沉箱重力式碼頭抗滑抗傾穩(wěn)定性分析

徐誠

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 215000）

矩形沉箱碼頭具有制作簡單，施工技術(shù)成熟的特點，施工時可以將其預(yù)先制作成有底空箱，隨后在艙格內(nèi)充填中砂，因此具有重力大、耐久性好、抗傾覆穩(wěn)定性好、荷載適應(yīng)性強的優(yōu)點，在碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中得到廣泛選擇[1]。目前關(guān)于沉箱重力式碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論主要有安全系數(shù)經(jīng)驗方法、可靠度方法和分項系數(shù)法[2-3]。本文嘗試基于可靠度方法提出一種簡化可靠指標的設(shè)計方法，并將計算結(jié)果與基于分項系數(shù)法的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果對比，驗證簡化可靠指標設(shè)計方法的可靠性和適用性。

1 工程概況

山東省某新建沉箱重力式碼頭長度為110m，沉箱底部采用10～100kg 的拋基床鋪墊，基床迎波面坡度為1:1.5，背波面坡度為1:1，頂部寬度為22m，沉箱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土澆筑，為4×3 矩形格狀，中隔壁厚度為200mm，沉箱寬度為17.80m，高度為15.01m，沉箱內(nèi)部填充中砂，含泥量不大于5%。碼頭頂部高程為5.4m，沉箱頂部高程為1.90m，碼頭底部高程為-17.0m，碼頭面均布荷載為30kN/m，船舶系攬力為1500kN，設(shè)計高水位為3.24m，設(shè)計低水位為0.53m，波浪要素波浪高H1%為3.29m、波浪周期T 為5.5s。場區(qū)的工程地質(zhì)條件如表1 所示。

表1 場區(qū)巖土工程地質(zhì)特征

各土層天然狀態(tài)下物理性質(zhì)指標和力學(xué)性質(zhì)指標如表2 所示。

2 基于簡化可靠指標設(shè)計方法的沉箱重力式碼頭抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算

沉箱重力式碼頭抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算時，水面以上混凝土容重取為23.0kN/m3，水面以下混凝土容重取為13.0 kN/m3，水面上鋼筋混凝土容重取為24 kN/m3，水面下鋼筋混凝土取為14.0 kN/m3，水面上回填中砂容重取為18kN/m3，水面下回填中砂容重取為9.5 kN/m3，水面上回填塊石容重取為17.0 kN/m3，水面下回填塊石容重取為10.0 kN/m3。碼頭的自重為其體積乘以容重，由自重引起的抗傾覆力矩為自重與力矩的乘積[4]。因此，可以計算得到每延米碼頭自重和抗傾覆力矩如表3 所示。

表3 碼頭自重及自重引起抗傾覆力矩

在不考慮波浪力對碼頭作用時，基于簡化可靠指標設(shè)計方法的沉箱重力式碼頭抗滑及抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)計算如公式（1）～公式（4）所示[5-7]。

式中，k1為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填石抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；k2為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填石抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；k3為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填砂抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；k4為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填砂抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；β 為抗滑或抗傾覆可靠指標。

在考慮波浪力對碼頭作用時，基于簡化可靠指標設(shè)計方法的沉箱重力式碼頭抗滑及抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)計算如公式（5）～公式（8）所示[8-9]。

式中，k5為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填石抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；k6為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填石抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；k7為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填砂抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；k8為基于簡化可靠指標設(shè)計方法的填砂抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；β 為抗滑或抗傾覆可靠指標；t 為時間。

3 不同方法計算沉箱重力式碼頭抗滑抗傾覆穩(wěn)定性結(jié)果對比

為了研究基于簡化可靠指標設(shè)計方法的沉箱重力式碼頭抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算精度，本文選取基于分項系數(shù)法和可靠指標法的沉箱重力式碼頭抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算作為對比。首先將本項目沉箱重力式碼頭劃分為20 個計算斷面，編號為CXZL01～CXZL20，計算其抗滑穩(wěn)定性結(jié)果如表4 和圖1、圖2 所示。

圖1 基于簡化可靠指標設(shè)計方法的抗滑可靠指標計算結(jié)果

圖2 基于簡化可靠指標設(shè)計方法的抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

表4 基于簡化可靠指標設(shè)計方法的抗滑可靠指標和抗滑穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

從圖1 中可以看出，在抗滑可靠指標方面，高水位和低水位條件下，不同計算斷面填砂和填石的抗滑可靠指標均呈現(xiàn)不同程度的波動，但整體而言，高水位的抗滑可靠指標比低水位的抗滑可靠指標略大，同一水位條件下，填砂和填石的抗滑可靠指標相近。高水位填石的抗滑可靠指標變化范圍為6.23～11.68，而低水位填石的抗滑可靠指標變化范圍為4.10～8.46；高水位填砂的抗滑可靠指標變化范圍為6.95～11.39，而低水位填砂的抗滑可靠指標變化范圍為4.02～6.69。經(jīng)過計算，填砂和填石的抗傾覆可靠指標也有與抗滑可靠指標一致的變化規(guī)律[10]。

從圖2 中可以看出，在抗滑穩(wěn)定性系數(shù)方面，高水位和低水位條件下，不同計算斷面填砂和填石的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的波動，但整體而言，高水位的抗滑穩(wěn)定系數(shù)比低水位的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)略小，同一水位條件下，填砂和填石的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)相近。高水位填石的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為3.01～4.79，而低水位填石的抗滑穩(wěn)定性變化范圍為4.10～6.99；高水位填砂的可靠指標變化范圍為3.39～4.81，而低水位填砂的可靠指標變化范圍為4.05～6.96。經(jīng)過計算，填砂和填石的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也有與抗滑穩(wěn)定系數(shù)一致的變化規(guī)律。

以最不利工況高水位為例，基于簡化可靠指標設(shè)計方法的抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果和基于分項系數(shù)法的抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖3 和表5 所示。從圖3 中可以看出，基于簡化可靠指標設(shè)計方法的抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果和基于分項系數(shù)法的抗滑抗傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果具有一致性的變化關(guān)系，均呈現(xiàn)指數(shù)曲線，考慮風(fēng)浪作用的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均相應(yīng)地小于不考慮風(fēng)浪作用的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。考慮風(fēng)浪作用時，填砂的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的擬合關(guān)系均可以用公式（9）～公式（10）表達。

圖3 基于分項系數(shù)法方法和基于簡化可靠指標設(shè)計方法的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果對比

不考慮風(fēng)浪作用時，填砂的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的擬合關(guān)系均可以用公式（11）～公式（12）表達。

4 結(jié)論

以山東省某沉箱新建重力式碼頭，提出一種基于簡化可靠指標的設(shè)計方法，計算結(jié)果與基于分項系數(shù)法的計算結(jié)果進行對比，得到以下結(jié)論：

（1）高水位的抗滑可靠指標比低水位的抗滑可靠指標略大，同一水位條件下，填砂和填石的抗滑可靠指標相近。填砂和填石的抗傾覆可靠指標也有與抗滑可靠指標一致的變化規(guī)律。

（2）高水位的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)比低水位的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)略小，同一水位條件下，填砂和填石的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)相近。填砂和填石的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)也有與抗滑穩(wěn)定系數(shù)一致的變化規(guī)律。

（3）基于簡化可靠指標設(shè)計方法的計算結(jié)果和基于分項系數(shù)法的計算結(jié)果具有一致性的變化關(guān)系，均呈現(xiàn)指數(shù)曲線，考慮風(fēng)浪作用的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)均相應(yīng)地小于不考慮風(fēng)浪作用的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。