李存興,王 成，莫建新，謝 勇

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060)

我國參與的國外工程設(shè)計項目很多位于強震區(qū)。以往國內(nèi)已經(jīng)實施的項目地震加速度主要集中在0.2g以下，國內(nèi)規(guī)范主要采用擬靜力分析[1]；當(dāng)?shù)卣鸪^0.3g時，如果采用擬靜力分析，大多數(shù)邊坡工程的地震工況將成為控制工況；當(dāng)超過0.4g時，依然采用常規(guī)的擬靜力法抗震分析難以滿足結(jié)構(gòu)安全。為保證結(jié)構(gòu)安全，須系取相應(yīng)的地基處理和結(jié)構(gòu)措施，這將造成工程投資大幅增加。

國際主流規(guī)范允許地震工況發(fā)生一定的破壞，一般根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)性能等級，控制震后殘余變形，滿足使用要求。但是既有規(guī)范的抗震設(shè)計主要針對大壩、防洪堤、碼頭等，沒有針對人工島護岸抗震設(shè)計允許位移的規(guī)定。以往項目控制標(biāo)準(zhǔn)主要取決于業(yè)主工程師，因此在項目標(biāo)書無規(guī)定時，有必要進行研究以確定合適的標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合馬尼拉濱海新城項目的護岸結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，探討強震區(qū)外海人工島護岸位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 項目背景

馬尼拉濱海新城項目，擬吹填造陸形成318萬m2地塊，分為南、北兩島，兩島間為景觀水道。工程位于馬尼拉市中心，受環(huán)保等因素制約，吹填之前須先形成圍堰。本工程水工建筑物主要為圍堰及護岸結(jié)構(gòu)，包括：永久工程護岸總長度為10 198 m，其中靠岸側(cè)及港池側(cè)護岸3 482 m采用直立式結(jié)構(gòu)(極端低水位以上為直立)，其余外圍護岸4 216 m采用斜坡式結(jié)構(gòu)，兩島之間景觀河道護岸2 500 m。

擬建人工島護岸區(qū)域水底泥面高程為-13.4～-4.8 m；地貌類型為海島海岸地貌；工程區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，表層軟土具有強度低且壓縮性高的特性，分布不均勻，工程場地土自上而下劃分為多個土層，其中②1層為含砂高液限黏土、②2層為含砂黏土、③1層為高液限黏土層，物理力學(xué)指標(biāo)較差，須進行地基處理；深層土④、⑤、⑥層的多個亞土層為含砂高液限黏土、高液限黏土、含礫黏土質(zhì)砂、膠結(jié)砂、砂質(zhì)彈性粉土等[2]，這些地層埋深較深且力學(xué)性能指標(biāo)相對較高，不進行地基處理，僅考慮沉降影響。

根據(jù)項目地震災(zāi)害專項評估報告[3],Level 1(72 a一遇)地震加速度為0.28g(地表加速度，已經(jīng)考慮場地放大)，Level 2(475 a一遇)地震加速度為0.44g。

經(jīng)過方案比選和優(yōu)化，推薦方案的結(jié)構(gòu)為：直立段采用階梯式直立護岸，典型斷面如圖1a)所示，堤身主體為拋石體，上部為預(yù)制方塊擋墻和現(xiàn)澆胸墻，內(nèi)側(cè)設(shè)倒濾措施，由于掩護條件較好，頂部設(shè)置二級臺階降低局部高程，在不影響使用功能的情況下大幅降低了地基承載力要求，提高了整體穩(wěn)定性。在滿足堤身安全的前提下，堤身結(jié)構(gòu)和地基處理都得到優(yōu)化。

斜坡段堤身采用常規(guī)的拋石堤結(jié)構(gòu)，堤頂設(shè)擋浪墻和景觀平臺，外側(cè)采用人工塊體護面，內(nèi)側(cè)設(shè)倒濾設(shè)施，典型斷面見圖1b)。

對于淤泥厚度較大的區(qū)域，地基處理采取擠密砂樁，處理范圍根據(jù)水深和地質(zhì)條件確定，最大處理寬度為75 m，外坡腳處理范圍為堤頂向外25～50 m不等，處理深度北島平均為14 m、最大為27 m，南島平均為8 m、最大為13 m；對于淤泥層5 m左右的區(qū)域，采取開挖換填中粗砂振沖處理；淤泥厚度小于3 m的局部區(qū)域，直接拋石擠淤。

圖1 護岸典型斷面

設(shè)計過程中，采用擬靜力分析時的整體穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.0，無法滿足要求，因此須采用位移分析，允許位移限制。但是采用位移分析時，允許的位移量限值在項目標(biāo)書中無明確規(guī)定，菲律賓當(dāng)?shù)匾?guī)范也無相應(yīng)內(nèi)容可供選擇。如果位移要求過于嚴(yán)格，則地基處理和結(jié)構(gòu)費用難以控制；如果控制過松，又難以滿足國際慣例的要求。選取適當(dāng)?shù)奈灰瓶刂茦?biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，既能滿足項目功能要求，又盡可能降低工程造價。

對于震后允許殘余位移，國際上并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前主流規(guī)范主要針對碼頭、海堤堤防、大壩、防洪堤等，沒有專門針對人工島護岸結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，因此在確定本項目抗震標(biāo)準(zhǔn)時，須參考相關(guān)的國際和有關(guān)國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項目設(shè)計條件和使用特點，綜合各種因素共同確定。

2 國內(nèi)外有關(guān)抗震位移控制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

震后殘余位移控制標(biāo)準(zhǔn)考慮的因素為：1)不直接造成重大人員財產(chǎn)損失；2)不發(fā)生重大危險物泄露事件;3)基本不影響后方人工島使用功能;4)無次生災(zāi)害發(fā)生;5)震后即使有一定的殘余變形，也可具備一定的波浪防護能力，可在一定時期內(nèi)修復(fù)。

參考的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括ISO、PIANC、FEMA、OCDI、阿拉斯加巖土委員會等相關(guān)的規(guī)范。

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)組織 ISO規(guī)范

ISO 23469—2005結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)巖土工程設(shè)計中的地震作用[4]給出大原則，根據(jù)ISO-TR-12930—2014 基于ISO 23469的抗震設(shè)計案例[5]，第5.1.5節(jié)中的海堤工程案例，地震允許的性能標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 ISO-TR-12930—2014建議海堤允許性能標(biāo)準(zhǔn)

地震允許的沉降變形可用以下公式計算：

Sa=|HDHTL-HMHTL|+Ha10

(1)

式中：Sa為基于設(shè)計高潮位的允許沉降;HDHTL為設(shè)計高潮位;HMHTL為平均高潮位;Ha10為防御10 a一遇波浪的必要高度。即震后擋浪墻可以抵抗平均高潮位下10 a一遇波高。

對斜坡堤而言，設(shè)計頂高程為5.70～6.00 m，平均高潮位(取平均高高潮)0.50 m，10 a一遇有效波高為2.89 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤頂高程可取3.39 m。

對于直立段，設(shè)計頂高程4.00 m，親水平臺高程2.00 m，前沿擋墻2.50 m，10 a一遇有效波高為0.90 m，控制震后平均高潮位+10 a一遇基本不越浪，堤頂高程可取1.40 m。

對比可知，斜坡段允許沉降超過2 m，直立段允許沉降超過1 m。

經(jīng)計算，根據(jù)ISO-TR-12930—2014的海堤工程案例，對于外海側(cè)，Level 2地震下允許沉降變形即使達到2 m，也可以滿足結(jié)構(gòu)震后在平均高潮位下防護10 a一遇波浪的高程。

2.2 國際航運協(xié)會 PIANC規(guī)范

根據(jù)PIANC WG 34[6]的相關(guān)規(guī)定，地震破壞允許位移主要與結(jié)構(gòu)性能等級、性能要求、結(jié)構(gòu)高度等因素有關(guān)。表2為基于性能設(shè)計可接受的破壞等級，表3為不同結(jié)構(gòu)等級S、A、B、C的性能要求，表4為根據(jù)港口工程重要性分類的結(jié)構(gòu)性能等級劃分，表5為重力式碼頭允許破壞標(biāo)準(zhǔn)建議值。

對于斜坡堤結(jié)構(gòu)，規(guī)范沒有明確的允許破壞標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，防波堤破壞的主要后果是堤頂高程降低，波浪防護功能下降，對于一般情況性能等級可以按照等級C考慮；對于內(nèi)側(cè)兼做碼頭、堤頂兼做道路或堤頂有皮帶機者，按照等級B考慮；堤頂設(shè)油管道時按照等級A考慮；堤頂設(shè)置液化天然氣管道時，按照等級S考慮。

由于該規(guī)范中沒有針對護岸結(jié)構(gòu)的參考標(biāo)準(zhǔn)，同為水工結(jié)構(gòu)，使用環(huán)境相近，對于半直立護岸，原則上參照重力式碼頭允許破壞標(biāo)準(zhǔn)的寬限標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行(邊坡高度取堤頂高程至泥面高程的差值)，對于斜坡式結(jié)構(gòu)可參照防波堤執(zhí)行。

表2 基于性能設(shè)計可接受的破壞等級*1

注：*1.除了本表所示的損壞標(biāo)準(zhǔn)外，在確定損壞標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)考慮保護人的生命和財產(chǎn)安全，作為運輸?shù)木o急基地，防止溢出危險材料(如果適用)；*2.具有有限的非彈性響應(yīng)和殘余變形；*3.結(jié)構(gòu)在短時間到中等時間內(nèi)可以維修；*4.對周圍環(huán)境沒有顯著影響。

表3 等級S、A、B、C的性能要求

表4 根據(jù)港口工程重要性分類的性能等級

表5 重力式碼頭允許破壞標(biāo)準(zhǔn)建議值

注：*1.d為墻頂殘余的水平位移，H為墻的高度；*2.提出替代標(biāo)準(zhǔn)，水平方向相對差異位移小于30 cm。

本項目護岸后方50 m區(qū)域主要為景觀和綠化用地，沒有重要建筑物，也沒有主干道及次干道，堤后方?jīng)]有石油天然氣管線，也沒有皮帶機管廊，即使地震后有一定變形，也不會直接造成重大人員傷亡，不存在危險材料泄露等風(fēng)險，影響不嚴(yán)重，可以修復(fù)。綜合考慮，對于直立段，抗震防護安全等級取等級B，Level 1地震下很小或無破壞，Level 2地震不倒塌，參照的允許變形取邊坡高度的10%，為90～160 cm。對于斜坡堤，結(jié)構(gòu)抗震防護安全等級原則上可取為等級B或等級C，考慮一個項目防護標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性，取為等級B，根據(jù)以往項目的經(jīng)驗，斜坡堤頂部允許沉降(豎向變形)為最大護面塊體直徑的一半或1 m中的小值。

2.3 美國聯(lián)邦應(yīng)急管理署FEMA標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)FEMA-65[7]，對于大壩工程，根據(jù)變形的嚴(yán)重程度(可用堤頂?shù)母挥喔叨葥p失和導(dǎo)致堤身管涌或基礎(chǔ)失效的可能性)來判斷大壩在地震荷載下的預(yù)期性能。根據(jù)建議，沿主破壞面的允許變形限值約為61 cm。

2.4 日本港口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)OCDI

根據(jù)OCDI 2009[8],對于Level 1地震，重力式結(jié)構(gòu)建議的允許位移為10 cm。

對于Level 2地震，允許變形標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場條件、性能要求、結(jié)構(gòu)類型等設(shè)定如下。

1)特別指定的應(yīng)急供應(yīng)運輸抗強震設(shè)施允許殘余變形可以設(shè)定為30～100 cm的標(biāo)準(zhǔn)，并且允許的剩余傾斜角可以設(shè)定為大約3°。例如，對于有準(zhǔn)備緊急恢復(fù)系統(tǒng)、有儲備應(yīng)急恢復(fù)的材料，則可以判斷即使在大變形的情況下，也能夠確?？煞?wù)性，可以設(shè)定允許的變形約為100 cm。

2)特別指定的干線貨物運輸抗強震設(shè)施允許殘余變形根據(jù)可以恢復(fù)預(yù)期功能的時間設(shè)定。在特別指定的干線貨物運輸抗強震設(shè)施中，為了確保起重機與系泊設(shè)施具有相同水平的抗震性，起重機安裝了隔震/阻尼器。在這種情況下，分析系泊設(shè)施和起重機的動態(tài)相互作用的地震響應(yīng)，并將起重機的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的響應(yīng)設(shè)定在彈性極限內(nèi)。軌道跨度的相對變形極限應(yīng)根據(jù)安裝在軌道上的貨物裝卸設(shè)備的特性設(shè)定。例如，如果起重機支腿的彈性變形范圍極限是70 cm，并且地震阻尼器的極限(位移行程)是30 cm，則軌道跨度的相對變形的極限可以設(shè)定為100 cm。

3)常規(guī)的應(yīng)急供應(yīng)運輸抗強震設(shè)施允許的殘余變形必須考慮到在Level 2級地震下地面運動變形后的一段時間后能夠處理貨物。對于殘余水平變形，一般可以設(shè)定在大約100 cm或更大的數(shù)值。

2.5 阿拉斯加地質(zhì)評估標(biāo)準(zhǔn)委員會

破壞分類根據(jù)場地破壞位移情況分類見表6[9-10]。

表6 不同破壞等級分類對應(yīng)的位移

由表6可知，對破壞等級的定義為：小于3 cm為基本不破壞；15 cm為輕微破壞；30 cm為中等破壞；90 cm為顯著破壞；300 cm為災(zāi)難性破壞。

2.6 其他國際標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)位移限制的建議

根據(jù)加拿大哥倫比亞特區(qū)河堤抗震設(shè)計規(guī)范[11]，對于河堤工程，不同性能類別允許的堤頂位移見表7。

表7 不同性能類別允許的堤頂位移

注：性能類別A為堤身無明顯損壞，地震后防洪能力不受影響；B為堤身有一些可修復(fù)的損壞，地震后防洪能力不受影響；C為堤身有重大損害，地震后防洪能力可能會受到影響。

為確保泄洪能力和防洪能力不受影響、防止次生災(zāi)害發(fā)生，對堤防工程位移限制相對較嚴(yán)。本工程不存在影響防洪或產(chǎn)生次生災(zāi)害的問題，因此允許位移可以超出上述限制。

根據(jù)長灘碼頭設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)POLB WDC V4 2015版[12]，對港口碼頭結(jié)構(gòu)使用Newmark滑塊法，岸坡永久自由場允許變形值為：運營水平地震時小于75 mm；偶遇水平地震小于300 mm；規(guī)范設(shè)計水平地震小于900 mm。若岸坡自由場變形小于上述限值，則不須進行樁基的動力分析；如果超出上述限制，樁基需要進行動力分析。本工程護岸范圍沒有樁基，允許位移可以超出上述限制。

3 位移控制標(biāo)準(zhǔn)及分析結(jié)果

3.1 允許位移限值

根據(jù)項目規(guī)劃，項目護岸后方50 m區(qū)域主要為景觀和綠化用地，沒有重要建筑物，也沒有主干道及次干道，而護岸結(jié)構(gòu)破壞，堤頂?shù)钠茐拿嬷饕?0 m之內(nèi)，即使地震后有一定變形，影響也不嚴(yán)重，可以修復(fù)。綜合以上因素，本次抗震設(shè)計的位移控制目標(biāo)為：圍堰及護岸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定按照抗震設(shè)計采用位移法分析，地震波采用地震專項評估報告推薦的與本項目場地特征反應(yīng)譜相匹配的地震波，控制Level 2(475 a一遇)地震下16條地震波平均位移小于90 cm，Level 1(72 a一遇)地震下16條修正地震波平均位移小于30 cm。

3.2 結(jié)構(gòu)地震位移計算結(jié)果

根據(jù)工程條件，位移分析采用核心程序基于美國地質(zhì)地震局的SLAMMER程序的SLIDE2018軟件計算，推薦方案地震位移分析結(jié)果為：

1)對于Level 2地震(0.44g)，直立段平均位移75 cm，最大為90 cm，最小42 cm；斜坡段平均位移45 cm，最大位移75 cm，最小18 cm，滿足90 cm限制的要求。

2)對于Level 1地震(0.28g)，直立段平均位移9.3 cm，最大為11.7 cm，最小3.8 cm；斜坡段平均位移3.3 cm，最大位移9.1 cm，最小0.4 cm，滿足30 cm限制要求。

4 位移敏感性分析

選用項目對應(yīng)Level 1和Level 2的地震波，對不同規(guī)范擬靜力分析安全系數(shù)為1.0(臨界加速度=峰值加速×水平地震系數(shù))時的工況進行位移分析，得到了適用于本項目場地地震反應(yīng)譜，最終位移和臨界加速度與峰值加速度比值之間的關(guān)系，主要結(jié)果見表8。由表8數(shù)據(jù)可知，采用不同規(guī)范建議的擬靜力分析穩(wěn)定滿足要求，并非結(jié)構(gòu)位移為零的絕對安全，而是結(jié)構(gòu)位移處于一個較小的數(shù)值。

表8 不同臨界加速度與殘余位移的對應(yīng)關(guān)系

續(xù)表8

地震等級臨界加速度與Level 1峰值加速度的比值臨界加速度g∕(m·s-2)Level 1地震位移0.28g(Ia=1.8)∕cmLevel 2地震位移0.44g(Ia=5.2)∕cm對應(yīng)擬靜力分析0.6670.1860.210.7CIRIA C7310.6000.1680.515.0PIANC WG340.5000.1401.524.6ASCE 61-140.4000.1123.641.00.3330.0936.358.8POLB v40.3000.0848.471.10.2860.0809.477.40.2500.07012.896.6JTS 146Level10.2220.06216.4116.20.2000.05620.1136.10.1800.05123.9156.20.1670.04727.8176.40.1500.04233.1203.60.1420.04035.7217.20.1250.03543.9258.40.1110.03152.1299.70.1000.02860.4341.2

注：Ia為地震的阿里亞斯烈度(Arias intensity),單位為m/s。

如果基于Level 2地震(0.44g)，擬靜力分析采用PIANC(或CIRIA C731[13]、ASCE)建議的水平地震系數(shù)，Level 2位移只有2.5 cm(或1.3、5.8 cm)，而Level 1位移幾乎為0，結(jié)構(gòu)破壞可以忽略；采用POLB V4時，Level 2位移為22 cm，Level 1位移僅為1.2 cm;采用JTS146時，Level 2位移為43 cm，Level 1位移僅為3.8 cm，相對安全。

如果基于Level 1地震(0.28g)，擬靜力分析采用PIANC(或CIRIA C731)[或ASCE]建議的水平地震系數(shù)，Level 1位移只有0.5 cm(或0.2、1.5 cm)可以忽略，而Level 2位移為10～25 cm，結(jié)構(gòu)破壞十分有限；采用POLB V4時，Level 1位移為6.3 cm，Level 2位移為59 cm；采用JTS 146時，Level 1位移為12.8 cm，Level 2位移為96.6 cm，破壞比較明顯。

因此，采用擬靜力分析安全系數(shù)滿足要求，并不代表結(jié)構(gòu)無破壞，而是位移比較小、結(jié)構(gòu)損壞處于可接受的相對安全水平?；贘TS 146擬靜力分析“臨界安全”下的地震位移，明顯大于采用其他國際規(guī)范。但地震加速度為0.28g以下時，即使采用JTS 146進行擬靜力分析安全系數(shù)為1.0時，位移也在15 cm以內(nèi)(不計液化和震陷)，對于一般的工程屬于可接受的安全水平。

5 結(jié)論

1)國際主流規(guī)范對于護岸工程的地震殘余位移雖無統(tǒng)一要求，但一般來講，Level 1地震位移原則上可以忽略不計或有少量位移，但基本不影響使用，Level 2地震根據(jù)功能要求確定，對于破壞后果嚴(yán)重(如大壩、堤防等)容易產(chǎn)生次生災(zāi)害的，或破壞不易修復(fù)的(如邊坡區(qū)存在樁基)，位移限制稍嚴(yán)格；對于破壞后不會造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失、震后一段時間內(nèi)可以修復(fù)的位移略寬松。

2)參照ISO規(guī)范時，Level 2地震允許的殘余位移須滿足震后在平均高潮位下，可防護10 a一遇波浪。

3)參照PIANC標(biāo)準(zhǔn)時，根據(jù)護岸后方的道路管線等使用功能綜合確定防護等級，對于無特殊要求的B防護等級，Level 2地震允許位移可取邊坡高度的10%。

4)參照OCDI標(biāo)準(zhǔn)時，對于常規(guī)工程，Level 2地震允許的位移可取100 cm左右。

5)參照FEMA大壩防護標(biāo)準(zhǔn)時，震后變形不應(yīng)導(dǎo)致管涌流土或基礎(chǔ)失效等風(fēng)險，允許的位移可控制為61 cm；對于普通海島護岸工程則偏于嚴(yán)格。

6)參照阿拉斯加地質(zhì)委員會標(biāo)準(zhǔn)時，尚未達到災(zāi)難性破壞的較大位移為90 cm。

7)當(dāng)邊坡區(qū)域存在樁基或結(jié)構(gòu)作為大堤防洪功能時，Level 2下的位移不宜超過30 cm。

8)結(jié)合規(guī)劃和使用特點，馬尼拉濱海新城項目位移控制標(biāo)準(zhǔn)為:Level 2地震(0.44g)不超過 90 cm,Level 1地震(0.28g)不超過 30 cm(實際位移不超過12 cm)。

9)邊坡抗震采用擬靜力分析且安全系數(shù)大于1.0不代表沒有位移。如采用JTS規(guī)范進行擬靜力分析，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣刃∮?.28g時(Ia=1.8)，安全系數(shù)1.0對應(yīng)的地震殘余位移一般在15 cm以內(nèi)，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣雀邥r，即使安全系數(shù)大于1.0，地震殘余位移仍有可能超出使用要求。