的最大水平位移速率乘以0．7的系數作為不同內摩擦角條件下的水平位移速率值，即可以得到圖5所示的安全系數與水平位移速率的關系圖，可以看出:當內摩擦角小于10°，水平位移速率大于3．30mm/d，海堤安全系數基本隨著水平位移速率的增加呈線性減小的趨勢，對海堤的安全穩定非常不利，這一結論與圖4結論相對應。基于以上分析，針對本海堤建議采用3．0mm/d的水平位移速率監控控制標準，近1年多的工程實踐也表明該標準切實可行，符合本工程實際情況，取得了較好的監控效果，達到了預期目的，保障了海堤施工安全。

5結語

本文利用正交試驗法對某海堤安全穩定影響因素進行了分析，并基于最主要影響因素建立了安全系數與水平位移速率之間的關系，最終提出了水平位移速率監控控制標準，主要得到了以下幾點結論:(1)不同的海堤工程，各種影響因素在其穩定中所起的作用也有所不同，應針對具體的海堤工程案例進行針對性分析，才能得到更加符合工程實際的結果，不宜盲目套用以往工程經驗成果。(2)基于正交試驗法確定海堤穩定的最主要影響因素，并以此為基礎制定海堤安全監控控制標準的方法切實可行。(3)結合本海堤工程的實際情況，提出了3．0mm/d的水平位移速率監控控制標準，實踐表明該標準能夠較好反映海堤變形特點，具有較好的工程指導意義。

作者：胡珩董志良單位：中交四航工程研究院有限公司