港口码头墙评估

项目中应用的软件

项目概述
某港务局希望了解起重机和散货装载对已入库码头内一些历史悠久的码头墙（已有150多年历史的重力式挡土墙）可能造成的影响，因此委托奥雅纳公司对其现有码头墙的稳定性进行桌面评估。

该项目旨在了解多种不同的起重机和散货装载场景对码头墙的影响。这将为未来的施工和装载限制提供参考，从而确保码头墙的长期稳定性。对于客户而言，提供一份简洁易懂、非技术人员也能轻松理解的评估结果至关重要。
Oasys 如何证明其价值
方法概述
该方法的复杂程度必须根据客户在此阶段的预算和技术限制进行调整。

由于分析速度快且能够根据多种负载场景进行修改，使用 Oasys Greta 进行静态平衡分析被认为是本次评估的合适选择。由于港口不想将其历史墙体与现代设计标准进行比较，因此进行了非因子分析。此外，还使用 Oasys SLOPE 软件对墙体的坡度稳定性进行了考虑。

由于这是一项基于案头的评估，无法进行现场验证工作，因此需要做出一些假设。这包括根据已有 150 年历史的墙体的历史施工图，对理论墙体剖面进行建模。由于没有具体的项目地面勘察信息，因此使用附近的信息来估算可能的地面条件。

向客户介绍了起重机载荷在靠近码头墙体边缘时对墙体稳定性的影响。
挑战/限制概述
在整个过程中，我们遇到了许多挑战，必须克服。以下列出了面临的主要挑战：

墙后荷载的离散荷载区域


墙后荷载场景应用于起重机支腿垫块和散装荷载的独立区域（如图 1 所示）。遗憾的是，Greta 缺乏相应的机制来模拟这种情况，只能将附加荷载以 UDL 的形式施加在墙后或墙前，或以线荷载的形式施加在墙顶，如图 2 所示。
图 1 – 支腿垫块在墙后施加离散荷载的典型示意图
图 2 – 摘自 Oasys Greta 手册，展示了荷载施加方法
该问题的解决方案是，使用 PD 6694-1:2011 [1] 中的方法，将作用于墙体背面的等效推力施加为负锚荷载。图 3 直观地展示了交通荷载转换为墙体背面推力的过程。该方法不仅提供了要施加的等效力，还提供了合力作用于墙体背面的具体深度。需要注意的是，该方法仅适用于荷载位于墙体背面的情况，当荷载直接施加于墙体顶部时，则简化为墙体顶部的等效线荷载。
图 3 – Oasys Greta 中将起重机车轮和支腿的离散载荷施加为负锚载荷的方法（摘自 BSI，PD 6694-1:2011）
图 4 展示了 Oasys Greta 的屏幕截图，其中等效推力作为负锚载荷施加到墙体后部（即，锚向墙体前部推，而不是向土体拉）。
图 4 – Oasys Greta 的屏幕截图，展示了如何将负锚荷载施加到重力挡土墙的背面，以模拟起重机支腿荷载在表面施加的有效推力。

滑动安全系数 (FoS) 方程不一致


施加负锚固荷载时，滑动安全系数结果异常——施加较大的力时，滑动安全系数会增大，这与常识相悖。经调查，程序方程与施加负锚固荷载时不一致，后者通过以下公式计算与被动力方向相同的净水平力：

滑动安全系数 = (滑动阻力) / (被动力 - 主动力)

该方程导致负锚固荷载导致被动力减小，从而减小了方程中的分母，而分母本应代表失稳力，在本例中应该增大。为了保持一致，该方程应表示为：

FoS = (水平被动力 + 滑动阻力) / (水平主动力)

该方程正确地降低了施加负锚固荷载时分子稳定力，从而降低了本例滑动安全系数。

由于 Greta 中力的计算结果正确，因此这些力从输出中取出，并应用于电子表格中该方程的手动计算。

向墙体倾覆
由于墙体前方的被动力较大，而 Greta 假设这些被动力已完全动员，因此出现了一些问题。

在某些情况下，从逻辑上讲，墙体后方的力明显大于墙体前方的力，但在静态平衡模型中，被动阻力完全动员表明墙体会向墙体倾覆，但这并非现实情况。

为了解决这个问题，我们通过手动估算墙体前方被动力的动员量并降低被动土体水平来限制墙体前方土体的被动力。


墙体形状

所考虑的墙体具有独特的横截面，无法在 Greta 中准确建模。图 5 显示了其中一面墙体的示例。根据 Greta 中的允许尺寸，应用了简化的横截面，同时进行了手动计算以使墙体的重量相等，以确保建模的墙体总重量相同，并施加相同的荷载位置，从而尽可能准确地模拟对承重、倾覆和滑动结果的影响。

图 5 – 现有码头墙体之一的历史施工图，突显了墙体的独特形状。


主要发现和后续工作
评估使港务局了解了各种荷载方案对其现有码头墙体的影响，以及在抗倾覆、抗滑移、抗承载力以及边坡稳定性等安全系数方面，码头墙体的承受能力。

评估过程表明，承载力是所有方案的关键因素，在所有考虑的方案中，它最接近普遍可接受的安全系数。我们向客户提交了一份务实的报告，其中重点强调了可能需要限制运营的地方，并提供了各种荷载退缩条件下的安全系数估算，供客户参考。报告也以图表形式提供给客户，但这些图纸包含保密信息。

我们向客户强调，由于这是一项基于案头的评估，后续工作应考虑进行现场具体调查，以确定准确的参数，以便与实际方案进行更紧密的比较。

这种方法是根据客户的具体需求量身定制的，随后导致再次委托在该机构拥有的另一个港口进行类似的评估。


未来发展

在本次评估过程中，通过与 Oasys 支持团队的密切合作，我们成功克服了诸多挑战。


Greta 的后续更新将包括一种更灵活的内置方法，用于向墙体施加离散荷载，以及一种克服向墙体后跟方向错误旋转的方法，即引入自动降低被动阻力的阶段，以达到平衡并更真实地反映实际工况。目前，该更新仍在进行中。


参考文献

[1] BSI，PD 6694-1:2011，《根据 BS EN 1997-1:2004 进行交通荷载结构设计的建议》。