中英規范在港口工程的邊坡穩定分析方法對比

譚彬政

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510230)

不同國家的工程規范及技術標準在設計理念與各參數取值等方面會存在一定的差異，隨著國外工程項目的增多，特別是在“一帶一路”倡議背景下，港口工程的海外項目在這10 a增長迅速，因此有必要對國內外的規范進行對比研究。在港口工程中，邊坡抗滑穩定性計算涉及較為廣泛，如防坡堤的整體穩定性計算、護岸的穩定性計算和重力式碼頭的整體穩定性計算等。在基于國內規范的港口工程邊坡穩定的研究中，吳淑雄等[1]通過國內規范的抗力分項系數的研究，得出港口工程岸坡穩定的分項系數合理取值的方法。隨著計算機數值計算的發展，大型有限元工具已在港口工程邊坡穩定得到廣泛的應用，潘興標[2]基于ABAQUS有限元計算，建立碼頭岸坡三維模型，研究了影響岸坡失穩的各種因素，并驗證了強度折減法在岸坡穩定計算中的適用性。在基于國外規范的邊坡穩定的研究中，宣廬峻等[3]結合了國外的防坡堤工程項目介紹了英標和歐標在地基穩定計算上的運用，但沒有與國內規范進行對比分析；熊敏等[4]針對歐洲規范Eurocode7和國內規范《碾壓式土石壩設計規范》作了系統性的對比研究，但對港口工程項目的適用性有限。因此本文在分別對英標和國內規范在邊坡穩定的設計理念和計算方法上進行對比闡述的基礎上，以不同坡度、不同荷載條件下的粘性土坡和砂性土坡穩定性為例，并結合實際的工程案例對比分析兩種規范在邊坡穩定性計算上的差異。

1 中英規范中的邊坡穩定設計思路對比

表1 荷載作用效應分項系數Tab.1 Partial factor of load effect

在邊坡抗滑穩定的分析方法中，歐標Eurocode7[5]采用了3種不同的分項系數設計方法分別為Design Approach 1、Design Approach 2 和Design Approach 3。這3種方法均涉及到了荷載作用(組A)、巖土體參數(組M)和抗力(組R)，各有不同的組合。英標BS 6031-2009[6]采用了歐標中的方法DA1，如式(1)所示。在DA1的Combination 1(簡稱CB1)中，巖土體參數的分項系數和抗力分項系數均為1，而不利荷載的分項系數大于1，實際上是放大了不利荷載的作用；在DA1的Combination 2(簡稱CB2)中，除了通過分項系數增大不利可變荷載的作用之外，還對巖土體的參數進行了折減，如式(2)和表1～表3所示。Combination 1適用于作用不確定性控制設計的情況；Combination 2適用于土的工程性質不確定性控制設計的情況。

表2 土體材料分項系數Tab.2 Partial factor of soil

Combination 1: A1 “+” M1 “+” R1 Combination 2: A2 “+” M2 “+” R1

(1)

(2)

式中：Fd為作用力的設計值；γF為作用力的分項系數；Frep為作用力的代表值；Xd為材料參數的設計值；Xk為材料參數的特征值；γM為材料參數的分項系數。

表3 抗力分項系數Tab.3 Partial factor of resistance

(3)

值得注意的是，在實際的計算中，當選用英標DA1的Combination1時，因為坡體自重既有對抗滑穩定有利的部分，也有對其不利的部分，當不明確坡體自重哪些屬于有利，哪些屬于不利時，就無法選取自重相對應(有利或不利)的分項系數。因此，根據文獻[8]的建議可取自重得分項系數為1.0，而不利可變荷載的分項系數取為(1.5/1.35=1.111)，最后算出的安全系數與1.35進行比較。為了對比這種處理換算方法與實際英標DA1的Combination1的規定方法的結果差異，本文以瑞典條分法為例，根據《土力學》[9](河海大學出版社)第7章的理論推導，其安全系數計算公式如下

(4)

式中：ci為土條的土體凝聚力，kPa；wi為土條自重，N；li為土條長度，m；ai為土條傾角，(°)；φi為土條的土體內摩擦角，(°)。

按歐標Combination 1的方法施加分項系數，其安全系數公式轉變為

(5)

當按文獻[6]的換算方法，其安全系數公式變為

(6)

即等價于

(7)

對比式(5)和(7)可知，按照文獻[6]的換算方法計算得出的安全系數更小，即其方法相對更保守些。

2 算例

2.1 對比不同坡度的粘性土坡和粉細砂土坡穩定性

針對粘性土和粉細砂土兩種土坡，本文分別基于國標和英標的設計方法進行計算，通過計算得到滿足規范要求最小安全系數時對應的臨界坡角，對比兩種標準在確定岸坡穩定性上差異。

2.1.1 計算模型與土體參數

本文分別采用巖土邊坡數值分析軟件Geo-Studio的SEEP/w模塊和SLOPE/w模塊模擬岸坡在一定水位條件下的滲流場及其相應穩定性。首先在SEEP/w模塊進行滲流場計算模擬，其中模型左側邊界給定水頭12 m，右側坡面邊界水頭為10 m，即給定水位差為2 m，某一坡度岸坡的浸潤線計算結果如圖1所示。

表4 土體參數Tab.4 Soil parameters

SEEP/w滲流模塊的建模過程具體如下：(1)設置頁面屬性、系統坐標等，建立模型的幾何形狀；(2)根據岸坡土層的性質，輸入土體的滲透系數，并選擇相應的材料模型；(3)劃分模型的網格，并根據實際工況添加模型的邊界條件；(4)程序自檢錯誤，如未發現錯誤則開始計算；(5)進行穩態分析得到滲流場結果(對于瞬態分析，還需在穩態分析的基礎上定義時間步，并重新循環相同的流程，就可以得到不同時刻的滲流場結果)。然后把每一分析步的滲流場計算結果導入SLOPE/w模塊進行邊坡穩定性的計算，SLOPE/w模塊的計算流程如下：(1)根據相關實測資料輸入土體參數，包括內摩擦角、凝聚力和土容重等；(2)劃分土層，并對土層賦予相應的材料屬性；(3)導入滲流場的計算結果；(4)定義滑裂面的范圍；(5)邊坡穩定性計算；

計算模型如圖2所示。本文選用Bishop法進行穩定性分析，土體的快剪試驗的參數指標如表4所示，實際設計值參數如表5所示。

圖1 Seep/w計算模型Fig.1 Seep/w calculating model圖2 Slope/w計算模型Fig.2 Slope/w calculating model

圖3 粘性土坡的臨界坡角變化趨勢Fig.3 Trend of critical slope angle of cohesive soil slope圖4 粉細砂土坡的臨界坡角變化趨勢Fig.4 Trend of critical slope angle of sand slope

表5 土體設計值參數及最小安全系數范圍Tab.5 Soil design parameters and minimum safety factor range

2.1.2 計算結果

粘性土坡的計算結果如圖3所示。由圖3可知，隨著坡頂荷載的增加，不同方法的臨界坡角均表現出下降的趨勢。其中，CB1的臨界坡角總體上比CB2的小，即在同等條件下CB1計算得到的安全系數會更小。當無坡頂荷載時，兩者的臨界坡角非常接近；當有坡頂荷載時，CB1的臨界坡角相對更小，而且隨著荷載的增加，兩者的坡角差值有增大的趨勢。與國標的計算結果對比可知，CB1和CB2的臨界坡角與國標的臨界坡角上限比較接近，即CB1和CB2的邊坡穩定計算結果與國標的允許安全系數范圍的下限比較接近。粉細砂土坡的計算結果如圖4所示。由圖4可知，其臨界坡角的整體變化趨勢與粘性土坡的結果類似。而CB2的臨界坡角與國標(上限)非常接近。綜上所述，無論是粘性土坡，還是粉細砂土坡，根據英標CB1和CB2兩種方法計算得到的臨界坡角均在國標得到臨界坡角范圍之內，且接近于國標的上限。即在同等條件下，由英標計算得到岸坡穩定安全系數在國標的允許范圍之內。

圖5 護岸典型斷面(高程：m)Fig.5 Typical section of revetment

表6 土體參數Tab.6 Soil parameters

2.2 工程實例

國外某港口需建設1.5 km的護岸，護岸采用斜坡式結構，設計斷面如圖5所示。工程所在地區有較厚的軟黏土層，軟黏土層下面是土質良好的殘積土層，采用開挖后換填砂的方法進行處理，其基本的施工流程為：開挖護岸基槽→回填砂料形成堤身→回填后方疏浚材料。本文用SLOPE軟件基于Bishop法計算護岸岸坡的整體穩定性，各土層的不固結不排水參數指標如表6所示，護岸后方考慮90 kPa的均載。當地的水文情況如下：最高天文潮(HAT)3.75 m；大潮平均高潮(MHWS)2.98 m；大潮平均高潮(MLWS)2.98 m；最低天文潮(LAT) 0.28 m。在岸坡穩定性計算中，海側水位值取0.28 m(LAT)，陸側地下水位取2.06 m(MHWS與MLWS的平均值)。

圖6 國標計算結果Fig.6 Result of Chinese Standard

圖7 英標CB1計算結果Fig.7 Result of British Standard CB1

圖8 英標CB2計算結果Fig.8 Result of British Standard CB2

根據岸坡穩定性的計算結果，如圖6～圖8 ，國標和英標得到的臨界滑弧基本一致。根據國標得到的最小安全系數為1.389，相對于規范允許的安全系數最小限值(1.30)還有較大富余；英標CB1和CB2方法得到的最小安全系數分別為1.363和1.012， 相對于其允許限值(1.35和1.00)已很接近，富余不多。因此，岸坡穩定性的計算中，英標的計算方法更為嚴格，這可為工程師初步判斷岸坡穩定性提供參考。

3 結論

本文分別通過粘性土和粉細砂土坡以及結合工程實例的計算分析對比了國標和英標在港口工程邊坡穩定性計算方法及結果的差異。

(1)英標可根據不同的設計情況，對荷載作用、巖土體參數和抗力3個因素的進行分項系數分析，在設計理念上更為先進。其Combination 1方法適用于作用不確定性控制設計的情況；Combination 2方法適用于土的工程性質不確定性控制設計的情況。

(2)由英標計算得到岸坡穩定安全系數在國標的允許范圍之內，且接近于國標允許的安全系數范圍的下限值，這可為工程師初步判斷岸坡穩定性提供參考。