重力式碼頭抗滑穩(wěn)定性公式中的邏輯思維課堂探索

曾春華　張會(huì)領(lǐng)　吳光林

摘? 要：本文以提煉重力式碼頭抗滑穩(wěn)定性公式邏輯思維為教學(xué)案例，論述了公式中蘊(yùn)含的質(zhì)量度、整體與局部、主次與遞進(jìn)的邏輯關(guān)系。提升了港口水工建筑物課堂學(xué)習(xí)的深度、拓展了學(xué)習(xí)目標(biāo)的維度、構(gòu)建了港口航道與海岸工程專業(yè)知識(shí)和邏輯思維的系統(tǒng)性。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭;抗滑穩(wěn)定性;邏輯思維;港口水工建筑物

中圖分類號：U656.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）19-0094-07

港口水工建筑物是港口航道與海岸工程專業(yè)的一門專業(yè)教育核心課程，課程以工程水文學(xué)、土力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、港口規(guī)劃與布置、港口裝卸工藝等課程為基礎(chǔ)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)熟悉港口水工建筑物各類結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)、一般構(gòu)造;理解作用在水工建筑物上的荷載及荷載組合，掌握基本計(jì)算內(nèi)容及設(shè)計(jì)狀況，運(yùn)用現(xiàn)行國家及行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行港口水工建筑物計(jì)算和設(shè)計(jì);進(jìn)一步拓展對港口水工建筑物的經(jīng)濟(jì)性、安全性、使用要求和施工條件等方面思考，增強(qiáng)學(xué)生對學(xué)科和專業(yè)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。為學(xué)生順利從事港口航道與海岸工程及其相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)[1-3]。

由于港口水工建筑物是港口航道與海岸工程專業(yè)的一門綜合性課程，是串聯(lián)本專業(yè)眾多課程的知識(shí)繩索。課程中存在大量“體型巨大”的公式，所以學(xué)習(xí)難度相對較大。部分同學(xué)甚至存在以將來不從事本專業(yè)工作為理由，認(rèn)為沒必要花大力氣去學(xué)習(xí)此課程知識(shí)的誤區(qū)。若授課教師過于注重知識(shí)點(diǎn)的講解而忽略思維體系的歸納提煉，單純聚焦于設(shè)計(jì)原理和方法，會(huì)使學(xué)習(xí)枯燥，導(dǎo)致學(xué)生對大公式及其囊括的諸多知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生混亂，甚至出現(xiàn)害怕和排斥大公式的現(xiàn)象。

重力式碼頭在多種教材中均是介紹的第一種碼頭結(jié)構(gòu)，對整個(gè)課程及后續(xù)其他碼頭結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)具有典型示范的作用。本文結(jié)合多年的工程實(shí)踐和教學(xué)實(shí)踐，以重力碼頭抗滑穩(wěn)定公式為例，對港口水工建筑物課程的授課和港航專業(yè)人才培養(yǎng)邏輯思維方面進(jìn)行了一些探索和研究。

一、重力式碼頭抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算課程內(nèi)容

（一）重力式碼頭的主要特征

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久，抗凍和抗冰性能好;能承受較大的地面荷載和船舶荷載，對較大的集中荷載以及碼頭地面超載和裝卸工藝變化適應(yīng)性較強(qiáng)，維修費(fèi)用少，是港務(wù)部門和施工單位比較歡迎的碼頭結(jié)構(gòu)形式。按墻身結(jié)構(gòu)來看，重力式碼頭可分為方塊碼頭、沉箱碼頭、扶壁碼頭、大圓筒碼頭、格型鋼板樁碼頭、干地施工的現(xiàn)澆混凝土和漿砌石碼頭等。隨著施工工藝的提升及施工船機(jī)的大型化，沉箱碼頭成為現(xiàn)階段我國最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。沉箱結(jié)構(gòu)重力式碼頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主體結(jié)構(gòu)一般由拋石基床、沉箱及箱內(nèi)回填砂、胸墻、后方拋石棱體和回填土等多個(gè)部位組成，承受的作用復(fù)雜（包括波浪、潮沙、海流、冰凌、風(fēng)、地震等自然力和使用、施工荷載），施工條件多變，建設(shè)周期長，投資較大[4]。

（二）設(shè)計(jì)工況

根據(jù)JTS167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，岸壁碼頭應(yīng)開展沿墻底面、墻身各水平縫和基床底面的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算。主要包括以下幾種工況[5]：

（1）考慮波浪作用，堆載土壓力為主導(dǎo)可變作用。

（2）考慮波浪作用，波浪力為主導(dǎo)可變作用。

（3）不考慮波浪作用，且由可變作用產(chǎn)生的土壓力為主導(dǎo)可變作用。

（4）不考慮波浪作用，沿胸墻底面的抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算，系纜力為主導(dǎo)可變作用。

具體工程會(huì)在此基礎(chǔ)上演化出更詳細(xì)的設(shè)計(jì)工況。

本文選取工況（1）為代表展開論述抗滑公式中蘊(yùn)含的邏輯體系，并以此拓展理解其他工況乃至港口水工建筑物課程教材中其他公式。

（三）抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式

根據(jù)JTS167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和港口水工建筑物課程教材[4]，工況（1）抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式如式（1）所示：

γ0（γEEH+γPWPW+γEEqH+γψPPB）≤■（γGG+γEEV+γEEqv+γψUPBU）f? （1）

式中γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);

γE——土壓力分項(xiàng)系數(shù);

EH、EV——計(jì)算面以上永久作用總主動(dòng)土壓力的水平分力標(biāo)準(zhǔn)值和豎向分力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

γPW——剩余水壓力分項(xiàng)系數(shù);

PW——作用在計(jì)算面以上的剩余水壓力的標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

EqH、Eqv——計(jì)算面以上可變作用總主動(dòng)土壓力的水平分力標(biāo)準(zhǔn)值和豎向分力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

ψ——作用組合系數(shù)，持久組合取0.7，短暫組合取1.0;

γd——結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)，無波浪作用或波浪為非主導(dǎo)可變作用時(shí)取1.0， 有波浪作用并為主導(dǎo)可變作用時(shí)取1.1;

γG——自重力的分項(xiàng)系數(shù)，取1.0;

G——作用在計(jì)算面以上的結(jié)構(gòu)自重力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）;

f——沿計(jì)算面的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)值;

γp——波浪水平力分項(xiàng)系數(shù);

PB——波谷作用時(shí)計(jì)算面以上水平波浪力的標(biāo)準(zhǔn)值;

γU——波浪浮托力分項(xiàng)系數(shù);

PBU——波谷作用時(shí)計(jì)算底面上時(shí)的波浪付托力的標(biāo)準(zhǔn)值（kN）。

二、質(zhì)、量、度邏輯關(guān)系

質(zhì)量度的概念在黑格爾《邏輯學(xué)》“有論”“本質(zhì)論”和“概念論”三編中的“有論”編內(nèi)系統(tǒng)展開。黑格爾以對立統(tǒng)一思想闡明了關(guān)于質(zhì)量互變精彩的辯證思想。黑格爾整個(gè)邏輯學(xué)的概念層次中第一層次是質(zhì)、量、度[6-7]。

首先是質(zhì)，具體概念是按照從抽象到具體，從簡單到復(fù)雜的途徑自我發(fā)展的。質(zhì)是直接的、抽象的、簡單的規(guī)定性。重力式碼頭抗滑公式（1）本質(zhì)上是簡潔的F≤Nf，即滑動(dòng)力要小于等于垂直力乘以摩擦系數(shù)，這是中學(xué)的物理知識(shí)。在重力式碼頭抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，即滑動(dòng)合力設(shè)計(jì)值要小于等于結(jié)構(gòu)垂直方向合力設(shè)計(jì)值乘以沿計(jì)算面的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)值。透過“繁雜而冗長”的計(jì)算公式，提煉出最簡潔的公式，有利于學(xué)生以最快速度抓住抗滑公式的本質(zhì)，還可以激發(fā)學(xué)生追求事物本質(zhì)表述的美感，猶如愛因斯坦的質(zhì)能公式“E=mc2”激發(fā)學(xué)生對科學(xué)之美的贊嘆，簡潔的抗滑公式同樣可以激發(fā)同學(xué)們對工程之美的向往和學(xué)習(xí)積極性。

其次是量，從質(zhì)進(jìn)展到量表示人類認(rèn)識(shí)的一種深化和具體化，是完成的質(zhì)的存在。量是比較具體和復(fù)雜的規(guī)定性。抗滑公式分拆到結(jié)構(gòu)自重G、永久主動(dòng)土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產(chǎn)生的可變主動(dòng)土壓力Eq以及波谷壓力PB產(chǎn)生的作用力標(biāo)準(zhǔn)值，體現(xiàn)了從“一到多”質(zhì)過渡到量的過程，需要融入前置課程知識(shí)進(jìn)行定量計(jì)算。反之，量的變化若超過了量的一定界限，會(huì)導(dǎo)致公式性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，抗滑穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，從量轉(zhuǎn)化為質(zhì)的過程。

最后是度，質(zhì)所依賴的限量就是度。黑格爾給度下的定義是“度是有質(zhì)的限量”。度既非單純的質(zhì)， 也非單純的量，而是二者的統(tǒng)一。黑格爾認(rèn)為從質(zhì)發(fā)展到量是人類認(rèn)識(shí)的一種深化，但還需從量的片面認(rèn)識(shí)進(jìn)一步“提高到量的規(guī)定的普遍形式，以至成為一個(gè)規(guī)律或說一個(gè)尺度的環(huán)節(jié)”，體現(xiàn)了從量過渡到度的必要性和必然性。重力式碼頭抗滑公式中，各作用力分項(xiàng)系數(shù)γ，就是度的具體體現(xiàn)及符號表示，是為保證所設(shè)計(jì)的碼頭結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度而在設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用的系數(shù)，是通過大量工程實(shí)例的統(tǒng)計(jì)及系統(tǒng)性驗(yàn)證試驗(yàn)而確定的，在確保港口水工建筑物安全性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。這些度的系數(shù)不是憑空得出，是大量具體工程實(shí)例和試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)和抽象得出的[8]，是質(zhì)的反映。要在大量具體數(shù)據(jù)中，分析研究并確定各參數(shù)的取值范圍，實(shí)現(xiàn)量的具體化，需要根據(jù)港口工程結(jié)構(gòu)的安全等級來確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)確定結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γd，達(dá)到根據(jù)作用力的影響效應(yīng)重要性及碼頭的安全等級進(jìn)行度的把控，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)和量的統(tǒng)一。值得注意的是，體現(xiàn)分項(xiàng)系數(shù)的值不能過大，不然超出所體現(xiàn)作用力應(yīng)有的體現(xiàn)，還會(huì)造成工程建設(shè)的浪費(fèi)。值不能過小，否則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生滑動(dòng)破壞，引發(fā)事故。在一定條件下可以轉(zhuǎn)換，根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018）第3.6條款，當(dāng)永久作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載能力起有利作用時(shí)，該作用分項(xiàng)系數(shù)取值不應(yīng)大于1.0。起不利作用時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)取值不應(yīng)小于1.2[5]。體現(xiàn)了黑格爾認(rèn)為一切事物皆有度，若過了度就使事物變質(zhì)。一切事物都是質(zhì)與量的統(tǒng)一、都有其確定的度的思想。

通過質(zhì)、量、度的邏輯關(guān)系分析，學(xué)生可以具體而深刻地認(rèn)識(shí)碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性本質(zhì)與現(xiàn)象的公式化表征。有助于理解、掌握質(zhì)量度互變的辯證規(guī)律。

三、整體與局部邏輯關(guān)系

公式（1）的整體與局部邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體上，需要根據(jù)整體結(jié)構(gòu)安全等級來確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0，根據(jù)破壞效果的等級，從很嚴(yán)重到不嚴(yán)重分為三個(gè)等級，對總滑動(dòng)力大小進(jìn)行1.1、1.0和0.9的放大縮小。還需要波浪為是否為主導(dǎo)可變作用來對整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗滑力進(jìn)行調(diào)整，如果波浪為是主導(dǎo)可變作用，則結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0為1.1，否則為1.0，公式（1）中，波浪為是非主導(dǎo)可變作用時(shí)，結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0為1.0。整體抗滑穩(wěn)定是根本目標(biāo)，居于主導(dǎo)地位，統(tǒng)率著各局部作用力，所有局部作用服從和服務(wù)于整體抗滑穩(wěn)定。

局部上，分布單獨(dú)結(jié)構(gòu)自重G、永久主動(dòng)土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產(chǎn)生的可變主動(dòng)土壓力Eq以及波谷壓力PB產(chǎn)生的作用力標(biāo)準(zhǔn)值，再通過線性組合計(jì)算各局部作用力的合力。當(dāng)局部作用力以無序的結(jié)構(gòu)形成整體時(shí)，整體滑動(dòng)力和抗滑力將無法進(jìn)行界定，也就無從實(shí)現(xiàn)整體功能。

通過整體與局部邏輯關(guān)系的分析，可以清晰地對整體進(jìn)行把控，根據(jù)破壞效果和結(jié)構(gòu)對作用的響應(yīng)進(jìn)行總體調(diào)控，通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0和結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γd對總滑動(dòng)力和總抗滑力進(jìn)行放大縮小來實(shí)現(xiàn)。整體是由局部構(gòu)成的，離開了部分，整體就不復(fù)存在;局部是整體中的局部，離開了整體就會(huì)喪失其準(zhǔn)確定位和含義。局部作用力的功能及其變化甚至對整體的功能起決定作用。整體局部的辯證關(guān)系要求樹立整體觀念和全局的思想，從整體出發(fā)，在整體上根據(jù)各局部作用力的特點(diǎn)和大小選擇最佳結(jié)構(gòu)方案，使整體抗滑功能得到最大限度發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)其安全性、使用要求、經(jīng)濟(jì)性和施工條件等綜合最優(yōu)目標(biāo)。

四、主次與遞進(jìn)邏輯關(guān)系

在公式（1）中，整體結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γd和結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0在前，其他局部作用力及其分項(xiàng)系數(shù)在后，體現(xiàn)了整體為主，局部為次的邏輯關(guān)系;在諸多局部作用力中，存在等級劃分，非主導(dǎo)可變作用力需要作用組合系數(shù)ψ進(jìn)行調(diào)整，持久組合取0.7，短暫組合取1.0。形成四重層層遞進(jìn)的主次關(guān)系（圖2）。

第一層次。整個(gè)公式的根本目的是確定堆貨荷載為主導(dǎo)作用、波浪荷載為非主導(dǎo)作用下結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，即確保總滑動(dòng)力小于總抗滑力。

第二層次。所有局部作用力水平方向分力效應(yīng)形成的總的滑動(dòng)合力，所有局部作用力垂直方向分力效應(yīng)乘以計(jì)算面的滑動(dòng)系數(shù)形成總的抗滑合力。兩者之間既有共同荷載產(chǎn)生的不同方向的分力，如永久主動(dòng)土壓力E、堆貨荷載產(chǎn)生的可變主動(dòng)土壓力Eq和波浪力;又有獨(dú)立不同的作用力，如剩余水壓力PW、結(jié)構(gòu)自重G。

第三層次。永久主動(dòng)土壓力E、剩余水壓力PW和結(jié)構(gòu)自重G，當(dāng)結(jié)構(gòu)方案確定并建設(shè)完成后，永久作用將確定下來，不隨外部荷載變化而發(fā)生變化。

第四層次?？勺冏饔脤⒎譃橹鲗?dǎo)可變和非主導(dǎo)可變，以作用效應(yīng)大者為主導(dǎo)，并且非主導(dǎo)作用需要根據(jù)乘以小于等于1.0的組合系數(shù)。當(dāng)然，主導(dǎo)和非主導(dǎo)作用在不同情況下，大小發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的地位也將發(fā)生變化。

另一方面，諸多作用力中，永久主動(dòng)土壓力E、剩余水壓力PW、結(jié)構(gòu)自重G排在最前面，堆貨荷載產(chǎn)生的主導(dǎo)可變主動(dòng)土壓力Eq隨后，排在最后的是非主導(dǎo)可變波谷壓力PB。由此可見，各作用力的排序也是先后排列的遞進(jìn)關(guān)系。

這是事物影響因素的主次分解，即使看似為并列關(guān)系也需要講求遞進(jìn)，比如永久作用和可變作用都需要講求順序，需要首先確定永久作用，然后到可變作用。

五、學(xué)生邏輯思想的應(yīng)用拓展及效果

廣東海洋大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)的大學(xué)生培養(yǎng)體系和培養(yǎng)方案中，港口水工建筑這門課程安排在大三下學(xué)期進(jìn)行。大三學(xué)生除了學(xué)習(xí)任務(wù)外，還面臨關(guān)于人生下一階段的方向和安排的選擇，平時(shí)零零散散的因素突然都集中涌現(xiàn)，擇業(yè)或是繼續(xù)考研深造？是否從事本行業(yè)？個(gè)人身體、心理、情感、家庭問題，將來的不確定性等等，在此過程中紛紛擾擾的因素眾多，部分學(xué)生甚至出現(xiàn)無所適從的現(xiàn)象。

筆者將自己多年的工程實(shí)踐經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)融入課程教學(xué)案例中，并十分注重邏輯體系的運(yùn)用，講述在工程建設(shè)過程的所見所聞以及在處理工程建設(shè)過程各種問題中邏輯思維的運(yùn)用，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對自身問題邏輯思維應(yīng)用的探索和思考能力。學(xué)生十分積極踴躍地與任課老師探討各方面的問題，筆者會(huì)結(jié)合本課程公式中蘊(yùn)含的邏輯思維有針對性地與學(xué)生分析、探討及分享自己的經(jīng)驗(yàn)及建議。剖析學(xué)生在特定目標(biāo)下（抗滑穩(wěn)定）的自身因素（永久作用、主導(dǎo)可變作用）、外部因素（主導(dǎo)可變作用及非主導(dǎo)可變作用）……參考此公式的邏輯體系進(jìn)行困惑分解，輔助學(xué)生決策，使學(xué)生理性可控地做出適合自己的選擇。

公式化邏輯分析可增強(qiáng)學(xué)習(xí)目的的深度、拓展學(xué)習(xí)目標(biāo)的維度、構(gòu)建學(xué)習(xí)的目標(biāo)及效果的系統(tǒng)性;能從不同邏輯層次、不同邏輯角度去“找出問題、分析拆解問題、找到解決問題”的邏輯思維體系，很好地奠定了課程教學(xué)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)的學(xué)以致用。學(xué)生對待課程的態(tài)度呈現(xiàn)“需要學(xué)——值得學(xué)——樂意學(xué)”的變化過程，成為港口航道與海岸工程專業(yè)的合格畢業(yè)生。

令人驚喜的是，部分學(xué)生畢業(yè)一段時(shí)間之后專門發(fā)信息向筆者反饋，能將面臨的困惑和困難看成個(gè)人成長的階梯而非令人沮喪的攔路虎，明白事物在不同情況下作用效應(yīng)的不同，取決于我們?nèi)绾芜\(yùn)用這些因素（作用力）去解決人生問題，避免人生整體滑坡（滑動(dòng)破壞），形成積極面對人生的人生觀。

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（責(zé)任編輯：汪旦旦）