欧标岸壁重力式码头拟静力抗震设计方法及应用

黄潇劲，江 义，吴志良

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

重力式码头是一种十分常见的码头结构型式，主要是通过其自身重力维持稳定，适用于岩性、密实的砂土或粘性土等承载力较高且持力层埋深发育适中的地基。该结构型式具有耐久性好、超载适应性强、施工安装方便、后期运营维护少等优点，广泛应用于实际工程。

地震作用下重力式码头结构的地震破坏形式主要包括：码头结构的整体稳定变形，沉箱、方块等海侧滑动位移、倾斜过大和码头结构地震沉降过大[1]。重力式码头的抗震设计方法一般包括：拟静力法、简化动力分析法和动力分析法。尽管真实重力式岸壁码头的地震动力变形行为十分复杂，但拟静力抗震设计方法仍然是该类码头结构抗震设计的基本方法[2-6]，在美国、日本、欧洲和中国应用十分广泛。

本文侧重研究基于欧标[7-11]重力式岸壁码头拟静力抗震设计方法，特别是地震惯性力、地震动土、动水荷载作用计算，以及在其共同作用下的整体抗滑、抗倾覆稳定性计算，并结合吉布提多哈雷港一期工程，开展欧标、国标拟静力抗震设计计算方法比较。

图1 地震时重力式岸壁码头受力分析简图Fig.1 Force analytic diagram for solid quay under earthquake

1 欧标拟静力抗震设计方法

1.1 地震荷载作用

在进行重力式岸壁码头拟静力抗震计算时，码头结构受到的荷载作用包括：结构自重、浮拖力、使用活荷载、剩余静止水压力、基底摩擦力和地震作用，其中地震作用主要包括：结构自重的质量惯性力、岸壁陆侧墙后的动土压力、岸壁墙前海侧的动水压力。

采用拟静力抗震设计分析时，重力式岸壁码头的受力简图见图1，其中W为岸壁结构自重，Ub为岸壁结构本身受到的浮力，NEd为岸壁结构受到的竖向支持力(NEd=W-Ub)，R为对应NEd产生的墙底抵抗摩檫力；Fh、Fv为结构自身的水平和竖向质量惯性力，Pae为墙后动土压力，EwsL为墙后静水压力，EwdL为墙后动水压力，EwsS为墙前静水压力，EwdS为墙前动水压力；B为结构宽度，H为墙高，h和h′分别为墙前、墙后的水位高度。墙后、墙前静水压力之差就是剩余水压力。若墙后方回填透水性较好的块石，墙后、墙前静水压力可认为基本抵消作用。采用欧标EC8-5[10]地震荷载的计算方法如下。

(1)地震加速度及质量惯性力。

地震作用下，重力式码头结构质量的水平地震系数kh和竖向地震系数kv为

kv=±0.33kh， 剩余情况

(1)

表1 水平地震系数的折减系数r取值Tab.1 Values of reduced factor of horizontal seismic coefficient

系数α=γiagr/g[9]，其中γi是结构重要性系数，a是场地地面设计地震加速度，agr是基岩的设计地面加速度(PGA)，重力加速度常数g=9.81 m/s2。如果重力挡墙在10 m以内，a取计算值；如果重力挡墙高于10 m，a可采用地震波竖向传播一维分析得到不同高度处的设计地震加速度的平均值。S为土质系数，应根据场地类型确定。r是欧标根据极限平衡理论引入的一个折减系数，根据重力挡墙的类型及其允许永久位移取值(表1)。

地震作用下，码头结构的水平和竖向质量惯性力可直接表示为

Fh=khW，Fv=kvW

(2)

式中：W表示结构的天然容重。

(2)重力式岸壁陆侧墙后的动土压力。

在进行拟静力抗震设计时，欧标规定作用陆侧墙后所有设计荷载包括地震动土压力(静力+动力)、静止水压力Ews、动水压力Ewd，公式表达为

(3)

根据欧标EC8-5附录E，欧标动土压力系数可采用经典的物部-冈部公式进行计算。

主动状态

(4)

(5)

被动状态(土体和重力挡墙之间没有剪切抗力)：

(6)

此外，根据墙后回填料中水的状态及回填料的透水性能，地震角计算公式θ、动土压力计算公式容重γ*取值及其动水压力计算公式Ewd见表2。

表2 回填料的地震角及动水压力计算方法Tab.2 Seismic angle and hydrodynamic force calculation of the backfilling

(3)岸壁墙前海侧的动水压力。

按欧标进行设计时，还须考虑由于水体震荡对海侧前墙产生的动水压力(正或负)，采用的也是经典的Westergaard法。动水压力沿高度分布为

(7)

其中，kh为对应r=1的水平地震系数，h为自由水高度，z为压力计算点的水深。动水压力合力为

(8)

其中，合力作用点位于基底面以上0.4h处。另外，欧标特别规定水平地震系数不应进行折减。

1.2 稳定计算组合

(1)设计荷载作用组合。

欧标EC0、EC8-1针对重力式岸壁的抗滑、抗倾以及地基和基床承载力稳定验算方法，地震工况下荷载或作用组合的表达式为

(9)

其中Gk,j为永久荷载及永久荷载产生的土压力；P为预应力；AEd为地震作用效应；Qk,i为可变荷载；Ψ2,i为可变荷载组合系数。

(2)稳定验算。

地震工况下，欧标EC8-5岸壁式挡土结构需要进行二类失效模式的验算，包括结构整体稳定和局部土体失效。其中局部土体失效包括基底滑移失效和地基承载力失效两种形式。以基底抗滑移稳定失效为例，抗滑稳定判断标准为

VEd≤FRd+Epd

(10)

式中：VEd为总滑动力设计值；FRd为竖向力提供的抗滑力设计值；Epd为水平力提供的抗滑力设计值。

(11)

表3 材料分项系数M取值Tab.3 The value of partial factor M of materials

式中：NEd为在滑动面上的设计竖向力；δ为土体-墙底内摩擦角；γM为材料系数，可根据欧标岩土规范EC7-1 取值。

实际上，根据EC8-5进行岸壁式挡土结构设计是与EC7-1[8]的设计方法一(DA1)是相容的。对于挡土系统，设计方法一包括两个组合

(12)

(13)

其中 “+”表示与…组合，A1、A2为荷载或者作用分项系数，在地震组合下荷载效应计算需要按EC8-5执行；M1、M2为材料分项系数，取值见表3；R1为抗力系数，取值均为1.0。

图2 欧标拟静力抗震设计流程 Fig.2 Seismic design flowchart using pseudo static method recommended by Eurocode 8

因此，除了地震荷载效应计算应按欧标EC8-5执行，岸壁式挡土结构的地震抗力效应与EC7-1设计方法一完全一致，且可以判断该由组合DA1-2得到的抗力效应最不利。

1.3 欧标拟静力抗震设计流程

在进行重力式岸壁码头拟静力抗震计算时，首先要确定地震设防参数，然后分别计算拟定结构断面方案的地震荷载效应和抗力荷载效应，最后进行稳定验算判断。具体抗震设计流程图总结见图2。

2 欧洲标准与中国标准拟静力抗震设计方法比较

根据中国现行《水运工程抗震设计规范》(JTS 146-2012)，岸壁重力式码头的抗震设计也采用拟静力方法。本节将国标与欧标的相关要求进行对比研究，详见表4。

表4 欧标与国标拟静力抗震设计方法比较Tab.4 Comparisons of pseudo static method between Euro and Chinese Code

3 工程案例应用

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国首都吉布提市多哈雷区，东距老港区约8 km。项目建设内容包括1.2 km长沉箱基础深水主码头、90万m2道路堆场、约8万m2建筑物及其他配套设施。港口设计年吞吐能力为708万t和20万标准箱。2014年8月，多哈雷多功能港口开工建设。2017年5月，多哈雷多功能港口交付使用。码头设计船型为1～10万t散货船、滚装船、件杂货船和集装箱船。

码头水工结构主要包括1 200 m深水岸线、175 m工作船码头工程、东护岸和西护岸(临时护面)。码头结构采用重力式沉箱结构，东、西护岸采用抛石堤结构。水工结构设计年限为50 a。结合当地特殊的弱胶结珊瑚礁灰岩、钙质砂发育埋藏较浅的地质条件，码头结构选用重力式沉箱结构，且选择了地基承载力较高的弱胶结珊瑚礁灰岩、钙质砂等作为持力层，既解决了多功能港区功能要求布置，又可较好地适应当地的水深条件，技术经济性优越。

吉布提多哈雷港位于东非地震断裂带附近，设计地震加速度为0.168 g，基本相当于中国标准八度地震设防烈度。

3.2 整体稳定及基床承载力评估

码头结构采用重力式沉箱结构形式。码头面设计高程为4.5 m，码头前沿水深-15.3 m。重力式码头岸壁总高度H为20.6 m。沉箱上部胸墙高度2.7 m，位于临海侧第一排仓隔顶部。沉箱底标高为-16.1 m，顶标高1.8 m，沉箱结构的平面尺度为13.13 m×19.94 m。沉箱下部抛石基床厚度为2.5～12.5 m，要求采用水下爆夯和锤夯进行分层压实。沉箱后方抛石棱体结构10～100 kg块石。码头结构典型断面见图3。

图3 码头结构典型断面图Fig.3 Typical cross section of the quay

计算假定考虑如下：(1)沉箱后墙水下部分的动土压力分别采用状态1和2；(2)竖向加速度考虑向上、向下两个方向；(3)采用欧标进行地震稳定计算。

码头设计过程中，对沉箱宽度B(带趾宽高比B′/L)做了参数化设计研究，分别选取了B=12 m(B′/L=0.63)和14 m(B′/L=0.73)进行了比较研究。当沉箱宽度B=12 m和14 m时，码头结构抗滑、抗倾整体稳定和基床承载力计算结果分别见表5和表6。

表5 沉箱宽度B=12 m时码头结构计算结果汇总Tab. 5 Summary of seismic calculations of quay structures (B=12 m)

注：按EC8-5附录F进行基床承载力计算时，将夯实抛石基床模型系数偏保守地按密实的砂性土取值，下同。

表6 沉箱宽度B=14 m时码头结构计算结果汇总Tab.6 Summary of seismic calculations of quay structures (B=14 m)

根据计算结果，当沉箱宽度B=12 m时，采用欧标设计抗滑移和抛石地基承载力(按EC8-5附录F)不满足要求，而国标可以满足要求。当沉箱宽度B=14 m时，欧标和国标均可以满足要求，并且有一定安全富裕。最终实施断面，进行了必要的优化设计，选定了沉箱宽度B=13.13 m(B′/L=0.69)。下面将具体讨论实施方案的整体抗滑移、抗倾覆整体稳定和抛石基床地基应力或承载力计算结果。

对于本工程实施方案，码头结构沉箱底抗滑移、抗倾覆整体稳定和基床承载力计算结果见表7。欧标和国标整体抗滑移稳定安全系数分别为1.02和1.66，整体抗倾覆稳定安全系数分别为2.06和1.84，最大基床应力分别为592.28 kPa和561.54 kPa。基床承载力按EC8-5附录F和EC7-1满足要求。在设计低水位条件下，欧标和国标整体抗滑移稳定安全系数分别为1.13和1.74，整体抗滑移稳定安全系数分别为2.31和1.89，最大基床应力分别为564.88 kPa和574.98 kPa。地基承载力按EC8-5附录F和EC7-1满足要求。基床承载力按EC8-5附录F和EC7-1满足要求。实际上，根据EC8-5规范要求，地震工况下可不进行沉箱底的抗倾覆稳定验算。

表7 沉箱宽度B=13.13 m时码头结构计算结果汇总Tab.7 Summary of seismic calculations of quay structures (B=13.13 m)

另外，在满足国标抗震规范要求的前提下，对抗滑，抗倾覆，地基承载力(基床顶面应力应小于800 kPa)进行了参数化分析，选定得到了在满足国标规范要求的沉箱宽度B=10.6 m(带趾宽高比B′/L=0.56)，结果见表8。

表8 沉箱宽度B=10.6 m时码头结构计算结果汇总Tab.8 Summary of seismic calculations of quay structures (B=10.6 m)

4 结论

(1)欧标岸壁重力码头拟静力抗震设计方法的水平地震系数采用折减系数法，折减系数不超过2.0(相当于国标综合影响系数不小于0.5)，国标采用综合影响系数0.25，欧标用于计算的综合地震影响系数大。

(2)欧标墙后动土压力计算需要墙后回填料中水的状态及回填料的透水性能确定，相较而国标根据设防等级采用相应的地震角进行动土压力计算，欧标更好地反应地震工况土体与水的状态。八度设防欧标计算墙后回填块石地震动土压力比国标计算相应动土压力高45%～65%。

(3)欧标墙前动水压力计算时使用不折减的水平地震加速度，是对墙前水体严格执行Westergaard动水计算的结果，所以，尽管欧标国标采用相同的计算方法，但欧标计算结果是国标的4倍，且国标还允许动水压力不参与组合，可以看出，对于墙前动水压力的对稳定计算的参与度上，欧标与国标存在较大的差异。

(4)欧标要求进行整体稳定和局部土体滑移、承载力失效分析，而国标要求进行抗滑移、抗倾覆和整体稳定分析，且考虑抗震调整系数。参数化研究沉箱宽度表明，实施方案选取的沉箱宽度较为合理。同时在类似工程情况下，对于设置在抛石基床上的重力式岸壁沉箱结构进行静力抗震设计稳定验算时，欧标设计拟定沉箱宽高比国标大约20%，其结果差异较大，有待进一步深入研究。