歐標岸壁重力式碼頭擬靜力抗震設計方法及應用

黃瀟勁，江 義，吳志良

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

重力式碼頭是一種十分常見的碼頭結構型式，主要是通過其自身重力維持穩定，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育適中的地基。該結構型式具有耐久性好、超載適應性強、施工安裝方便、后期運營維護少等優點，廣泛應用于實際工程。

地震作用下重力式碼頭結構的地震破壞形式主要包括：碼頭結構的整體穩定變形，沉箱、方塊等海側滑動位移、傾斜過大和碼頭結構地震沉降過大[1]。重力式碼頭的抗震設計方法一般包括：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雜，但擬靜力抗震設計方法仍然是該類碼頭結構抗震設計的基本方法[2-6]，在美國、日本、歐洲和中國應用十分廣泛。

本文側重研究基于歐標[7-11]重力式岸壁碼頭擬靜力抗震設計方法，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、抗傾覆穩定性計算，并結合吉布提多哈雷港一期工程，開展歐標、國標擬靜力抗震設計計算方法比較。

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 歐標擬靜力抗震設計方法

1.1 地震荷載作用

在進行重力式岸壁碼頭擬靜力抗震計算時，碼頭結構受到的荷載作用包括：結構自重、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：結構自重的質量慣性力、岸壁陸側墻后的動土壓力、岸壁墻前海側的動水壓力。

采用擬靜力抗震設計分析時，重力式岸壁碼頭的受力簡圖見圖1，其中W為岸壁結構自重，Ub為岸壁結構本身受到的浮力，NEd為岸壁結構受到的豎向支持力(NEd=W-Ub)，R為對應NEd產生的墻底抵抗摩檫力；Fh、Fv為結構自身的水平和豎向質量慣性力，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為結構寬度，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、墻前靜水壓力可認為基本抵消作用。采用歐標EC8-5[10]地震荷載的計算方法如下。

(1)地震加速度及質量慣性力。

地震作用下，重力式碼頭結構質量的水平地震系數kh和豎向地震系數kv為

kv=±0.33kh， 剩余情況

(1)

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

系數α=γiagr/g[9]，其中γi是結構重要性系數，a是場地地面設計地震加速度，agr是基巖的設計地面加速度(PGA)，重力加速度常數g=9.81 m/s2。如果重力擋墻在10 m以內，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計地震加速度的平均值。S為土質系數，應根據場地類型確定。r是歐標根據極限平衡理論引入的一個折減系數，根據重力擋墻的類型及其允許永久位移取值(表1)。

地震作用下，碼頭結構的水平和豎向質量慣性力可直接表示為

Fh=khW，Fv=kvW

(2)

式中：W表示結構的天然容重。

(2)重力式岸壁陸側墻后的動土壓力。

在進行擬靜力抗震設計時，歐標規定作用陸側墻后所有設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，公式表達為

(3)

根據歐標EC8-5附錄E，歐標動土壓力系數可采用經典的物部-岡部公式進行計算。

主動狀態

(4)

(5)

被動狀態(土體和重力擋墻之間沒有剪切抗力)：

(6)

此外，根據墻后回填料中水的狀態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)岸壁墻前海側的動水壓力。

按歐標進行設計時，還須考慮由于水體震蕩對海側前墻產生的動水壓力(正或負)，采用的也是經典的Westergaard法。動水壓力沿高度分布為

(7)

其中，kh為對應r=1的水平地震系數，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，歐標特別規定水平地震系數不應進行折減。

1.2 穩定計算組合

(1)設計荷載作用組合。

歐標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定驗算方法，地震工況下荷載或作用組合的表達式為

(9)

其中Gk,j為永久荷載及永久荷載產生的土壓力；P為預應力；AEd為地震作用效應；Qk,i為可變荷載；Ψ2,i為可變荷載組合系數。

(2)穩定驗算。

地震工況下，歐標EC8-5岸壁式擋土結構需要進行二類失效模式的驗算，包括結構整體穩定和局部土體失效。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。以基底抗滑移穩定失效為例，抗滑穩定判斷標準為

VEd≤FRd+Epd

(10)

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

(11)

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

式中：NEd為在滑動面上的設計豎向力；δ為土體-墻底內摩擦角；γM為材料系數，可根據歐標巖土規范EC7-1 取值。

實際上，根據EC8-5進行岸壁式擋土結構設計是與EC7-1[8]的設計方法一(DA1)是相容的。對于擋土系統，設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，在地震組合下荷載效應計算需要按EC8-5執行；M1、M2為材料分項系數，取值見表3；R1為抗力系數，取值均為1.0。

圖2 歐標擬靜力抗震設計流程 Fig.2 Seismic design flowchart using pseudo static method recommended by Eurocode 8

因此，除了地震荷載效應計算應按歐標EC8-5執行，岸壁式擋土結構的地震抗力效應與EC7-1設計方法一完全一致，且可以判斷該由組合DA1-2得到的抗力效應最不利。

1.3 歐標擬靜力抗震設計流程

在進行重力式岸壁碼頭擬靜力抗震計算時，首先要確定地震設防參數，然后分別計算擬定結構斷面方案的地震荷載效應和抗力荷載效應，最后進行穩定驗算判斷。具體抗震設計流程圖總結見圖2。

2 歐洲標準與中國標準擬靜力抗震設計方法比較

根據中國現行《水運工程抗震設計規范》(JTS 146-2012)，岸壁重力式碼頭的抗震設計也采用擬靜力方法。本節將國標與歐標的相關要求進行對比研究，詳見表4。

表4 歐標與國標擬靜力抗震設計方法比較Tab.4 Comparisons of pseudo static method between Euro and Chinese Code

3 工程案例應用

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，東距老港區約8 km。項目建設內容包括1.2 km長沉箱基礎深水主碼頭、90萬m2道路堆場、約8萬m2建筑物及其他配套設施。港口設計年吞吐能力為708萬t和20萬標準箱。2014年8月，多哈雷多功能港口開工建設。2017年5月，多哈雷多功能港口交付使用。碼頭設計船型為1～10萬t散貨船、滾裝船、件雜貨船和集裝箱船。

碼頭水工結構主要包括1 200 m深水岸線、175 m工作船碼頭工程、東護岸和西護岸(臨時護面)。碼頭結構采用重力式沉箱結構，東、西護岸采用拋石堤結構。水工結構設計年限為50 a。結合當地特殊的弱膠結珊瑚礁灰巖、鈣質砂發育埋藏較淺的地質條件，碼頭結構選用重力式沉箱結構，且選擇了地基承載力較高的弱膠結珊瑚礁灰巖、鈣質砂等作為持力層，既解決了多功能港區功能要求布置，又可較好地適應當地的水深條件，技術經濟性優越。

吉布提多哈雷港位于東非地震斷裂帶附近，設計地震加速度為0.168 g，基本相當于中國標準八度地震設防烈度。

3.2 整體穩定及基床承載力評估

碼頭結構采用重力式沉箱結構形式。碼頭面設計高程為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，位于臨海側第一排倉隔頂部。沉箱底標高為-16.1 m，頂標高1.8 m，沉箱結構的平面尺度為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行分層壓實。沉箱后方拋石棱體結構10～100 kg塊石。碼頭結構典型斷面見圖3。

圖3 碼頭結構典型斷面圖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1和2；(2)豎向加速度考慮向上、向下兩個方向；(3)采用歐標進行地震穩定計算。

碼頭設計過程中，對沉箱寬度B(帶趾寬高比B′/L)做了參數化設計研究，分別選取了B=12 m(B′/L=0.63)和14 m(B′/L=0.73)進行了比較研究。當沉箱寬度B=12 m和14 m時，碼頭結構抗滑、抗傾整體穩定和基床承載力計算結果分別見表5和表6。

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

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

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

根據計算結果，當沉箱寬度B=12 m時，采用歐標設計抗滑移和拋石地基承載力(按EC8-5附錄F)不滿足要求，而國標可以滿足要求。當沉箱寬度B=14 m時，歐標和國標均可以滿足要求，并且有一定安全富裕。最終實施斷面，進行了必要的優化設計，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、抗傾覆整體穩定和拋石基床地基應力或承載力計算結果。

對于本工程實施方案，碼頭結構沉箱底抗滑移、抗傾覆整體穩定和基床承載力計算結果見表7。歐標和國標整體抗滑移穩定安全系數分別為1.02和1.66，整體抗傾覆穩定安全系數分別為2.06和1.84，最大基床應力分別為592.28 kPa和561.54 kPa。基床承載力按EC8-5附錄F和EC7-1滿足要求。在設計低水位條件下，歐標和國標整體抗滑移穩定安全系數分別為1.13和1.74，整體抗滑移穩定安全系數分別為2.31和1.89，最大基床應力分別為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。基床承載力按EC8-5附錄F和EC7-1滿足要求。實際上，根據EC8-5規范要求，地震工況下可不進行沉箱底的抗傾覆穩定驗算。

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

另外，在滿足國標抗震規范要求的前提下，對抗滑，抗傾覆，地基承載力(基床頂面應力應小于800 kPa)進行了參數化分析，選定得到了在滿足國標規范要求的沉箱寬度B=10.6 m(帶趾寬高比B′/L=0.56)，結果見表8。

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

4 結論

(1)歐標岸壁重力碼頭擬靜力抗震設計方法的水平地震系數采用折減系數法，折減系數不超過2.0(相當于國標綜合影響系數不小于0.5)，國標采用綜合影響系數0.25，歐標用于計算的綜合地震影響系數大。

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

(3)歐標墻前動水壓力計算時使用不折減的水平地震加速度，是對墻前水體嚴格執行Westergaard動水計算的結果，所以，盡管歐標國標采用相同的計算方法，但歐標計算結果是國標的4倍，且國標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定計算的參與度上，歐標與國標存在較大的差異。

(4)歐標要求進行整體穩定和局部土體滑移、承載力失效分析，而國標要求進行抗滑移、抗傾覆和整體穩定分析，且考慮抗震調整系數。參數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，對于設置在拋石基床上的重力式岸壁沉箱結構進行靜力抗震設計穩定驗算時，歐標設計擬定沉箱寬高比國標大約20%，其結果差異較大，有待進一步深入研究。