李彬彬,張 林
(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310030;2.大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院有限公司,遼寧 大連 116023)
傳統(tǒng)地震工況下重力式碼頭穩(wěn)定性采用擬靜力法進行分析計算。地震作用力主要包括水平慣性力、豎向慣性力、動土壓力和動水壓力。本文主要對我國的《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》[1]與PIANC的SeismicDesignGuidelinesforPortStructures(簡稱《抗震設(shè)計指南》)[2]、美國的TheSeismicDesignofWaterfrontRetainingStructures(簡稱《海岸擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計》)[3]、日本的TechnicalStandardsandCommentariesforPortandHarborFacilitiesinJapan(簡稱《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》)[4]以及《歐洲規(guī)范8:抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計-第5部分:地基、支撐結(jié)構(gòu)和土工技術(shù)特點》[5]中重力式碼頭的主要地震作用力計算方法進行對比分析。針對北非某擬建港區(qū)重力式碼頭,采用我國的《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》與PIANC《抗震設(shè)計指南》,對比分析地震工況下設(shè)計高水位時碼頭穩(wěn)定性,可為海外重力式碼頭抗震設(shè)計提供參考。
在采用擬靜力法進行重力式碼頭分析計算時,通常用一組重力和地震系數(shù)的乘積來表述水平向及豎向的地震效應(yīng)。
我國規(guī)范中的地震系數(shù)為峰值地面加速度關(guān)于重力加速度的無量綱系數(shù),即地震系數(shù)為峰值地面加速度與重力加速度的比值。根據(jù)JTS 146—2012《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》,重力式碼頭沿高度作用于質(zhì)點i的水平向地震慣性力標(biāo)準(zhǔn)值Pi可按下式計算:
Pi=CKHαiWi
(1)
式中:C為綜合影響系數(shù),取0.25;KH為水平向地震系數(shù),與抗震設(shè)防烈度有關(guān),按表1采用;αi為加速度分布系數(shù),按圖1確定;Wi為集中在質(zhì)點i或第i分段的重力標(biāo)準(zhǔn)值。
表1 水平向地震系數(shù)KH
注:H為質(zhì)點系的總計算高度;Hi為質(zhì)點i的計算高度。
對于重力式碼頭抗震設(shè)計,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8、9度時,我國規(guī)范的抗震驗算應(yīng)同時計入水平向和豎向慣性力。豎向慣性力系數(shù)取水平向慣性力系數(shù)的2/3,并乘以0.5的組合系數(shù)。
水平地震系數(shù)kh由項目抗震設(shè)計組或設(shè)計管理機構(gòu)按結(jié)構(gòu)所在區(qū)域的地震地質(zhì)構(gòu)造確定。雖然美國重力式結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計以承載力進行驗算,但實際上控制的是重力式碼頭的位移。調(diào)查表明,地震誘發(fā)1 in(25 mm)的永久位移對重力式碼頭的影響不大;有些情況下,4 in(100 mm)的位移也不會嚴(yán)重影響碼頭及設(shè)施運行或造成財產(chǎn)損失,出現(xiàn)這些情況并不認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。因此,美國規(guī)范建議采用表2的kh值進行重力式結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。
表2 地震系數(shù)kh與重力式結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系
當(dāng)采用地震系數(shù)法進行設(shè)計時,豎向地震系數(shù)kv按正值、0和負(fù)值3種情況考慮,當(dāng)計算表明豎向地震系數(shù)有重大影響且采用保守的假定對成本影響很大時,應(yīng)考慮進行更復(fù)雜的動力分析;當(dāng)采用位移控制法進行設(shè)計或分析已有結(jié)構(gòu)位移時,按照Whitman和Liao[6]的方法,kv取為0。
2002版日本OCDI規(guī)范和PIANC《抗震設(shè)計指南》都做了如下規(guī)定:
(2)
式中:a為地表地面峰值加速度;g為重力加速度。
式(2)已經(jīng)綜合考慮豎向地震的影響,僅適用于結(jié)構(gòu)性能等級為S的設(shè)施,其他類別的結(jié)構(gòu)需要按照重要性參數(shù)進行折減。按照結(jié)構(gòu)性能等級的分類,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)可按表3進行取值。
表3 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)
同時,PIANC《抗震設(shè)計指南》指出有效地震系數(shù)和地面峰值加速度a比值是基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)和工程判斷得到的,kh與a的關(guān)系如下:
(3)
為簡化計算,PIANC《抗震設(shè)計指南》通常認(rèn)為在實際設(shè)計中豎向地震系數(shù)kv=0。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在缺乏專門研究的情況下,影響所有土體的水平地震系數(shù)kh和豎向地震系數(shù)kv應(yīng)取為:
(4)
(5)
式中:α為A類場地設(shè)計地面加速度ag與重力加速度g的比值;avg為設(shè)計地面峰值加速度豎向分量;r根據(jù)擋土結(jié)構(gòu)的類型按表4選??;S為與場地類別有關(guān)的放大系數(shù)。豎向地震作用向上時kv為負(fù)號,向下時為正號。
表4 計算水平地震系數(shù)的r值
對不高于10 m的擋土結(jié)構(gòu),地震系數(shù)沿高度取為常數(shù);對高度超過10 m的擋土結(jié)構(gòu),可進行自由場一維豎向傳播的分析。對于式(4)中使用的α,可通過沿結(jié)構(gòu)高度取用土水平峰值加速度的平均值得到更精確的估計。
日本學(xué)者岡部(Okabe)等采用擬靜力法,在庫侖理論[7]的基礎(chǔ)上提出了經(jīng)典物部-岡部(Mononobe-Okabe)地震土壓力理論。該理論計算過程簡便、力學(xué)原理明確,假設(shè)地震土壓力是由墻背和土體中通過墻后趾的破壞面構(gòu)成的三角形土楔體產(chǎn)生,在地震作用下,整個三角形土楔體作為剛體具有相同的加速度。Mononobe-Okabe理論給出的是作用在墻背上的地震土壓力合力,如果取擋墻后的土楔體作整體受力平衡分析時,通常能求得土壓力合力而無法求解合力作用點的位置及土壓力強度分布情況。
按靜力計算時,可認(rèn)為主動土壓力沿高度呈三角形分布;對于受地震作用的情況,由于土楔體為倒三角形,慣性力在楔體高度一半之上,因此仍假設(shè)動主動土壓力沿高度呈三角形分布是不理想的[8]。
美國規(guī)范采用Seed 和Whitman 提出的簡化計算方法,將動主動土壓力分解為靜主動土壓力和動主動土壓力增量兩部分,靜土壓力作用點取在重心處,動土壓力增量部分取距墻底0.6H處。這也是美國規(guī)范與其他規(guī)范不同之處。
Choudhury等[9]考慮了地震荷載的時間效應(yīng),對地震土壓力的非線性分布特征進行了研究。劉忠玉等[10]采用水平微分單元法,得到了擋土墻非線性分布的動土壓力計算公式。還有學(xué)者利用擬靜力法和有限元分析也得到了類似非線性分布的動土壓力。
大量試驗研究成果表明,地震土壓力合力大小與Mononobe-Okabe公式計算結(jié)果非常接近,地震土壓力分布是非線性的,合力作用點要比線性分布假設(shè)高。理論動主動土壓力系數(shù)Ka為:
(6)
式中:φ為土的內(nèi)摩擦角;α為墻背與鉛垂線的夾角;θ為地震慣性角;δ為土與墻背間的摩擦角。
Mononobe-Okabe公式通過經(jīng)典庫侖公式旋轉(zhuǎn)地震慣性角θ和增大重力及慣性力的合力求得地震土壓力系數(shù)。國內(nèi)外主要規(guī)范動土壓力計算都采用物部-岡部公式,但對地震慣性角的取值、在剩余水位以下對水平地震系數(shù)的修正,以及土和水如何對墻體產(chǎn)生作用的處理存在差異。
地震慣性角和地震加速度與土體水上、水下的狀態(tài)有關(guān),《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》根據(jù)地震加速度值查表獲得,水下地震慣性角大約是水上的2倍,見表5。
表5 地震慣性角θ
在水利水電行業(yè)規(guī)范NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[11]中,地震系數(shù)角為:
(7)
式中:θe為地震系數(shù)角;ε為地震作用效應(yīng)折減系數(shù);ah為水平向設(shè)計地震加速度代表值;av為豎直向設(shè)計地震加速度代表值,向上時為正號,向下為負(fù)號。從上述公式可以看出,地震慣性角計算不僅考慮了水平向地震加速度的影響,也考慮了豎直向地震加速度的影響,但該公式并未對水下回填土地震系數(shù)進行修正。
2.3.1PIANC規(guī)范
重力式碼頭結(jié)構(gòu)地震受力情況見圖2。
注:Hsur為墻后水面上回填料高度;ρwet為濕密度;Hsat為墻后水面下回填料高度;ρsat為飽和密度;Wg為結(jié)構(gòu)自重;ρw為水密度;Hw為墻前水深;h動水壓力合理作用點;Pdw為動水壓力。
對于干回填料來說,動主動土壓力計算公式為:
(8)
式中:ρd為回填料干密度;H為回填料回填高度;Kae為動主動土壓力系數(shù)。
對于黏性回填料全部或部分處于水下時,由于Mononobe-Okabe公式是在剛性墻干回填料的情況下推導(dǎo)出來的,如果回填料飽和時,通常假設(shè)孔隙水和土壤顆粒同時移動??紤]完全飽和的庫侖楔體,水平慣性力與飽和密度ρsat成正比,豎向慣性力與浮密度(ρb=ρsat-ρw)成正比。修正的水平地震系數(shù)如下:
1)對于回填料全部處于水下,地震系數(shù)按下式進行修正:
(9)
2)對于回填料部分處于水下的情況,地震系數(shù)按下式進行修正:
(10)
式中:qsur為均布荷載。
還有一種替代方法考慮回填料部分處于水下的情況,是將覆蓋土層效應(yīng)理想化為附加土層。從水位上的土層到其下的飽和土層組成的附加荷載等于ρwetgHsur,ρb應(yīng)該由ρb+(qsur+ρwetgHsur)/(g·Hsub)替代。根據(jù)公式(9)能導(dǎo)出等效公式來定義修正地震系數(shù):
(11)
對于無黏性的粗顆?;靥盍?如礫石和回填大塊石),土骨架和孔隙水將分開作用。滲透系數(shù)k通常表示孔隙水相對于土骨架運動的常用參數(shù)[12],孔隙水、土骨架的獨立運動與兩者合為一體,兩種狀態(tài)的過渡范圍為0.01~10 cm/s。實踐中,該狀態(tài)下的滲透系數(shù)限值還存在爭議。上述過渡范圍內(nèi),一部分孔隙水附著于土骨架運動,一部分獨立運動??紫端\動同時還受其他因素影響,如土骨架的壓縮系數(shù)、循環(huán)荷載的加載速度以及孔隙水在透水性回填土內(nèi)流動的邊界條件,確定設(shè)計方案前需考慮這些因素。
對粗顆?;靥钔粒茈y形成一套完整的邏輯假定,一種方法假定水平壓力構(gòu)成如下:1)回填料的動土壓力在通過式(10)修正水平地震系數(shù)時用ρd替代ρsat;2)墻后孔隙水作用按Westergaard公式[13]的動水壓力來計算。
這一方法并不精確,因為計算土骨架的水平壓力時忽略了由動水壓力產(chǎn)生的超孔隙水壓力的影響。
評估水下回填土中超孔隙水壓力對作用于擋土墻的動水壓力的影響非常重要,方法之一是減小內(nèi)摩擦角。這樣,在水平壓力降低的情況下同樣可產(chǎn)生相同的土抗剪強度,但只有準(zhǔn)確評估超孔隙水壓力的大小,該法才有效。實驗室試驗結(jié)果表明,一旦地基土發(fā)生變形,孔隙水壓力將不再保持常量,循環(huán)荷載作用下砂的較大應(yīng)變及膨脹使水下回填土的性能復(fù)雜化。同時,內(nèi)部應(yīng)力差、各向異性應(yīng)力及主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)都將使砂的循環(huán)特性更加復(fù)雜化。基于有效應(yīng)力分析砂的循環(huán)特性,需充分考慮砂土與結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系,必要時進行試驗及數(shù)值模擬分析。
2.3.2美國規(guī)范
美國規(guī)范《海岸擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計》對于動主動土壓力也采用Mononobe-Okabe公式,與《抗震設(shè)計指南》大體相同,但對于回填料中水的影響處理有所不同。
土中水的影響分為無超孔隙水壓力和有超孔隙水壓力兩種情況,兩種情況均按結(jié)合水的情況考慮。
2.3.2.1無超孔隙水壓力
1)礦物骨架的推力。假定孔隙水壓力不會因水平加速度而變化??紤]庫侖楔體并減去靜水壓力,剩下的為與ρsatgkh成比例的水平慣性力和與ρbg成比例的豎向力,ρsat為土的飽和密度,ρb為土的浮密度。因此,當(dāng)無豎向加速度時,等效地震角為:
(12)
等效水平地震系數(shù)為:
(13)
如果有豎向加速度,則等效地震角為:
(14)
2)作用于墻的靜孔隙水壓力。作用于墻的靜孔隙水壓力按下式計算:
(15)
式中:ρw為水的密度;Hw為靜水面到土楔底部的距離。
2.3.2.2有超孔隙水壓力
1)土體骨架的推力。忽略豎向加速度,土的有效密度為:
ρe3=ρb(1-ru)
(16)
式中:ru為超孔隙水壓力比。
水的有效密度為:
ρw3=ρw+ρbru
(17)
土體骨架的推力PAE可利用下式計算等效地震慣性角,然后代入式(7)(8)求得。
(18)
ψe3=arctankhe3
(19)
式中:khe3為結(jié)合水情況下ru>0時的等效水平地震系數(shù);ψe3為結(jié)合水情況下ru>0時的等效地震慣性角。
2)靜孔隙水壓力。采用公式(17)計算水的有效密度,代入式(14)計算靜孔隙水壓力。豎向加速度的影響通過在式(19)的分母中插入(1-kv)考慮。
2.3.2.3部分回填土處于水下的情況
部分回填土處于水下的情況可按水位以上和水位以下滑動楔體的體積對土密度進行加權(quán)來處理,如對于圖3所示的情況,等效密度[14]為:
注:h1為水面下回填料高度;h2為水面上回填料高度;ρ1為水下密度;ρ2為水上密度;h為回填土高度。
2.3.2.4地震作用時水下回填土完全液化
(20)
假設(shè)地震作用時水下回填土完全液化(ru=100%),地基土產(chǎn)生超孔隙水壓力(ru<100%)。回填土液化性能的評估以及地基土殘余超孔隙水壓的計算可采用文獻[15-16]提出的方法。當(dāng)回填土液化時,沿墻背作用的土壓力按密度為ρsat的流體計算,液化回填土的慣性力參照Westregaard計算動水壓力的方法進行計算,作用點位于墻底以上0.4H處。墻背上的作用力為:
(21)
(22)
式中:HFstatic為抵擋液化回填土墻后的重流體力的靜力分量;HFinertia為地震動時抵擋液化回填土墻后的重流體力的慣性分量。
2.3.3日本規(guī)范
日本規(guī)范《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中地震動主動土壓力的計算,根據(jù)后方回填料的不同分為砂質(zhì)土土壓力和黏性土土壓力兩種情況。
1)砂質(zhì)土動主動土壓力。在地震期間作用在結(jié)構(gòu)墻背的砂質(zhì)土動主動土壓力系數(shù)也是采用Mononobe-Okabe公式,復(fù)合地震慣性角θ分為回填料處于剩余水位以上和剩余水位以下兩種情況進行計算,剩余水位以上和剩余水位以下回填料地震慣性角分別按式(23)(24)進行計算。
θ=arctank
(23)
θ=arctank′
(24)
式中:k為地震系數(shù);k′為表觀地震系數(shù)。
表觀地震系數(shù)按下式進行計算:
(25)
式中:ρt為剩余水位以上土層密度;hi為剩余水位以上土層i的厚度;ρsat為飽和土密度;hj為剩余水位以下,計算土壓力的土層以上第j層土層的厚度;ω為地面均布荷載;h為按剩余水位以下計算土壓力的回填料土層厚度。
地震中水位以下土體通常假定為土顆粒和水是以一個整體方式移動的,地面運動作用于土體的力為土體飽和質(zhì)量與地震系數(shù)的乘積。此外,水位以下土體受到浮力作用,作用于土體的豎向力為土體的水下重力。因此,地震中水下土體受到的合力與水上不同。當(dāng)計算地震土壓力時,利用復(fù)合地震慣性角推導(dǎo)出的表觀地震系數(shù),可將地震時空氣中土的土壓力計算公式應(yīng)用于水下土。作用于水下土體的豎向力包含計算土層之上的所有土層重力及地面荷載。
土壓力理論假定回填料和孔隙水是一個整體。因此,上述公式不適用于液化土壤。液化土需要通過動態(tài)有效應(yīng)力分析或模型試驗來評價地面和結(jié)構(gòu)的地震穩(wěn)定性。
2)黏性土動主動土壓力。地震作用下,黏性土作用在結(jié)構(gòu)墻體上的動主動土壓力pa及破裂角ζa可通過下式計算:
(26)
(27)
式中:pa為主動土壓力特征值;ρi為土層密度;hi為土層厚度;ω為地面均布荷載;c為黏聚力;ζa為破裂角。
2.3.4歐洲規(guī)范
《歐洲規(guī)范8:抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計-第5部分:地基、支撐結(jié)構(gòu)和土工技術(shù)特點》中,地震期間擋土墻后方的作用力Ed包括動主動土壓力、靜水壓力和動水壓力:
(28)
式中:H為墻體高度;Ews為靜水壓力;Ewd為動水壓力;ρb為回填料浮密度;K為動主動土壓力系數(shù);kv為豎向地震系數(shù)。
對于地下水位以下的土,應(yīng)區(qū)分動態(tài)透水條件和動態(tài)不透水條件。動態(tài)透水條件的內(nèi)部水在土骨架間是自由運動的,動態(tài)不透水條件在地震作用下實質(zhì)上不發(fā)生排水。
2)地下水位以下動態(tài)不透水土的土壓力系數(shù)按下式計算:
(29)
式中:ρsat為土的飽和密度,動水壓力為零。
3)地下水位以下動態(tài)(高)透水土的土壓力系數(shù)按下式計算:
(30)
(31)
式中:Ewd為動水壓力;ρd為土的干密度;H′為自墻基礎(chǔ)算起的地下水位高度。
根據(jù)我國《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,重力式碼頭前的動水壓力,抗震計算時可不予考慮。
PIANC的《抗震設(shè)計指南》和歐洲規(guī)范需要考慮墻前的動水壓力,動水壓力按經(jīng)典的Westergaard公式計算:
(32)
同時對于高透水性粗顆?;靥钔?,還需要考慮墻后孔隙水產(chǎn)生的動水壓力。動水壓力計算公式與墻前計算公式相同。
美國《海岸擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計》規(guī)定墻前動水壓力按式(32)計算、不考慮墻后的動水壓力。
日本規(guī)范OCDI需要考慮墻前的動水壓力,對于墻后的動水壓力有如下說明:1)當(dāng)動土壓力采用式(25)表觀地震系數(shù),墻前動態(tài)水壓力方向指向海側(cè),并且不應(yīng)考慮墻后的動態(tài)水壓力;2)如果設(shè)施兩側(cè)均有動水壓力,則動水壓力合力總值應(yīng)乘以2。
北非某擬建港區(qū)所在工程區(qū)域長期以來因地震活動活躍而著稱。該工程位于防震規(guī)范定義的地震Ⅱ區(qū),地震頻率高。建筑物等級屬于組1B,地震動水準(zhǔn)L2(50 a內(nèi)超越概率為10%地震動,相應(yīng)的重現(xiàn)期為475 a)。根據(jù)項目地震風(fēng)險評估,地面峰值加速度0.22g。碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu),碼頭頂高程為3.0 m,沉箱底高程為-20.6 m、頂高程為0.5m,沉箱帶趾寬度為22.5 m,碼頭后方回填10~100 kg塊石棱體,斷面見圖4。在地震工況下,采用我國的《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》與PIANC《抗震設(shè)計指南》,對比分析設(shè)計高水位時碼頭穩(wěn)定性擬靜力法計算。
圖4 北非某擬建港區(qū)碼頭斷面(高程:m;尺寸:mm)
《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》與《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》抗滑移安全系數(shù)分別為1.76和1.34,抗傾覆安全系數(shù)分別為2.37和2.52(國內(nèi)規(guī)范作用力和承載力計算考慮了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、抗震調(diào)整系數(shù)、分項系數(shù)和組合系數(shù))。
從表6、7可知,按照《抗震設(shè)計指南》進行計算,動主動土壓力計算值要略小于我國規(guī)范計算值、水平向慣性力要遠(yuǎn)大于我國規(guī)范計算值。我國規(guī)范未考慮動水壓力的作用,《抗震設(shè)計指南》未考慮豎向慣性力的作用,抗傾覆安全系數(shù)兩者相差不多,抗滑移安全系數(shù)我國規(guī)范比《抗震設(shè)計指南》大30%左右??傮w來說,由于碼頭結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性計算受抗滑移計算控制,《抗震設(shè)計指南》相對于國內(nèi)規(guī)范計算更為保守。
表6 地震各主要作用力 kN
表7 地震各主要作用力對計算面前趾產(chǎn)生的傾覆力矩
1)我國規(guī)范的水平地震系數(shù)為峰值地面加速度與重力加速度的比值,美國和歐洲規(guī)范的水平地震系數(shù)根據(jù)峰值地面加速度系數(shù)和容許位移確定,日本規(guī)范和PIANC規(guī)范根據(jù)歷史地震統(tǒng)計結(jié)果確定了水平地震系數(shù)和峰值地面加速度系數(shù)的關(guān)系。
2)各國規(guī)范的動主動土壓力計算均以物部-岡部(Mononobe-Okabe)公式為基礎(chǔ),但對地震慣性角的取值、在剩余水位以下對水平地震系數(shù)的修正以及土和水如何對墻體產(chǎn)生作用的處理存在差異。
3)我國規(guī)范規(guī)定:抗震計算時可不予考慮重力式碼頭前的動水壓力,僅需考慮墻后動水壓力;而國外規(guī)范需要考慮墻前的動水壓力。PIANC和歐洲規(guī)范對高透水性粗顆?;靥钔吝€需要考慮墻后孔隙水產(chǎn)生的動水壓力;美國規(guī)范則不考慮墻后的動水壓力;日本規(guī)范則根據(jù)具體情況進行判斷,確定是否需要考慮墻后的動水壓力。
4)通過工程實例的計算對比結(jié)果可知,PIANC和我國規(guī)范抗傾覆安全系數(shù)兩者相差不多,抗滑移安全系數(shù)我國規(guī)范比《抗震設(shè)計指南》大30%左右??傮w來說,由于碼頭結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性計算受抗滑移計算控制,《抗震設(shè)計指南》相對于國內(nèi)規(guī)范計算更為保守。