歐標(biāo)岸壁重力式碼頭擬靜力抗震設(shè)計方法及應(yīng)用

黃瀟勁，江 義，吳志良

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

重力式碼頭是一種十分常見的碼頭結(jié)構(gòu)型式，主要是通過其自身重力維持穩(wěn)定，適用于巖性、密實的砂土或粘性土等承載力較高且持力層埋深發(fā)育適中的地基。該結(jié)構(gòu)型式具有耐久性好、超載適應(yīng)性強(qiáng)、施工安裝方便、后期運(yùn)營維護(hù)少等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于實際工程。

地震作用下重力式碼頭結(jié)構(gòu)的地震破壞形式主要包括：碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定變形，沉箱、方塊等海側(cè)滑動位移、傾斜過大和碼頭結(jié)構(gòu)地震沉降過大[1]。重力式碼頭的抗震設(shè)計方法一般包括：擬靜力法、簡化動力分析法和動力分析法。盡管真實重力式岸壁碼頭的地震動力變形行為十分復(fù)雜，但擬靜力抗震設(shè)計方法仍然是該類碼頭結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本方法[2-6]，在美國、日本、歐洲和中國應(yīng)用十分廣泛。

本文側(cè)重研究基于歐標(biāo)[7-11]重力式岸壁碼頭擬靜力抗震設(shè)計方法，特別是地震慣性力、地震動土、動水荷載作用計算，以及在其共同作用下的整體抗滑、抗傾覆穩(wěn)定性計算，并結(jié)合吉布提多哈雷港一期工程，開展歐標(biāo)、國標(biāo)擬靜力抗震設(shè)計計算方法比較。

圖1 地震時重力式岸壁碼頭受力分析簡圖Fig.1 Force analytic diagram for solid quay under earthquake

1 歐標(biāo)擬靜力抗震設(shè)計方法

1.1 地震荷載作用

在進(jìn)行重力式岸壁碼頭擬靜力抗震計算時，碼頭結(jié)構(gòu)受到的荷載作用包括：結(jié)構(gòu)自重、浮拖力、使用活荷載、剩余靜止水壓力、基底摩擦力和地震作用，其中地震作用主要包括：結(jié)構(gòu)自重的質(zhì)量慣性力、岸壁陸側(cè)墻后的動土壓力、岸壁墻前海側(cè)的動水壓力。

采用擬靜力抗震設(shè)計分析時，重力式岸壁碼頭的受力簡圖見圖1，其中W為岸壁結(jié)構(gòu)自重，Ub為岸壁結(jié)構(gòu)本身受到的浮力，NEd為岸壁結(jié)構(gòu)受到的豎向支持力(NEd=W-Ub)，R為對應(yīng)NEd產(chǎn)生的墻底抵抗摩檫力；Fh、Fv為結(jié)構(gòu)自身的水平和豎向質(zhì)量慣性力，Pae為墻后動土壓力，EwsL為墻后靜水壓力，EwdL為墻后動水壓力，EwsS為墻前靜水壓力，EwdS為墻前動水壓力；B為結(jié)構(gòu)寬度，H為墻高，h和h′分別為墻前、墻后的水位高度。墻后、墻前靜水壓力之差就是剩余水壓力。若墻后方回填透水性較好的塊石，墻后、墻前靜水壓力可認(rèn)為基本抵消作用。采用歐標(biāo)EC8-5[10]地震荷載的計算方法如下。

(1)地震加速度及質(zhì)量慣性力。

地震作用下，重力式碼頭結(jié)構(gòu)質(zhì)量的水平地震系數(shù)kh和豎向地震系數(shù)kv為

kv=±0.33kh， 剩余情況

(1)

表1 水平地震系數(shù)的折減系數(shù)r取值Tab.1 Values of reduced factor of horizontal seismic coefficient

系數(shù)α=γiagr/g[9]，其中γi是結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，a是場地地面設(shè)計地震加速度，agr是基巖的設(shè)計地面加速度(PGA)，重力加速度常數(shù)g=9.81 m/s2。如果重力擋墻在10 m以內(nèi)，a取計算值；如果重力擋墻高于10 m，a可采用地震波豎向傳播一維分析得到不同高度處的設(shè)計地震加速度的平均值。S為土質(zhì)系數(shù)，應(yīng)根據(jù)場地類型確定。r是歐標(biāo)根據(jù)極限平衡理論引入的一個折減系數(shù)，根據(jù)重力擋墻的類型及其允許永久位移取值(表1)。

地震作用下，碼頭結(jié)構(gòu)的水平和豎向質(zhì)量慣性力可直接表示為

Fh=khW，F(xiàn)v=kvW

(2)

式中：W表示結(jié)構(gòu)的天然容重。

(2)重力式岸壁陸側(cè)墻后的動土壓力。

在進(jìn)行擬靜力抗震設(shè)計時，歐標(biāo)規(guī)定作用陸側(cè)墻后所有設(shè)計荷載包括地震動土壓力(靜力+動力)、靜止水壓力Ews、動水壓力Ewd，公式表達(dá)為

(3)

根據(jù)歐標(biāo)EC8-5附錄E，歐標(biāo)動土壓力系數(shù)可采用經(jīng)典的物部-岡部公式進(jìn)行計算。

主動狀態(tài)

(4)

(5)

被動狀態(tài)(土體和重力擋墻之間沒有剪切抗力)：

(6)

此外，根據(jù)墻后回填料中水的狀態(tài)及回填料的透水性能，地震角計算公式θ、動土壓力計算公式容重γ*取值及其動水壓力計算公式Ewd見表2。

表2 回填料的地震角及動水壓力計算方法Tab.2 Seismic angle and hydrodynamic force calculation of the backfilling

(3)岸壁墻前海側(cè)的動水壓力。

按歐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計時，還須考慮由于水體震蕩對海側(cè)前墻產(chǎn)生的動水壓力(正或負(fù))，采用的也是經(jīng)典的Westergaard法。動水壓力沿高度分布為

(7)

其中，kh為對應(yīng)r=1的水平地震系數(shù)，h為自由水高度，z為壓力計算點的水深。動水壓力合力為

(8)

其中，合力作用點位于基底面以上0.4h處。另外，歐標(biāo)特別規(guī)定水平地震系數(shù)不應(yīng)進(jìn)行折減。

1.2 穩(wěn)定計算組合

(1)設(shè)計荷載作用組合。

歐標(biāo)EC0、EC8-1針對重力式岸壁的抗滑、抗傾以及地基和基床承載力穩(wěn)定驗算方法，地震工況下荷載或作用組合的表達(dá)式為

(9)

其中Gk,j為永久荷載及永久荷載產(chǎn)生的土壓力；P為預(yù)應(yīng)力；AEd為地震作用效應(yīng)；Qk,i為可變荷載；Ψ2,i為可變荷載組合系數(shù)。

(2)穩(wěn)定驗算。

地震工況下，歐標(biāo)EC8-5岸壁式擋土結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行二類失效模式的驗算，包括結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和局部土體失效。其中局部土體失效包括基底滑移失效和地基承載力失效兩種形式。以基底抗滑移穩(wěn)定失效為例，抗滑穩(wěn)定判斷標(biāo)準(zhǔn)為

VEd≤FRd+Epd

(10)

式中：VEd為總滑動力設(shè)計值；FRd為豎向力提供的抗滑力設(shè)計值；Epd為水平力提供的抗滑力設(shè)計值。

(11)

表3 材料分項系數(shù)M取值Tab.3 The value of partial factor M of materials

式中：NEd為在滑動面上的設(shè)計豎向力；δ為土體-墻底內(nèi)摩擦角；γM為材料系數(shù)，可根據(jù)歐標(biāo)巖土規(guī)范EC7-1 取值。

實際上，根據(jù)EC8-5進(jìn)行岸壁式擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計是與EC7-1[8]的設(shè)計方法一(DA1)是相容的。對于擋土系統(tǒng)，設(shè)計方法一包括兩個組合

(12)

(13)

其中 “+”表示與…組合，A1、A2為荷載或者作用分項系數(shù)，在地震組合下荷載效應(yīng)計算需要按EC8-5執(zhí)行；M1、M2為材料分項系數(shù)，取值見表3；R1為抗力系數(shù)，取值均為1.0。

圖2 歐標(biāo)擬靜力抗震設(shè)計流程 Fig.2 Seismic design flowchart using pseudo static method recommended by Eurocode 8

因此，除了地震荷載效應(yīng)計算應(yīng)按歐標(biāo)EC8-5執(zhí)行，岸壁式擋土結(jié)構(gòu)的地震抗力效應(yīng)與EC7-1設(shè)計方法一完全一致，且可以判斷該由組合DA1-2得到的抗力效應(yīng)最不利。

1.3 歐標(biāo)擬靜力抗震設(shè)計流程

在進(jìn)行重力式岸壁碼頭擬靜力抗震計算時，首先要確定地震設(shè)防參數(shù)，然后分別計算擬定結(jié)構(gòu)斷面方案的地震荷載效應(yīng)和抗力荷載效應(yīng)，最后進(jìn)行穩(wěn)定驗算判斷。具體抗震設(shè)計流程圖總結(jié)見圖2。

2 歐洲標(biāo)準(zhǔn)與中國標(biāo)準(zhǔn)擬靜力抗震設(shè)計方法比較

根據(jù)中國現(xiàn)行《水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTS 146-2012)，岸壁重力式碼頭的抗震設(shè)計也采用擬靜力方法。本節(jié)將國標(biāo)與歐標(biāo)的相關(guān)要求進(jìn)行對比研究，詳見表4。

表4 歐標(biāo)與國標(biāo)擬靜力抗震設(shè)計方法比較Tab.4 Comparisons of pseudo static method between Euro and Chinese Code

3 工程案例應(yīng)用

3.1 吉布提多哈雷港一期工程

吉布提多哈雷港位于吉布提國首都吉布提市多哈雷區(qū)，東距老港區(qū)約8 km。項目建設(shè)內(nèi)容包括1.2 km長沉箱基礎(chǔ)深水主碼頭、90萬m2道路堆場、約8萬m2建筑物及其他配套設(shè)施。港口設(shè)計年吞吐能力為708萬t和20萬標(biāo)準(zhǔn)箱。2014年8月，多哈雷多功能港口開工建設(shè)。2017年5月，多哈雷多功能港口交付使用。碼頭設(shè)計船型為1～10萬t散貨船、滾裝船、件雜貨船和集裝箱船。

碼頭水工結(jié)構(gòu)主要包括1 200 m深水岸線、175 m工作船碼頭工程、東護(hù)岸和西護(hù)岸(臨時護(hù)面)。碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，東、西護(hù)岸采用拋石堤結(jié)構(gòu)。水工結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為50 a。結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾娜跄z結(jié)珊瑚礁灰?guī)r、鈣質(zhì)砂發(fā)育埋藏較淺的地質(zhì)條件，碼頭結(jié)構(gòu)選用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，且選擇了地基承載力較高的弱膠結(jié)珊瑚礁灰?guī)r、鈣質(zhì)砂等作為持力層，既解決了多功能港區(qū)功能要求布置，又可較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐乃顥l件，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越。

吉布提多哈雷港位于東非地震斷裂帶附近，設(shè)計地震加速度為0.168 g，基本相當(dāng)于中國標(biāo)準(zhǔn)八度地震設(shè)防烈度。

3.2 整體穩(wěn)定及基床承載力評估

碼頭結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)形式。碼頭面設(shè)計高程為4.5 m，碼頭前沿水深-15.3 m。重力式碼頭岸壁總高度H為20.6 m。沉箱上部胸墻高度2.7 m，位于臨海側(cè)第一排倉隔頂部。沉箱底標(biāo)高為-16.1 m，頂標(biāo)高1.8 m，沉箱結(jié)構(gòu)的平面尺度為13.13 m×19.94 m。沉箱下部拋石基床厚度為2.5～12.5 m，要求采用水下爆夯和錘夯進(jìn)行分層壓實。沉箱后方拋石棱體結(jié)構(gòu)10～100 kg塊石。碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面見圖3。

圖3 碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面圖Fig.3 Typical cross section of the quay

計算假定考慮如下：(1)沉箱后墻水下部分的動土壓力分別采用狀態(tài)1和2；(2)豎向加速度考慮向上、向下兩個方向；(3)采用歐標(biāo)進(jìn)行地震穩(wěn)定計算。

碼頭設(shè)計過程中，對沉箱寬度B(帶趾寬高比B′/L)做了參數(shù)化設(shè)計研究，分別選取了B=12 m(B′/L=0.63)和14 m(B′/L=0.73)進(jìn)行了比較研究。當(dāng)沉箱寬度B=12 m和14 m時，碼頭結(jié)構(gòu)抗滑、抗傾整體穩(wěn)定和基床承載力計算結(jié)果分別見表5和表6。

表5 沉箱寬度B=12 m時碼頭結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總Tab. 5 Summary of seismic calculations of quay structures (B=12 m)

注：按EC8-5附錄F進(jìn)行基床承載力計算時，將夯實拋石基床模型系數(shù)偏保守地按密實的砂性土取值，下同。

表6 沉箱寬度B=14 m時碼頭結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總Tab.6 Summary of seismic calculations of quay structures (B=14 m)

根據(jù)計算結(jié)果，當(dāng)沉箱寬度B=12 m時，采用歐標(biāo)設(shè)計抗滑移和拋石地基承載力(按EC8-5附錄F)不滿足要求，而國標(biāo)可以滿足要求。當(dāng)沉箱寬度B=14 m時，歐標(biāo)和國標(biāo)均可以滿足要求，并且有一定安全富裕。最終實施斷面，進(jìn)行了必要的優(yōu)化設(shè)計，選定了沉箱寬度B=13.13 m(B′/L=0.69)。下面將具體討論實施方案的整體抗滑移、抗傾覆整體穩(wěn)定和拋石基床地基應(yīng)力或承載力計算結(jié)果。

對于本工程實施方案，碼頭結(jié)構(gòu)沉箱底抗滑移、抗傾覆整體穩(wěn)定和基床承載力計算結(jié)果見表7。歐標(biāo)和國標(biāo)整體抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.02和1.66，整體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.06和1.84，最大基床應(yīng)力分別為592.28 kPa和561.54 kPa?；渤休d力按EC8-5附錄F和EC7-1滿足要求。在設(shè)計低水位條件下，歐標(biāo)和國標(biāo)整體抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.13和1.74，整體抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.31和1.89，最大基床應(yīng)力分別為564.88 kPa和574.98 kPa。地基承載力按EC8-5附錄F和EC7-1滿足要求?；渤休d力按EC8-5附錄F和EC7-1滿足要求。實際上，根據(jù)EC8-5規(guī)范要求，地震工況下可不進(jìn)行沉箱底的抗傾覆穩(wěn)定驗算。

表7 沉箱寬度B=13.13 m時碼頭結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總Tab.7 Summary of seismic calculations of quay structures (B=13.13 m)

另外，在滿足國標(biāo)抗震規(guī)范要求的前提下，對抗滑，抗傾覆，地基承載力(基床頂面應(yīng)力應(yīng)小于800 kPa)進(jìn)行了參數(shù)化分析，選定得到了在滿足國標(biāo)規(guī)范要求的沉箱寬度B=10.6 m(帶趾寬高比B′/L=0.56)，結(jié)果見表8。

表8 沉箱寬度B=10.6 m時碼頭結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總Tab.8 Summary of seismic calculations of quay structures (B=10.6 m)

4 結(jié)論

(1)歐標(biāo)岸壁重力碼頭擬靜力抗震設(shè)計方法的水平地震系數(shù)采用折減系數(shù)法，折減系數(shù)不超過2.0(相當(dāng)于國標(biāo)綜合影響系數(shù)不小于0.5)，國標(biāo)采用綜合影響系數(shù)0.25，歐標(biāo)用于計算的綜合地震影響系數(shù)大。

(2)歐標(biāo)墻后動土壓力計算需要墻后回填料中水的狀態(tài)及回填料的透水性能確定，相較而國標(biāo)根據(jù)設(shè)防等級采用相應(yīng)的地震角進(jìn)行動土壓力計算，歐標(biāo)更好地反應(yīng)地震工況土體與水的狀態(tài)。八度設(shè)防歐標(biāo)計算墻后回填塊石地震動土壓力比國標(biāo)計算相應(yīng)動土壓力高45%～65%。

(3)歐標(biāo)墻前動水壓力計算時使用不折減的水平地震加速度，是對墻前水體嚴(yán)格執(zhí)行Westergaard動水計算的結(jié)果，所以，盡管歐標(biāo)國標(biāo)采用相同的計算方法，但歐標(biāo)計算結(jié)果是國標(biāo)的4倍，且國標(biāo)還允許動水壓力不參與組合，可以看出，對于墻前動水壓力的對穩(wěn)定計算的參與度上，歐標(biāo)與國標(biāo)存在較大的差異。

(4)歐標(biāo)要求進(jìn)行整體穩(wěn)定和局部土體滑移、承載力失效分析，而國標(biāo)要求進(jìn)行抗滑移、抗傾覆和整體穩(wěn)定分析，且考慮抗震調(diào)整系數(shù)。參數(shù)化研究沉箱寬度表明，實施方案選取的沉箱寬度較為合理。同時在類似工程情況下，對于設(shè)置在拋石基床上的重力式岸壁沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力抗震設(shè)計穩(wěn)定驗算時，歐標(biāo)設(shè)計擬定沉箱寬高比國標(biāo)大約20%，其結(jié)果差異較大，有待進(jìn)一步深入研究。