中英规范在港口工程的边坡稳定分析方法对比

谭彬政

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510230)

不同国家的工程规范及技术标准在设计理念与各参数取值等方面会存在一定的差异，随着国外工程项目的增多，特别是在“一带一路”倡议背景下，港口工程的海外项目在这10 a增长迅速，因此有必要对国内外的规范进行对比研究。在港口工程中，边坡抗滑稳定性计算涉及较为广泛，如防坡堤的整体稳定性计算、护岸的稳定性计算和重力式码头的整体稳定性计算等。在基于国内规范的港口工程边坡稳定的研究中，吴淑雄等[1]通过国内规范的抗力分项系数的研究，得出港口工程岸坡稳定的分项系数合理取值的方法。随着计算机数值计算的发展，大型有限元工具已在港口工程边坡稳定得到广泛的应用，潘兴标[2]基于ABAQUS有限元计算，建立码头岸坡三维模型，研究了影响岸坡失稳的各种因素，并验证了强度折减法在岸坡稳定计算中的适用性。在基于国外规范的边坡稳定的研究中，宣庐峻等[3]结合了国外的防坡堤工程项目介绍了英标和欧标在地基稳定计算上的运用，但没有与国内规范进行对比分析；熊敏等[4]针对欧洲规范Eurocode7和国内规范《碾压式土石坝设计规范》作了系统性的对比研究，但对港口工程项目的适用性有限。因此本文在分别对英标和国内规范在边坡稳定的设计理念和计算方法上进行对比阐述的基础上，以不同坡度、不同荷载条件下的粘性土坡和砂性土坡稳定性为例，并结合实际的工程案例对比分析两种规范在边坡稳定性计算上的差异。

1 中英规范中的边坡稳定设计思路对比

表1 荷载作用效应分项系数Tab.1 Partial factor of load effect

在边坡抗滑稳定的分析方法中，欧标Eurocode7[5]采用了3种不同的分项系数设计方法分别为Design Approach 1、Design Approach 2 和Design Approach 3。这3种方法均涉及到了荷载作用(组A)、岩土体参数(组M)和抗力(组R)，各有不同的组合。英标BS 6031-2009[6]采用了欧标中的方法DA1，如式(1)所示。在DA1的Combination 1(简称CB1)中，岩土体参数的分项系数和抗力分项系数均为1，而不利荷载的分项系数大于1，实际上是放大了不利荷载的作用；在DA1的Combination 2(简称CB2)中，除了通过分项系数增大不利可变荷载的作用之外，还对岩土体的参数进行了折减，如式(2)和表1～表3所示。Combination 1适用于作用不确定性控制设计的情况；Combination 2适用于土的工程性质不确定性控制设计的情况。

表2 土体材料分项系数Tab.2 Partial factor of soil

Combination 1: A1 “+” M1 “+” R1 Combination 2: A2 “+” M2 “+” R1

(1)

(2)

式中：Fd为作用力的设计值；γF为作用力的分项系数；Frep为作用力的代表值；Xd为材料参数的设计值；Xk为材料参数的特征值；γM为材料参数的分项系数。

表3 抗力分项系数Tab.3 Partial factor of resistance

(3)

值得注意的是，在实际的计算中，当选用英标DA1的Combination1时，因为坡体自重既有对抗滑稳定有利的部分，也有对其不利的部分，当不明确坡体自重哪些属于有利，哪些属于不利时，就无法选取自重相对应(有利或不利)的分项系数。因此，根据文献[8]的建议可取自重得分项系数为1.0，而不利可变荷载的分项系数取为(1.5/1.35=1.111)，最后算出的安全系数与1.35进行比较。为了对比这种处理换算方法与实际英标DA1的Combination1的规定方法的结果差异，本文以瑞典条分法为例，根据《土力学》[9](河海大学出版社)第7章的理论推导，其安全系数计算公式如下

(4)

式中：ci为土条的土体凝聚力，kPa；wi为土条自重，N；li为土条长度，m；ai为土条倾角，(°)；φi为土条的土体内摩擦角，(°)。

按欧标Combination 1的方法施加分项系数，其安全系数公式转变为

(5)

当按文献[6]的换算方法，其安全系数公式变为

(6)

即等价于

(7)

对比式(5)和(7)可知，按照文献[6]的换算方法计算得出的安全系数更小，即其方法相对更保守些。

2 算例

2.1 对比不同坡度的粘性土坡和粉细砂土坡稳定性

针对粘性土和粉细砂土两种土坡，本文分别基于国标和英标的设计方法进行计算，通过计算得到满足规范要求最小安全系数时对应的临界坡角，对比两种标准在确定岸坡稳定性上差异。

2.1.1 计算模型与土体参数

本文分别采用岩土边坡数值分析软件Geo-Studio的SEEP/w模块和SLOPE/w模块模拟岸坡在一定水位条件下的渗流场及其相应稳定性。首先在SEEP/w模块进行渗流场计算模拟，其中模型左侧边界给定水头12 m，右侧坡面边界水头为10 m，即给定水位差为2 m，某一坡度岸坡的浸润线计算结果如图1所示。

表4 土体参数Tab.4 Soil parameters

SEEP/w渗流模块的建模过程具体如下：(1)设置页面属性、系统坐标等，建立模型的几何形状；(2)根据岸坡土层的性质，输入土体的渗透系数，并选择相应的材料模型；(3)划分模型的网格，并根据实际工况添加模型的边界条件；(4)程序自检错误，如未发现错误则开始计算；(5)进行稳态分析得到渗流场结果(对于瞬态分析，还需在稳态分析的基础上定义时间步，并重新循环相同的流程，就可以得到不同时刻的渗流场结果)。然后把每一分析步的渗流场计算结果导入SLOPE/w模块进行边坡稳定性的计算，SLOPE/w模块的计算流程如下：(1)根据相关实测资料输入土体参数，包括内摩擦角、凝聚力和土容重等；(2)划分土层，并对土层赋予相应的材料属性；(3)导入渗流场的计算结果；(4)定义滑裂面的范围；(5)边坡稳定性计算；

计算模型如图2所示。本文选用Bishop法进行稳定性分析，土体的快剪试验的参数指标如表4所示，实际设计值参数如表5所示。

图1 Seep/w计算模型Fig.1 Seep/w calculating model图2 Slope/w计算模型Fig.2 Slope/w calculating model

图3 粘性土坡的临界坡角变化趋势Fig.3 Trend of critical slope angle of cohesive soil slope图4 粉细砂土坡的临界坡角变化趋势Fig.4 Trend of critical slope angle of sand slope

表5 土体设计值参数及最小安全系数范围Tab.5 Soil design parameters and minimum safety factor range

2.1.2 计算结果

粘性土坡的计算结果如图3所示。由图3可知，随着坡顶荷载的增加，不同方法的临界坡角均表现出下降的趋势。其中，CB1的临界坡角总体上比CB2的小，即在同等条件下CB1计算得到的安全系数会更小。当无坡顶荷载时，两者的临界坡角非常接近；当有坡顶荷载时，CB1的临界坡角相对更小，而且随着荷载的增加，两者的坡角差值有增大的趋势。与国标的计算结果对比可知，CB1和CB2的临界坡角与国标的临界坡角上限比较接近，即CB1和CB2的边坡稳定计算结果与国标的允许安全系数范围的下限比较接近。粉细砂土坡的计算结果如图4所示。由图4可知，其临界坡角的整体变化趋势与粘性土坡的结果类似。而CB2的临界坡角与国标(上限)非常接近。综上所述，无论是粘性土坡，还是粉细砂土坡，根据英标CB1和CB2两种方法计算得到的临界坡角均在国标得到临界坡角范围之内，且接近于国标的上限。即在同等条件下，由英标计算得到岸坡稳定安全系数在国标的允许范围之内。

图5 护岸典型断面(高程：m)Fig.5 Typical section of revetment

表6 土体参数Tab.6 Soil parameters

2.2 工程实例

国外某港口需建设1.5 km的护岸，护岸采用斜坡式结构，设计断面如图5所示。工程所在地区有较厚的软黏土层，软黏土层下面是土质良好的残积土层，采用开挖后换填砂的方法进行处理，其基本的施工流程为：开挖护岸基槽→回填砂料形成堤身→回填后方疏浚材料。本文用SLOPE软件基于Bishop法计算护岸岸坡的整体稳定性，各土层的不固结不排水参数指标如表6所示，护岸后方考虑90 kPa的均载。当地的水文情况如下：最高天文潮(HAT)3.75 m；大潮平均高潮(MHWS)2.98 m；大潮平均高潮(MLWS)2.98 m；最低天文潮(LAT) 0.28 m。在岸坡稳定性计算中，海侧水位值取0.28 m(LAT)，陆侧地下水位取2.06 m(MHWS与MLWS的平均值)。

图6 国标计算结果Fig.6 Result of Chinese Standard

图7 英标CB1计算结果Fig.7 Result of British Standard CB1

图8 英标CB2计算结果Fig.8 Result of British Standard CB2

根据岸坡稳定性的计算结果，如图6～图8 ，国标和英标得到的临界滑弧基本一致。根据国标得到的最小安全系数为1.389，相对于规范允许的安全系数最小限值(1.30)还有较大富余；英标CB1和CB2方法得到的最小安全系数分别为1.363和1.012， 相对于其允许限值(1.35和1.00)已很接近，富余不多。因此，岸坡稳定性的计算中，英标的计算方法更为严格，这可为工程师初步判断岸坡稳定性提供参考。

3 结论

本文分别通过粘性土和粉细砂土坡以及结合工程实例的计算分析对比了国标和英标在港口工程边坡稳定性计算方法及结果的差异。

(1)英标可根据不同的设计情况，对荷载作用、岩土体参数和抗力3个因素的进行分项系数分析，在设计理念上更为先进。其Combination 1方法适用于作用不确定性控制设计的情况；Combination 2方法适用于土的工程性质不确定性控制设计的情况。

(2)由英标计算得到岸坡稳定安全系数在国标的允许范围之内，且接近于国标允许的安全系数范围的下限值，这可为工程师初步判断岸坡稳定性提供参考。