重力式碼頭抗滑穩(wěn)定性公式中的邏輯思維課堂探索

曾春華　張會領(lǐng)　吳光林

摘? 要：本文以提煉重力式碼頭抗滑穩(wěn)定性公式邏輯思維為教學(xué)案例，論述了公式中蘊含的質(zhì)量度、整體與局部、主次與遞進的邏輯關(guān)系。提升了港口水工建筑物課堂學(xué)習(xí)的深度、拓展了學(xué)習(xí)目標的維度、構(gòu)建了港口航道與海岸工程專業(yè)知識和邏輯思維的系統(tǒng)性。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭;抗滑穩(wěn)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(yè)的一門專業(yè)教育核心課程，課程以工程水文學(xué)、土力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、港口規(guī)劃與布置、港口裝卸工藝等課程為基礎(chǔ)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)熟悉港口水工建筑物各類結(jié)構(gòu)形式及特點、一般構(gòu)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(nèi)容及設(shè)計狀況，運用現(xiàn)行國家及行業(yè)規(guī)范標準進行港口水工建筑物計算和設(shè)計;進一步拓展對港口水工建筑物的經(jīng)濟性、安全性、使用要求和施工條件等方面思考，增強學(xué)生對學(xué)科和專業(yè)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。為學(xué)生順利從事港口航道與海岸工程及其相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)[1-3]。

由于港口水工建筑物是港口航道與海岸工程專業(yè)的一門綜合性課程，是串聯(lián)本專業(yè)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(xué)習(xí)難度相對較大。部分同學(xué)甚至存在以將來不從事本專業(yè)工作為理由，認為沒必要花大力氣去學(xué)習(xí)此課程知識的誤區(qū)。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(shè)計原理和方法，會使學(xué)習(xí)枯燥，導(dǎo)致學(xué)生對大公式及其囊括的諸多知識點產(chǎn)生混亂，甚至出現(xiàn)害怕和排斥大公式的現(xiàn)象。

重力式碼頭在多種教材中均是介紹的第一種碼頭結(jié)構(gòu)，對整個課程及后續(xù)其他碼頭結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)具有典型示范的作用。本文結(jié)合多年的工程實踐和教學(xué)實踐，以重力碼頭抗滑穩(wěn)定公式為例，對港口水工建筑物課程的授課和港航專業(yè)人才培養(yǎng)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(wěn)定驗算課程內(nèi)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(jié)構(gòu)形式。其結(jié)構(gòu)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(yīng)性較強，維修費用少，是港務(wù)部門和施工單位比較歡迎的碼頭結(jié)構(gòu)形式。按墻身結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)階段我國最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。沉箱結(jié)構(gòu)重力式碼頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主體結(jié)構(gòu)一般由拋石基床、沉箱及箱內(nèi)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(fù)雜（包括波浪、潮沙、海流、冰凌、風(fēng)、地震等自然力和使用、施工荷載），施工條件多變，建設(shè)周期長，投資較大[4]。

（二）設(shè)計工況

根據(jù)JTS167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，岸壁碼頭應(yīng)開展沿墻底面、墻身各水平縫和基床底面的抗滑穩(wěn)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(dǎo)可變作用。

（2）考慮波浪作用，波浪力為主導(dǎo)可變作用。

（3）不考慮波浪作用，且由可變作用產(chǎn)生的土壓力為主導(dǎo)可變作用。

（4）不考慮波浪作用，沿胸墻底面的抗滑穩(wěn)定性驗算，系纜力為主導(dǎo)可變作用。

具體工程會在此基礎(chǔ)上演化出更詳細的設(shè)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(wěn)定計算公式

根據(jù)JTS167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和港口水工建筑物課程教材[4]，工況（1）抗滑穩(wěn)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(jié)構(gòu)重要性系數(shù);

γE——土壓力分項系數(shù);

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(shù);

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(shù)，持久組合取0.7，短暫組合取1.0;

γd——結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)，無波浪作用或波浪為非主導(dǎo)可變作用時取1.0， 有波浪作用并為主導(dǎo)可變作用時取1.1;

γG——自重力的分項系數(shù)，取1.0;

G——作用在計算面以上的結(jié)構(gòu)自重力標準值（kN）;

f——沿計算面的摩擦系數(shù)設(shè)計值;

γp——波浪水平力分項系數(shù);

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(shù);

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(zhì)、量、度邏輯關(guān)系

質(zhì)量度的概念在黑格爾《邏輯學(xué)》“有論”“本質(zhì)論”和“概念論”三編中的“有論”編內(nèi)系統(tǒng)展開。黑格爾以對立統(tǒng)一思想闡明了關(guān)于質(zhì)量互變精彩的辯證思想。黑格爾整個邏輯學(xué)的概念層次中第一層次是質(zhì)、量、度[6-7]。

首先是質(zhì)，具體概念是按照從抽象到具體，從簡單到復(fù)雜的途徑自我發(fā)展的。質(zhì)是直接的、抽象的、簡單的規(guī)定性。重力式碼頭抗滑公式（1）本質(zhì)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(shù)，這是中學(xué)的物理知識。在重力式碼頭抗滑穩(wěn)定計算中，即滑動合力設(shè)計值要小于等于結(jié)構(gòu)垂直方向合力設(shè)計值乘以沿計算面的摩擦系數(shù)設(shè)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(xué)生以最快速度抓住抗滑公式的本質(zhì)，還可以激發(fā)學(xué)生追求事物本質(zhì)表述的美感，猶如愛因斯坦的質(zhì)能公式“E=mc2”激發(fā)學(xué)生對科學(xué)之美的贊嘆，簡潔的抗滑公式同樣可以激發(fā)同學(xué)們對工程之美的向往和學(xué)習(xí)積極性。

其次是量，從質(zhì)進展到量表示人類認識的一種深化和具體化，是完成的質(zhì)的存在。量是比較具體和復(fù)雜的規(guī)定性。抗滑公式分拆到結(jié)構(gòu)自重G、永久主動土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產(chǎn)生的可變主動土壓力Eq以及波谷壓力PB產(chǎn)生的作用力標準值，體現(xiàn)了從“一到多”質(zhì)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(dǎo)致公式性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，抗滑穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定，從量轉(zhuǎn)化為質(zhì)的過程。

最后是度，質(zhì)所依賴的限量就是度。黑格爾給度下的定義是“度是有質(zhì)的限量”。度既非單純的質(zhì)， 也非單純的量，而是二者的統(tǒng)一。黑格爾認為從質(zhì)發(fā)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(guī)定的普遍形式，以至成為一個規(guī)律或說一個尺度的環(huán)節(jié)”，體現(xiàn)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(shù)γ，就是度的具體體現(xiàn)及符號表示，是為保證所設(shè)計的碼頭結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度而在設(shè)計表達式中采用的系數(shù)，是通過大量工程實例的統(tǒng)計及系統(tǒng)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(jīng)濟性。這些度的系數(shù)不是憑空得出，是大量具體工程實例和試驗的統(tǒng)計和抽象得出的[8]，是質(zhì)的反映。要在大量具體數(shù)據(jù)中，分析研究并確定各參數(shù)的取值范圍，實現(xiàn)量的具體化，需要根據(jù)港口工程結(jié)構(gòu)的安全等級來確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點確定結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γd，達到根據(jù)作用力的影響效應(yīng)重要性及碼頭的安全等級進行度的把控，最終實現(xiàn)質(zhì)和量的統(tǒng)一。值得注意的是，體現(xiàn)分項系數(shù)的值不能過大，不然超出所體現(xiàn)作用力應(yīng)有的體現(xiàn)，還會造成工程建設(shè)的浪費。值不能過小，否則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，發(fā)生滑動破壞，引發(fā)事故。在一定條件下可以轉(zhuǎn)換，根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS167-2018）第3.6條款，當永久作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載能力起有利作用時，該作用分項系數(shù)取值不應(yīng)大于1.0。起不利作用時，分項系數(shù)取值不應(yīng)小于1.2[5]。體現(xiàn)了黑格爾認為一切事物皆有度，若過了度就使事物變質(zhì)。一切事物都是質(zhì)與量的統(tǒng)一、都有其確定的度的思想。

通過質(zhì)、量、度的邏輯關(guān)系分析，學(xué)生可以具體而深刻地認識碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性本質(zhì)與現(xiàn)象的公式化表征。有助于理解、掌握質(zhì)量度互變的辯證規(guī)律。

三、整體與局部邏輯關(guān)系

公式（1）的整體與局部邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體上，需要根據(jù)整體結(jié)構(gòu)安全等級來確定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0，根據(jù)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(dǎo)可變作用來對整個結(jié)構(gòu)的抗滑力進行調(diào)整，如果波浪為是主導(dǎo)可變作用，則結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0為1.1，否則為1.0，公式（1）中，波浪為是非主導(dǎo)可變作用時，結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0為1.0。整體抗滑穩(wěn)定是根本目標，居于主導(dǎo)地位，統(tǒng)率著各局部作用力，所有局部作用服從和服務(wù)于整體抗滑穩(wěn)定。

局部上，分布單獨結(jié)構(gòu)自重G、永久主動土壓力E、剩余水壓力PW、堆貨荷載產(chǎn)生的可變主動土壓力Eq以及波谷壓力PB產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)整體功能。

通過整體與局部邏輯關(guān)系的分析，可以清晰地對整體進行把控，根據(jù)破壞效果和結(jié)構(gòu)對作用的響應(yīng)進行總體調(diào)控，通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0和結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γd對總滑動力和總抗滑力進行放大縮小來實現(xiàn)。整體是由局部構(gòu)成的，離開了部分，整體就不復(fù)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(guān)系要求樹立整體觀念和全局的思想，從整體出發(fā)，在整體上根據(jù)各局部作用力的特點和大小選擇最佳結(jié)構(gòu)方案，使整體抗滑功能得到最大限度發(fā)揮，實現(xiàn)其安全性、使用要求、經(jīng)濟性和施工條件等綜合最優(yōu)目標。

四、主次與遞進邏輯關(guān)系

在公式（1）中，整體結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γd和結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)γ0在前，其他局部作用力及其分項系數(shù)在后，體現(xiàn)了整體為主，局部為次的邏輯關(guān)系;在諸多局部作用力中，存在等級劃分，非主導(dǎo)可變作用力需要作用組合系數(shù)ψ進行調(diào)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(guān)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(dǎo)作用、波浪荷載為非主導(dǎo)作用下結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，即確保總滑動力小于總抗滑力。

第二層次。所有局部作用力水平方向分力效應(yīng)形成的總的滑動合力，所有局部作用力垂直方向分力效應(yīng)乘以計算面的滑動系數(shù)形成總的抗滑合力。兩者之間既有共同荷載產(chǎn)生的不同方向的分力，如永久主動土壓力E、堆貨荷載產(chǎn)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(jié)構(gòu)自重G。

第三層次。永久主動土壓力E、剩余水壓力PW和結(jié)構(gòu)自重G，當結(jié)構(gòu)方案確定并建設(shè)完成后，永久作用將確定下來，不隨外部荷載變化而發(fā)生變化。

第四層次。可變作用將分為主導(dǎo)可變和非主導(dǎo)可變，以作用效應(yīng)大者為主導(dǎo)，并且非主導(dǎo)作用需要根據(jù)乘以小于等于1.0的組合系數(shù)。當然，主導(dǎo)和非主導(dǎo)作用在不同情況下，大小發(fā)生變化時，相應(yīng)的地位也將發(fā)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(jié)構(gòu)自重G排在最前面，堆貨荷載產(chǎn)生的主導(dǎo)可變主動土壓力Eq隨后，排在最后的是非主導(dǎo)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(guān)系。

這是事物影響因素的主次分解，即使看似為并列關(guān)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(xué)生邏輯思想的應(yīng)用拓展及效果

廣東海洋大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)的大學(xué)生培養(yǎng)體系和培養(yǎng)方案中，港口水工建筑這門課程安排在大三下學(xué)期進行。大三學(xué)生除了學(xué)習(xí)任務(wù)外，還面臨關(guān)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(xiàn)，擇業(yè)或是繼續(xù)考研深造？是否從事本行業(yè)？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(xué)生甚至出現(xiàn)無所適從的現(xiàn)象。

筆者將自己多年的工程實踐經(jīng)歷和經(jīng)驗融入課程教學(xué)案例中，并十分注重邏輯體系的運用，講述在工程建設(shè)過程的所見所聞以及在處理工程建設(shè)過程各種問題中邏輯思維的運用，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對自身問題邏輯思維應(yīng)用的探索和思考能力。學(xué)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(jié)合本課程公式中蘊含的邏輯思維有針對性地與學(xué)生分析、探討及分享自己的經(jīng)驗及建議。剖析學(xué)生在特定目標下（抗滑穩(wěn)定）的自身因素（永久作用、主導(dǎo)可變作用）、外部因素（主導(dǎo)可變作用及非主導(dǎo)可變作用）……參考此公式的邏輯體系進行困惑分解，輔助學(xué)生決策，使學(xué)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(xué)習(xí)目的的深度、拓展學(xué)習(xí)目標的維度、構(gòu)建學(xué)習(xí)的目標及效果的系統(tǒng)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(xué)基礎(chǔ)，實現(xiàn)了即時的學(xué)以致用。學(xué)生對待課程的態(tài)度呈現(xiàn)“需要學(xué)——值得學(xué)——樂意學(xué)”的變化過程，成為港口航道與海岸工程專業(yè)的合格畢業(yè)生。

令人驚喜的是，部分學(xué)生畢業(yè)一段時間之后專門發(fā)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(yīng)的不同，取決于我們?nèi)绾芜\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。

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（責任編輯：汪旦旦）