中外岸坡抗強震設計方法對比

張 磊，陸 澄，孔友南

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

近年來中國水運工程建設逐步向海外發(fā)展，越來越多地在強地震帶國家承接項目。地震誘發(fā)的滑坡是地震帶主要的次生地質(zhì)災害之一，水運工程中普遍存在著天然岸坡及工程岸坡(如防波堤、駁岸、航道、人工挖填方等)，往往因為強震作用而發(fā)生失穩(wěn)，或產(chǎn)生過大的位移變形而威脅臨近建筑物的安全，因此地震邊坡穩(wěn)定性是工程設計中十分關(guān)心的問題之一。國內(nèi)外技術(shù)規(guī)范及參考指南針對這一問題，分別提出了擬靜力法、Newmark滑塊位移法、時程位移分析法等設計方法。本文對中、美、歐的規(guī)范和技術(shù)手冊中有關(guān)上述設計方法的設計準則進行對比分析，針對不同方法以及判別標準，依托海外某回填陸域工程的岸坡穩(wěn)定及位移分析結(jié)論，分別采用滑弧穩(wěn)定分析、地震位移經(jīng)驗公式以及時程位移分析，進行方案綜合分析論證。

1 擬靜力法

擬靜力法是將地震作用簡化為水平或垂直方向上的恒定加速度作用，使用一組等于重力和地震系數(shù)乘積的水平和豎向靜態(tài)力來表示。擬靜力法概念清晰，簡單實用，便于工程設計人員掌握，是目前各國規(guī)范中使用最廣泛的邊坡穩(wěn)定分析方法。

1.1 中國規(guī)范

JTS 146—2012《水運工程抗震設計規(guī)范》[1]中對地震慣性力的計算公式為：

PHi=CKHξi(qibi+Wsi)

(1)

式中：C為綜合影響系數(shù)，取0.25；ξi為高度分布系數(shù)，坡頂處取43，坡底及其以下取23并沿高度直線分布，計算整坡穩(wěn)定時，其值為1，計算局部穩(wěn)定時，可取該局部高度的平均值；qi為第i土條頂面上的荷載；bi為第i土條的寬度；Wsi為第i土條的重力標準值；KH為水平向地震系數(shù)，取值見表1。

表1 水平向地震系數(shù)KH

注：括號內(nèi)數(shù)值用于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。

《水運工程抗震設計規(guī)范》對邊坡穩(wěn)定分析中的地震慣性力計算，其綜合影響系數(shù)為0.25，同時在公式中引入了高度分布系數(shù)，在整體穩(wěn)定計算中，該系數(shù)一般取1。在計算時的土體參數(shù)取值方面，規(guī)范規(guī)定在抗震穩(wěn)定分析中，抗剪強度按靜態(tài)強度取值，各荷載效應的分項系數(shù)均取1.0，邊坡穩(wěn)定性的判別標準通過安全系數(shù)來反映，地震作用下的岸坡整體穩(wěn)定驗算抗力分項系數(shù)不應小于1.0。

1.2 歐洲規(guī)范

Eurocode 8是目前歐洲廣泛使用的抗震規(guī)范。BS EN 1998-5:2004[2]中規(guī)定，設計地震作用下的邊坡響應可通過動態(tài)分析方法如有限元或剛性塊體模型分析，在地表形態(tài)和地層不發(fā)生明顯變化的地方及土體中不產(chǎn)生超孔隙水壓力時，采用擬靜力法。

擬靜力法中，歐標規(guī)定，設計地震慣性力FH和FV沿水平方向和豎直方向分別作用時，采用如下公式計算：

FH=0.5αSW

(2)

式中：W為滑動塊的重力；S為場地系數(shù)，與場地類別以及地震級別相關(guān)；α為A類場地設計地面加速度ag與重力加速度g的比值，其中ag為γI與agR的乘積，γI為重要性系數(shù)，根據(jù)邊坡上或靠近邊坡的建筑物的重要性而確定，agR為A類場地的基準峰值地震加速度，可通過國家版附錄中的區(qū)劃圖中查詢得到。

對于豎向設計地震慣性力，當設計豎向地震加速度avg> 0.6ag時，取FV=±0.5FH，當avg< 0.6ag時，取FV=±0.33FH。

歐標計算時不同于國標，需要考慮作用力、材料和抗力的分項系數(shù)。BS 6301—2009[3]中規(guī)定，邊坡整體穩(wěn)定采用設計方法1的組合2(歐標中稱為DA1-C2)進行驗算，文獻[4]也推薦采用此組合進行邊坡穩(wěn)定分析，即對作用力、土體強度參數(shù)、土體抗力等采用以下分項系數(shù)，見表2。

表2 設計方法1-組合2(A2+M2+R1)

從表2可以看出，采用DA1-C2組合時，荷載和抗力不考慮分項系數(shù)(除可變作用為1.3外)，而土體強度參數(shù)乘以0.7～0.8的系數(shù)(11.4～11.25)，這和國標的理念是有差異的。

1.3 美國標準

1.3.1ASCE《港口工程抗震設計》

為防止地震工況下的地面較大變形，需要結(jié)合最小水平地震系數(shù)和岸坡安全系數(shù)這兩個重要參數(shù)，來綜合考慮岸坡變形的危險性評估。美國土木工程師協(xié)會ASCE《港口工程抗震設計》[5]規(guī)定，當采用擬靜力法進行岸坡穩(wěn)定分析時，應使用地震工況下的土體抗剪強度值，水平地震系數(shù)取設計地表峰值加速度的50%，即0.5PGA，穩(wěn)定性安全系數(shù)值應大于或等于1.10，如果震后穩(wěn)定性無法滿足要求，則需要進一步評估岸坡側(cè)向變形位移。

1.3.2NCHRP 611《擋土墻、地下構(gòu)筑物、岸坡的抗震分析設計》

美國高速公路合作研究組織NCHRP 611《擋土墻、地下構(gòu)筑物、岸坡的抗震分析設計》[6]對擬靜力法計算邊坡的規(guī)定如下：計算地震慣性力時，水平地震系數(shù)可取50%kmax，其中峰值水平地震系數(shù)kmax=FPGAPGA(FPGA為場地系數(shù)，根據(jù)不同的場地類型取值；PGA為B類場地即巖石地基上的峰值地震加速度，可根據(jù)美國地震區(qū)劃圖查到)。

NCHRP 611認為若直接采用峰值水平地震系數(shù)kmax進行岸坡穩(wěn)定計算過于保守，這樣相當于不允許岸坡在設計地震作用下有任何的位移，并且設計地震是偶發(fā)性的低概率事件(美標采用75 a超越概率7%的地震概率，重現(xiàn)期相當于1 033 a)。因此NCHRP認為應允許岸坡設計時有一定程度的容許水平位移，而在大量邊坡分析數(shù)據(jù)的基礎上，NCHRP總結(jié)得到：當取50%kmax進行擬靜力計算、最小穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.1時，可保證永久水平位移在1～2 in(1 in約合25 mm)，處于可接受范圍內(nèi)。

在作用分項系數(shù)和土體參數(shù)取值方面，美標規(guī)定荷載分項系數(shù)為1.0，土體參數(shù)取靜態(tài)強度參數(shù)，在震級M> 7.5時應乘以0.9的折減系數(shù)。另外，美標規(guī)定可以不考慮豎向地震作用。

2 Newmark滑塊位移法

擬靜力法只提供一個穩(wěn)定指標(安全系數(shù)),但無法提供與破壞面相關(guān)的位移信息。Newmark提出，邊坡的穩(wěn)定性主要取決于地震過程中產(chǎn)生的永久變形，而不是最小的安全系數(shù)，進而提出了有限滑動位移分析法?；瑝K分析法以剛體極限平衡法為基礎，提出了屈服加速度的概念(即穩(wěn)定安全系數(shù)為1.0時的地震加速度)，滑塊的永久位移以滑塊平均加速度超過屈服加速度的部分進行二次積分得到。

Newmark滑塊位移法雖然考慮了地震的時間累計效應，可更為具體地描述滑塊的變形信息，但是缺少實際工程的抗震位移檢測數(shù)據(jù)支撐，對位移變形的安全范圍尚不能給出規(guī)范性的標準。目前在中國規(guī)范和歐洲規(guī)范Eurocode8中尚未采用此方法。美國規(guī)范一般認為，小于4 in的Newmark位移代表坡體結(jié)構(gòu)“穩(wěn)定”，而從坡體正常使用要求來看，大于12 in的Newmark位移被認為是不穩(wěn)定的。國際航運協(xié)會PIANC的《港口抗震設計手冊》[7]給出了地震工況液化安全系數(shù)、允許豎向沉降、側(cè)向位移的設計參考值，見表3。

表3 岸坡變形安全限值參考值

一般來說，對于具體項目，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性、使用功能要求、周邊構(gòu)筑物位移限值以及震后是否易于修復等條件，對不同設防等級地震下的位移限值做綜合分析論證。

美國標準NCHRP 611對Newmark滑塊位移法進行了詳細介紹，并給出了位移d(in)和kykmax之間的統(tǒng)計關(guān)系，ky為屈服加速度系數(shù)，即采用擬靜力分析法時穩(wěn)定安全系數(shù)等于1.0時的加速度。

對于A和B類場地(巖基)：

0.46lgkmax+1.12lgPGV

(3)

對于A、B類以外的場地：

0.8lgkmax+1.59lgPGV

(4)

3 時程位移分析法

時程位移分析法由結(jié)構(gòu)基本運動方程輸入地震加速度記錄進行積分，求得整個時間歷程內(nèi)結(jié)構(gòu)地震作用效應的方法。一般來說，應以阻尼比為5%的設計反應譜為目標譜，按照建筑場地類別、臨近斷裂帶類型及距離、場地特征周期、地震震級、阿里亞斯(Arias)烈度等，選取合適的實際強震記錄，以及生成合適的人工模擬加速度時程曲線。

3.1 中國規(guī)范

JTS 146—2012《水運工程抗震設計規(guī)范》對地震波選取分析的具體要求包括以下方面：1)設計地震加速度時程的峰值按設計基本地震加速度取值；2) 選擇1條以設計反應譜為目標譜的人工生成模擬地震加速度時程和至少1條類似場地地震的實測加速度時程記錄；3)對不同地震加速度時程計算的結(jié)果進行綜合分析，確定設計驗算采用的地震作用效應。

3.2 歐洲規(guī)范

EN 1998-1:2004[8]規(guī)定可用人工加速度時程以及記錄或模擬的加速度時程來描述地震運動，加速度的值應調(diào)整至場地的設計基本加速度，并與EN 1998規(guī)范給出的彈性設計反應譜相匹配，人工或模擬的時程曲線均不少于3組。

3.3 美國標準

NCHRP 611規(guī)定采用3～7組實際地震記錄進行時程分析，加速度的值調(diào)整至場地的設計基本加速度，并與規(guī)范給出的設計反應譜相匹配。

4 項目實例

東南亞某國的填海造地項目，回填人工島將在后期進行商業(yè)開發(fā)，是一個集總平面布置、水文波浪、高等級外護岸、陸域形成、軟基處理、游艇碼頭、防波堤、景觀設計、環(huán)保等為一體的綜合性、超大型水運及水利造地工程，填海工程設計要和上部新區(qū)功能規(guī)劃、上蓋物業(yè)、防洪排澇、景觀設置、分期分區(qū)建設計劃等統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)考慮，實現(xiàn)造地效益的最大化。

該項目回填陸域總面積約407萬m2，外側(cè)護岸總長約7 800 m，防波堤長度306 m，陸域吹填約4 800萬m3，地基處理面積約407萬m2，場內(nèi)游艇碼頭結(jié)構(gòu)長452 m，場內(nèi)道路長約6 km。同時，項目地所在區(qū)域地震災害頻繁，砂石料來源緊張，成本較高。綜合以上考慮，技術(shù)上需要對強震工況下的地震岸坡位移做詳細優(yōu)化設計。

根據(jù)當?shù)氐卣鹳Y料及技術(shù)規(guī)范分析，項目地距離臨近地震斷裂帶約11.6 km，平移滑動斷層類型，場地設計加速度為0.4g，相當于中國標準9度地震烈度，項目最大設計震級M為7～8.4。擬建防波堤和護岸區(qū)域海底表層覆蓋層為厚度12～18 m的流塑-軟塑黏性土，含水率高，標貫擊數(shù)僅為0～1擊，很軟且物理力學性能差，覆蓋層以下下臥土層為松散的細砂或高塑性黏土，標貫擊數(shù)在3～6擊，部分區(qū)域有較密實的砂層或堅硬的黏土層出現(xiàn)，標貫擊數(shù)在20擊以上。

結(jié)合該項目實際情況，綜合參考技術(shù)標準及實際使用需求、震后損失、修復成本等因素，地震岸坡位移的安全限值見表4。

表4 東南亞某填海造地項目對地震岸坡位移的性能評價

本項目要求在50 a超越概率10%的地震水平下，岸坡位移控制在0.9 m以內(nèi)，同時便于震后修復。

本文選取具有代表性的斜坡式游艇碼頭護岸斷面作為示例，通過國內(nèi)外各技術(shù)規(guī)范具體設計、分析、對比，綜合設計結(jié)構(gòu)典型斷面見圖1。

本護岸為拋石斜坡式結(jié)構(gòu)，上部根據(jù)波浪、水流、地震等控制條件設計，考慮地基基礎較差、軟土層較厚，地基采用了擠密砂樁處理方案。

首先采用擬靜力法進行設計，水平地震系數(shù)分別按中國和美國規(guī)范取0.1和0.2g，游艇碼頭護岸的計算結(jié)果見表5。

表5 擬靜力法岸坡抗震穩(wěn)定計算結(jié)果

由以上分析結(jié)果可知，當采用中國規(guī)范計算時，安全系數(shù)大于1.0，穩(wěn)定性滿足要求；采用美國規(guī)范計算時，安全系數(shù)小于1.1，不滿足規(guī)范要求?？紤]到海外項目對美國標準接受程度比較高，本案例將分別用經(jīng)驗公式法和Newmark時程位移分析法，進一步對游艇碼頭護岸斷面進行地震位移分析。

為盡可能接近場地特征，分析時從數(shù)據(jù)庫中選取PGA、震中距、距離斷裂帶距離盡可能接近工程區(qū)域特征，平均周期盡可能選取 0.45～0.55 s 之間接近場地特征周期的地震波，經(jīng)過篩選，采用的天然地震波為：Cape Mendocino，USA 1992(RIO-270)、Chi-Chi Taiwan，China 1999(ICU079-000和ICU079-090)、Duzce,Turkey 1999(BOL-000)以及Tabas,Iran 1978(DAY-IR)。

各地震波的加速度時程曲線見圖2。

圖2 選用地震波加速度時程曲線

岸坡時程位移分析法通過坡體高度、土體剪切波速、阻尼比等參數(shù)指標，在更加貼合實際項目，提高可操作性的基礎上，可以對滑動體、下方土體進行模態(tài)分析計算，動力響應計算可根據(jù)實際情況，考慮線彈性或者等效線性土體模型。游艇碼頭護岸的動力時程位移分析結(jié)果見圖3。

圖3 岸坡時程位移分析結(jié)果

其中，位移最大值為28 cm，平均值為15 cm，中位值為12 cm。采用經(jīng)驗公式法計算時，地震工況下的岸坡位移為32 cm。對于實際項目，可以根據(jù)情況選取更多地震波數(shù)據(jù)參與計算，綜合分析最終岸坡位移限值。

5 結(jié)語

1)基于項目實際案例，本文分別選用了國標以及國際認可度高的美標，以各自獨立的分析方法，對岸坡抗震分析結(jié)果進行對比：采用擬靜力法時，按照國標計算的抗力分項系數(shù)滿足規(guī)范要求，按照美標計算的抗力分項系數(shù)不能滿足要求。因此，美標需要進一步采用時程位移分析法，并在選取合適的經(jīng)過調(diào)整的時程曲線后，結(jié)合項目場地對應的經(jīng)驗公式法，綜合分析論證岸坡在地震工況下的位移限值。經(jīng)過計算結(jié)果對比分析，本案例護岸斷面能夠滿足設計強震工況下的位移限值要求，最終結(jié)果同國標一致。

2)本文對中美歐在岸坡抗強震工況下的設計方法分別做了對比。作為后方建筑物的地基基礎，岸坡在強震作用下的穩(wěn)定及位移效應對上部建筑結(jié)構(gòu)的安全性十分重要。不斷總結(jié)歸納海外認可度較高的技術(shù)規(guī)范在岸坡抗震設計分析方面的方法體系和技術(shù)要點，對今后進一步開拓海外市場，建立針對海外項目的嚴謹設計體系，都可以起到重要的完善優(yōu)化作用。