重力式碼頭抗滑穩定性公式中的邏輯思維課堂探索

曾春華　張會領　吳光林

摘? 要：本文以提煉重力式碼頭抗滑穩定性公式邏輯思維為教學案例，論述了公式中蘊含的質量度、整體與局部、主次與遞進的邏輯關系。提升了港口水工建筑物課堂學習的深度、拓展了學習目標的維度、構建了港口航道與海岸工程專業知識和邏輯思維的系統性。

關鍵詞：重力式碼頭;抗滑穩定性;邏輯思維;港口水工建筑物

中圖分類號：U656.1? ? 文獻標識碼：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的一門專業教育核心課程，課程以工程水文學、土力學、材料力學、結構力學、鋼筋混凝土結構、港口規劃與布置、港口裝卸工藝等課程為基礎。通過該課程的學習，學生應熟悉港口水工建筑物各類結構形式及特點、一般構造;理解作用在水工建筑物上的荷載及荷載組合，掌握基本計算內容及設計狀況，運用現行國家及行業規范標準進行港口水工建筑物計算和設計;進一步拓展對港口水工建筑物的經濟性、安全性、使用要求和施工條件等方面思考，增強學生對學科和專業的興趣，培養學生的專業素養。為學生順利從事港口航道與海岸工程及其相關領域的專業技術工作奠定基礎[1-3]。

由于港口水工建筑物是港口航道與海岸工程專業的一門綜合性課程，是串聯本專業眾多課程的知識繩索。課程中存在大量“體型巨大”的公式，所以學習難度相對較大。部分同學甚至存在以將來不從事本專業工作為理由，認為沒必要花大力氣去學習此課程知識的誤區。若授課教師過于注重知識點的講解而忽略思維體系的歸納提煉，單純聚焦于設計原理和方法，會使學習枯燥，導致學生對大公式及其囊括的諸多知識點產生混亂，甚至出現害怕和排斥大公式的現象。

重力式碼頭在多種教材中均是介紹的第一種碼頭結構，對整個課程及后續其他碼頭結構的學習具有典型示范的作用。本文結合多年的工程實踐和教學實踐，以重力碼頭抗滑穩定公式為例，對港口水工建筑物課程的授課和港航專業人才培養邏輯思維方面進行了一些探索和研究。

一、重力式碼頭抗滑穩定驗算課程內容

（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構形式。其結構堅固耐久，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性較強，維修費用少，是港務部門和施工單位比較歡迎的碼頭結構形式。按墻身結構來看，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的大型化，沉箱碼頭成為現階段我國最常用的一種結構形式。沉箱結構重力式碼頭結構復雜，主體結構一般由拋石基床、沉箱及箱內回填砂、胸墻、后方拋石棱體和回填土等多個部位組成，承受的作用復雜（包括波浪、潮沙、海流、冰凌、風、地震等自然力和使用、施工荷載），施工條件多變，建設周期長，投資較大[4]。

（二）設計工況

根據JTS167-2018《碼頭結構設計規范》，岸壁碼頭應開展沿墻底面、墻身各水平縫和基床底面的抗滑穩定性驗算。主要包括以下幾種工況[5]：

（1）考慮波浪作用，堆載土壓力為主導可變作用。

（2）考慮波浪作用，波浪力為主導可變作用。

（3）不考慮波浪作用，且由可變作用產生的土壓力為主導可變作用。

（4）不考慮波浪作用，沿胸墻底面的抗滑穩定性驗算，系纜力為主導可變作用。

具體工程會在此基礎上演化出更詳細的設計工況。

本文選取工況（1）為代表展開論述抗滑公式中蘊含的邏輯體系，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）抗滑穩定計算公式

根據JTS167-2018《碼頭結構設計規范》和港口水工建筑物課程教材[4]，工況（1）抗滑穩定計算公式如式（1）所示：

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

式中γ0——結構重要性系數;

γE——土壓力分項系數;

EH、EV——計算面以上永久作用總主動土壓力的水平分力標準值和豎向分力標準值（kN）;

γPW——剩余水壓力分項系數;

PW——作用在計算面以上的剩余水壓力的標準值（kN）;

EqH、Eqv——計算面以上可變作用總主動土壓力的水平分力標準值和豎向分力標準值（kN）;

ψ——作用組合系數，持久組合取0.7，短暫組合取1.0;

γd——結構調整系數，無波浪作用或波浪為非主導可變作用時取1.0， 有波浪作用并為主導可變作用時取1.1;

γG——自重力的分項系數，取1.0;

G——作用在計算面以上的結構自重力標準值（kN）;

f——沿計算面的摩擦系數設計值;

γp——波浪水平力分項系數;

PB——波谷作用時計算面以上水平波浪力的標準值;

γU——波浪浮托力分項系數;

PBU——波谷作用時計算底面上時的波浪付托力的標準值（kN）。

二、質、量、度邏輯關系

質量度的概念在黑格爾《邏輯學》“有論”“本質論”和“概念論”三編中的“有論”編內系統展開。黑格爾以對立統一思想闡明了關于質量互變精彩的辯證思想。黑格爾整個邏輯學的概念層次中第一層次是質、量、度[6-7]。

首先是質，具體概念是按照從抽象到具體，從簡單到復雜的途徑自我發展的。質是直接的、抽象的、簡單的規定性。重力式碼頭抗滑公式（1）本質上是簡潔的F≤Nf，即滑動力要小于等于垂直力乘以摩擦系數，這是中學的物理知識。在重力式碼頭抗滑穩定計算中，即滑動合力設計值要小于等于結構垂直方向合力設計值乘以沿計算面的摩擦系數設計值。透過“繁雜而冗長”的計算公式，提煉出最簡潔的公式，有利于學生以最快速度抓住抗滑公式的本質，還可以激發學生追求事物本質表述的美感，猶如愛因斯坦的質能公式“E=mc2”激發學生對科學之美的贊嘆，簡潔的抗滑公式同樣可以激發同學們對工程之美的向往和學習積極性。

其次是量，從質進展到量表示人類認識的一種深化和具體化，是完成的質的存在。量是比較具體和復雜的規定性?？够椒植鸬浇Y構自重G、永久主動土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產生的可變主動土壓力Eq以及波谷壓力PB產生的作用力標準值，體現了從“一到多”質過渡到量的過程，需要融入前置課程知識進行定量計算。反之，量的變化若超過了量的一定界限，會導致公式性質發生轉變，抗滑穩定逆轉為不穩定，從量轉化為質的過程。

最后是度，質所依賴的限量就是度。黑格爾給度下的定義是“度是有質的限量”。度既非單純的質， 也非單純的量，而是二者的統一。黑格爾認為從質發展到量是人類認識的一種深化，但還需從量的片面認識進一步“提高到量的規定的普遍形式，以至成為一個規律或說一個尺度的環節”，體現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，各作用力分項系數γ，就是度的具體體現及符號表示，是為保證所設計的碼頭結構具有規定的可靠度而在設計表達式中采用的系數，是通過大量工程實例的統計及系統性驗證試驗而確定的，在確保港口水工建筑物安全性的同時兼顧經濟性。這些度的系數不是憑空得出，是大量具體工程實例和試驗的統計和抽象得出的[8]，是質的反映。要在大量具體數據中，分析研究并確定各參數的取值范圍，實現量的具體化，需要根據港口工程結構的安全等級來確定結構重要性系數γ0，根據結構的受力特點確定結構調整系數γd，達到根據作用力的影響效應重要性及碼頭的安全等級進行度的把控，最終實現質和量的統一。值得注意的是，體現分項系數的值不能過大，不然超出所體現作用力應有的體現，還會造成工程建設的浪費。值不能過小，否則可能導致結構失穩，發生滑動破壞，引發事故。在一定條件下可以轉換，根據《碼頭結構設計規范》（JTS167-2018）第3.6條款，當永久作用效應對結構承載能力起有利作用時，該作用分項系數取值不應大于1.0。起不利作用時，分項系數取值不應小于1.2[5]。體現了黑格爾認為一切事物皆有度，若過了度就使事物變質。一切事物都是質與量的統一、都有其確定的度的思想。

通過質、量、度的邏輯關系分析，學生可以具體而深刻地認識碼頭結構穩定性本質與現象的公式化表征。有助于理解、掌握質量度互變的辯證規律。

三、整體與局部邏輯關系

公式（1）的整體與局部邏輯關系結構如圖1所示。

整體上，需要根據整體結構安全等級來確定結構重要性系數γ0，根據破壞效果的等級，從很嚴重到不嚴重分為三個等級，對總滑動力大小進行1.1、1.0和0.9的放大縮小。還需要波浪為是否為主導可變作用來對整個結構的抗滑力進行調整，如果波浪為是主導可變作用，則結構調整系數γ0為1.1，否則為1.0，公式（1）中，波浪為是非主導可變作用時，結構調整系數γ0為1.0。整體抗滑穩定是根本目標，居于主導地位，統率著各局部作用力，所有局部作用服從和服務于整體抗滑穩定。

局部上，分布單獨結構自重G、永久主動土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產生的可變主動土壓力Eq以及波谷壓力PB產生的作用力標準值，再通過線性組合計算各局部作用力的合力。當局部作用力以無序的結構形成整體時，整體滑動力和抗滑力將無法進行界定，也就無從實現整體功能。

通過整體與局部邏輯關系的分析，可以清晰地對整體進行把控，根據破壞效果和結構對作用的響應進行總體調控，通過結構重要性系數γ0和結構調整系數γd對總滑動力和總抗滑力進行放大縮小來實現。整體是由局部構成的，離開了部分，整體就不復存在;局部是整體中的局部，離開了整體就會喪失其準確定位和含義。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。整體局部的辯證關系要求樹立整體觀念和全局的思想，從整體出發，在整體上根據各局部作用力的特點和大小選擇最佳結構方案，使整體抗滑功能得到最大限度發揮，實現其安全性、使用要求、經濟性和施工條件等綜合最優目標。

四、主次與遞進邏輯關系

在公式（1）中，整體結構重要性系數γd和結構調整系數γ0在前，其他局部作用力及其分項系數在后，體現了整體為主，局部為次的邏輯關系;在諸多局部作用力中，存在等級劃分，非主導可變作用力需要作用組合系數ψ進行調整，持久組合取0.7，短暫組合取1.0。形成四重層層遞進的主次關系（圖2）。

第一層次。整個公式的根本目的是確定堆貨荷載為主導作用、波浪荷載為非主導作用下結構的抗滑穩定性，即確?？偦瑒恿π∮诳偪够?。

第二層次。所有局部作用力水平方向分力效應形成的總的滑動合力，所有局部作用力垂直方向分力效應乘以計算面的滑動系數形成總的抗滑合力。兩者之間既有共同荷載產生的不同方向的分力，如永久主動土壓力E、堆貨荷載產生的可變主動土壓力Eq和波浪力;又有獨立不同的作用力，如剩余水壓力PW、結構自重G。

第三層次。永久主動土壓力E、剩余水壓力PW和結構自重G，當結構方案確定并建設完成后，永久作用將確定下來，不隨外部荷載變化而發生變化。

第四層次?？勺冏饔脤⒎譃橹鲗Э勺兒头侵鲗Э勺?，以作用效應大者為主導，并且非主導作用需要根據乘以小于等于1.0的組合系數。當然，主導和非主導作用在不同情況下，大小發生變化時，相應的地位也將發生變化。

另一方面，諸多作用力中，永久主動土壓力E、剩余水壓力PW、結構自重G排在最前面，堆貨荷載產生的主導可變主動土壓力Eq隨后，排在最后的是非主導可變波谷壓力PB。由此可見，各作用力的排序也是先后排列的遞進關系。

這是事物影響因素的主次分解，即使看似為并列關系也需要講求遞進，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、學生邏輯思想的應用拓展及效果

廣東海洋大學港口航道與海岸工程專業的大學生培養體系和培養方案中，港口水工建筑這門課程安排在大三下學期進行。大三學生除了學習任務外，還面臨關于人生下一階段的方向和安排的選擇，平時零零散散的因素突然都集中涌現，擇業或是繼續考研深造？是否從事本行業？個人身體、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，部分學生甚至出現無所適從的現象。

筆者將自己多年的工程實踐經歷和經驗融入課程教學案例中，并十分注重邏輯體系的運用，講述在工程建設過程的所見所聞以及在處理工程建設過程各種問題中邏輯思維的運用，極大地提高了學生的學習興趣及對自身問題邏輯思維應用的探索和思考能力。學生十分積極踴躍地與任課老師探討各方面的問題，筆者會結合本課程公式中蘊含的邏輯思維有針對性地與學生分析、探討及分享自己的經驗及建議。剖析學生在特定目標下（抗滑穩定）的自身因素（永久作用、主導可變作用）、外部因素（主導可變作用及非主導可變作用）……參考此公式的邏輯體系進行困惑分解，輔助學生決策，使學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學習目的的深度、拓展學習目標的維度、構建學習的目標及效果的系統性;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基礎，實現了即時的學以致用。學生對待課程的態度呈現“需要學——值得學——樂意學”的變化過程，成為港口航道與海岸工程專業的合格畢業生。

令人驚喜的是，部分學生畢業一段時間之后專門發信息向筆者反饋，能將面臨的困惑和困難看成個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的不同，取決于我們如何運用這些因素（作用力）去解決人生問題，避免人生整體滑坡（滑動破壞），形成積極面對人生的人生觀。

參考文獻：

[1] 廣東海洋大學. 港口航道與海岸工程專業人才培養方案[Z]. 湛江：廣東海洋大學大學，2019.

[2] 廣東海洋大學. 港口航道與海岸工程專業《港口水工建筑物》課程教學大綱[Z]. 湛江：廣東海洋大學大學，2019.

[3] 吳光林，李芳成，張會領，等. 以行業需求為導向的港航專業實踐教學體系優化與創新[J]. 科教導刊，2019（09）：68-70.

[4] 韓理安. 港口水工建筑物[M]. 北京：人民交通出版社，2013：20-57.

[5] 中華人民共和國交通運輸部. 碼頭結構設計規范：JTS167-2018[S]. 北京：人民交通出版社，2018.

[6] 陳依元. 試析黑格爾邏輯學質量度概念運動及其合理思想[J]. 青海師專學報，1988（03）：11-17.

[7] 黑格爾. 邏輯學[M]. 梁志學，譯. 北京：人民出版社，2002：164-214.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑結構可靠性設計統一標準：GB 50068-2018[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2018.

（責任編輯：汪旦旦）