墨西哥CMSA曼萨尼约集装箱码头护岸抗震设计

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摘要： 墨西哥太平洋海岸是一个地震高度活跃区。1995年科利马-哈利斯科州8.0级地震对曼萨尼约码头和港口造成了重大破坏。2003年发生在该地区的一场7.6级地震也给该港口造成了影响（Bardi et al.， 2004）。作为港口抗震加固和扩建的一部分，Contecon Manzanillo S.A. de C.V. （cmsa）公司要求中国港湾工程有限责任公司（CHEC）设计并建设一个能够承受强地震的新集装箱码头。该设计由中国港湾及其设计分包商――中交第三航务工程勘察设计院共同完成，符合洛杉矶港和长滩港的严格抗震设计标准。

本文介绍了第一阶段A1期第二个专用集装箱码头（SCT2）的护岸抗震设计，尤其是有关基于性能的设计方案。本文所提出的抗震稳定性和变形评估运用了非线性数值模拟方法及简化的运动形变方法，并对关于在地震荷载条件下土壤结构相互作用的评估所采纳的方法论和分析过程进行了总结和讨论。

关键字 港口、集装箱码头、地震、地震变形、桩、护岸

简介

继顺利完成墨西哥下加利福尼亚州Costa Azul能源公司的LNG码头防波堤工后，中国港湾工程有限责任公司（简称CHEC或中国港湾）受聘于Contecon Manzanillo S.A. de C.V.公司 （CMSA），在墨西哥科利马州曼萨尼约港口设计并建造一个新集装箱码头。CMSA是ICTSI国际集装箱码头服务公司的全资子公司。曼萨尼约港口是墨西哥最大的集装箱港口，也是拉丁美洲第六大集装箱港口。新CMSA集装箱码头是曼萨尼约港口扩建计划的中心部分。

墨西哥的太平洋海岸是地震高度活跃区。1995年科利马-哈利斯科州8.0级地震对曼萨尼约码头和港口造成了重大破坏。2003年发生在该地区的一场7.6级地震也给该港口造成了影响（Bardi et al.， 2004）。鉴于现场的地震高发风险，Contecon Manzanillo S.A. de C.V. （CMSA）公司要求新的集装箱码头能够承受强地震，符合洛杉矶港和长滩港的严格抗震设计标准。该设计由中国港湾及其设计分包商――中交第三航务工程勘察设计院共同完成。该独立设计验证由莫法特和尼科尔公司完成。

CMSA的集装箱码头于2012年1月开工建设，于2013年8月竣工完成。这一建设工程由中国港湾及其分包商――中交第三航务工程局有限公司共同执行。此项目工程被命名为第二个专用集装箱码头（SCT2），配有四个超巴拿马岸吊和十九个橡胶轮胎龙门起重机。该码头预计将达到65万标准箱的年吞吐量，并于2013年八月迎来了第一艘5500标准箱超巴拿马型船。

场地位置

项目建设地点位于曼萨尼约港2英里长、500英尺宽的半岛上。该半岛是由航道的疏浚材料填筑建设而成，与航道及被红树林覆盖的浅水区域所接壤。图一显示了曼萨尼约港及CMSA SCT2码头的布局。

CMSA计划按照三个阶段来逐步开发该码头。中国港湾承建了新集装箱码头的一期 ― 第一阶段1A工程。项目范围包括了720米长码头建设、38.7公顷陆域，包括集装箱堆场，基础设施，附属设施，另有一个集合了行政楼、维修车间、货运站等建筑的支持区。

图一. 曼萨尼约港CMSA新集装箱码头现场图

现场调研与鉴定

通过来自瓦拉塔港的墨西哥工程公司Suelo Y Control S.A. （SYC） de C.V.的支持协助，中国港湾执行了一个全面的地质勘探方案。现场勘探计划包括37个陆上钻孔和27个水上钻孔。土壤取样主要有在软粘性土壤里的谢尔比采样和在其他土壤环境下的标准贯入试验（SPT）取样。通过含孔隙压力测量的静力触探试验（CPTU）也对SPT试验成果进行了补充辅助。井下地球物理勘测在现场的两个选定位置进行， 测量横波速度（Vs）以及地下深度约30米土壤剖面的压缩波速度（Vp）地震折射调查也沿着场地上的两条定线执行。

一般情况下，护岸结构设计方案主要考虑在深度较浅（地下10米）的有机泥炭土以及更深处的夹层密砂和硬粘土层。在主要区域运用以SPT为基础的相关数据、UU试验数据、现场CPT数据，并选择土壤指标参数以便获得强度参数c和φ。

调查结果显示在钻孔M5附近紧靠抛石护岸下方有一可疑区，发现有相对低SPT值的浅沙层。这一液化易感层和相应的后液化低残余抗剪强度对护岸的抗震稳定性具有显著的危险。为了更准确地评估这种浅层土壤区域的强度，CHEC委托SYC在M5附近进行了1A和2A的两个补充性土壤钻探，以便获得额外的SPT数据和土壤样品。我们发现在补充钻孔上记录的SPT击数高于那些M5范围里的数值，这很可能揭示了洪积材料局部空间的变异以及这个弱区的有限范围。M5附近的截面分析如图二所示。

图二、 拟议护岸-M3-M5截面

抗震设计标准

新CMSA码头的抗震设计从实质上遵循了由POLA （e.g. POLA 2010） 和 POLB （e.g. POLB 2012）认证通过的基于性能的设计标准。这些标准为码头建设，特别是桩承码头结构提供了通用的设计指南和标准，同时涵盖了各种设计组件，包括地震需求，岩土考虑，性能标准，结构性需求和能力等。由于篇幅限制，本文只给出了用于护岸结构的岩土与土壤结构的相互作用分析。

护岸及桩码头的抗震设计

地震危险级别和地震动参数

本项目规定了OLE（作业标准，大致对应中国规范小震）及CLE（偶遇标准，大致对应中国规范中震）两水准设计；没有规定明确的重现期标准，而是通过是否触发地基液化来定义OLE水准，且按照墨西哥CFE规范的设防水准来定义CLE水准。

按照重现期475年来定义设计地震是中国规范及各国早期规范通行的做法。不同国家的抗震规范本质相同，但表现形式可能相差巨大。墨西哥CFE规范相比中国规范有很大的不同，它没有基于某一重现期基准的地震烈度分布图，而是每一个地理坐标都规定了不同的重现期标准和基本反应谱。

由于墨西哥规范基本反应谱的定义过于复杂，无法简单通过查表或查图来确定，因此规范同步推出了配套计算机程序PRODISIS，可通过输入地理坐标来生成基岩加速度谱，再根据场地土质条件修正为地面加速度谱。

项目现场OLE和CLE的加速度反应谱如图三所示。

图三、加速度设计反应谱

地震边坡稳定性

根据现有数据，包括地质段、岩土数据、护岸结构的几何形状以及先前进行的静态稳定性分析结果，共有四个横截面被选定为伪静态稳定性分析断面，分别是： M3-M5， M8-M10， M26-M32， 和M43-M44。

通过使用计算机程序SLOPE/ W（GEO-SLOPE International， 2007）伪静态边坡稳定分析法评估护岸边坡的临界稳定系数ky。对于M3-M5部分的模型几何如图4所示。此断面被视为四个分析断面中最为关键位置。将过渡板的重量和上超载量集中载荷作用于护岸顶部的挡土墙上，同时在挡土墙后方考虑集装箱堆载作为均匀荷载。

该土层的排水（或有效应力的）强度参数，c'和φ'，被用于静态稳定性分析。 粘性土层中的不排水（或总应力）强度参数， Su， 被用于伪静态稳定性分析。

图4. 边坡稳定分析模型，截面M3-M5

最低稳定性安全因素被发现对应于最低低水位（LLW）级，位于-0.46m（海图基准）。浅圆滑动面被发现完全穿越岩石堤的上部，而经过岩石下堤的潜在的更深层次的滑动面则被认为对于护岸结构的整体稳定性而言更为关键。因此，我们搜索了深层圆弧或非圆弧滑动块来寻找控制滑动面。图5呈现了针对M3-M5截面最关键的深层滑动面的位置及地震临界稳定系数ky。

图5. KY = 0.179关键深层滑动面，截面M3-M5

非线性动力分析

作为护岸抗震设计的一部分，通过二维有限差分程序FLAC（Itasca 2008），CHEC首先进行了一系列非线性动力分析，在设计偶遇地震（CLE）的过程中评估该护岸的地震稳定性和变形。截面分析和FLAC网裁剪如图6所示。

尽管最初的FLAC分析针对护岸结构的抗震性能提供了宝贵的见解，但载入土壤的参数和负载条件仍然具有很大的不确定性。因此，CHEC和CMSA一致决定，通过使用POLB （Arulmoli and Martin， 2009）法，实行对于护岸的简化抗震变形分析。以下部分描述了该分析方法，以及通过这些简化分析所获得的结果。

图6. FLAC护岸的初始非线性动力学分析

土壤结构间的互相作用

一般情况下，在地震荷载下的侧向土壤结构相互作用（SSI）包括（1）由于该结构的惯性，在码头结构和桩柱上产生由地震引起的侧向荷载和相关惯性载荷；（2） 缘于地震引起的护岸结构位移使桩柱产生运动（变形）负荷。

研究表明，对于典型桩支撑码头，惯性载荷趋于诱发位于桩上部的最大负载时刻和塑性铰，而运动负荷则趋于在桩深部诱发最大负载时刻和塑性铰。此外，虽然峰值惯性载荷可能在地震地面运动强烈波动时发生，运动负荷趋向于在强烈震动后到达最高值。鉴于不同负载的时间差，在这样的条件下通过简化SSI分析法分离（不耦合的）惯性和动态负载条件是可行的。

针对在惯性载荷条件下土桩结构反应的评估表明，自由场地面变形可以忽略不计，而侧向土弹簧（p-y曲线）的最佳估计值（BE）通常被用于基准线评估。对于新CMSA码头工程，p-y曲线最佳估计值（BE）通过计算机程序LPILE（Ensoft， 2012）获得。为了适应与SSI相关的内在的不确定性，p-y曲线的上界（UB）和下限（LB）也应被用以评估该结构的惯性反应。针对抛石斜坡堤， POLB （2009）推荐分别利用典型的上界（UB）和下限（LB）对应乘法因素2和0.3。

对于运动负荷的评估可以通过多种方式来实行。图表方法可以提供一些粗略的估计。更多复杂动力学现场反应和桩侧推分析在实践中被加以广泛使用。通过有限元或有限差分方案，二维甚至三维动态SSI分析日益完善，常被使用于一些大型项目。由POLA and POLB （POLB， 2009）认可通过的评估过程如图7所示。从该流程图上可知，在护岸边坡深层次位置的永久性位移应被控制在可以接受的范围内，确保码头桩的性能不会受到影响。由于篇幅限制，读者可以参考原始文件以便对该方法进行详细讨论。

图7. 动性水平负载评估流程图

（参考 Arulmoli 和 Martin， 2009）

（***图中应为英寸，不是英尺***）

针对CMSA新集装箱码头，通过桩来支撑泊位结构，每步的处理流程如下：

1） 建立峰值加速系数 （PGA 或 kmax） = 0.358g （针对施工现场中相应的CLE条件）；

2） 预测地表的峰值地面运动加速度 （PGV）：

PGV （英尺/秒） = （A）*（kmax）

考虑到项目施工现场出现隐没式地震（持续时间更长）的可能性，针对CLE的A参数选用保守值75；

3） 使用“自由场”（无泊位桩）伪静态坡面稳定性分析来获取关键的滑动面和屈服加速度系数ky；

4） 预测Newmark位移数据通过使用从上述步骤获得的 ky， kmax 和 PGV 数值，运用NCHRP报告611 （TRB 2008） 中推荐的下述方程式来计算。该方程式适用于美国西部地区土壤的施工现场；

5） 若预测的Newmark位移超过150毫米，则结合泊位桩不同方位的不同动性位移数据，使用结构来预估Newmark“桩钉”位移；

6） 结合“桩钉”效应和更新的ky 和 Newmark位移预测数据重做伪静态稳定性分析；

7） 使用更新的动性位移数据重做泊位桩不同方位的结构弹塑性分析；

8） 结合惯性和动性负载参数并使用被广泛接受的方法和因素。

针对M3-M5区段，下表展示了ky和Newmark位移（D）的计算值。可以看出采用了POLA和POLB设计标准，预测的Newmark位移要小于CLE有限位移12英寸或300毫米。

表1 偶然地震条件下M3-M5 区段Newmark 位移预测

泊位桩设计和加固方案

在泊位桩设计的过程中， 桩在不同方位的压力和拉力通过使用SAP2000软件和非线性弹塑性分析方法进行模拟计算，计算时非线性土壤弹性（p-y曲线）与泊位桩通过SSI模型效应产生关联。边界应用了运动负载以支撑土壤弹性的末端。泊位桩的最终抗震需求通过结合两个相对保守的负载参数来模拟计算：a） 100% 惯性 + 50% 运动；以及 b） 50% 惯性 + 100% 运动。

除此之外，业主要求中的“无损坏”标准要求所有泊位桩即便在遭遇偶遇地震时也要保持泥面下不出现塑形铰。为了满足该严格要求，中国港湾的设计团队选择使用混凝土灌注分别延伸1号和2号后排桩到-15.5m和-16m。该延伸方案最终被验证可行，且被独立的第三方设计检验人员和业主所接受。

总结

CMSA新集装箱码头（图8）对曼萨尼约港和中国港湾双方都是一个具有重要意义的项目。该项目不仅是曼萨尼约港扩建计划中重要的一部分，新设计和建设的SCT2码头还能够可以抵御诸如在1995年给该港带来巨大损失的8.0级科利马-哈利斯科州地震。

图8. 已完工的专用集装箱码头 （SCT 2）

新泊位结构的抗震设计大部分遵循了由POLA和POLB提出的基于性能（Performance Based）的设计标准。使用伪静态坡面稳定性分析来评估护岸坡面的抗震稳定性，（运动学）坡面地震位移采用NCHRP611报告中推荐的Newmark方式来预测。通过结合惯性和动性负载和对应的土壤弹性并使用非线性弹塑性分析方法进行模拟计算得出泊位桩最终的抗震需求。

参考文献

Arulmoli， A. K. and Martin， G. R. （2009）， Seismic Soil-Structure Interaction Issues for Pile-Supported Piers and Wharves. TCLEE 2009： pp. 1-11.

ASCE （2006）， Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures， Standards ASCE/SEI 7-05.

Bardi， J.C.， Ruiz， G.P.， Kumar， V.K. （2004）， Manzanillo Mexico’s SSAMM Terminal： Lessons Learned from 1995 and 2003 Earthquakes. Proceedings of Ports 2004： pp. 1-10.

Ensoft， Inc. （2012）， User’s Manual for LPILE， Version 2012-06， A Program for the Analysis of Deep Foundations under Lateral Loading， November.

GEO-SLOPE International Ltd. （2007）， SLOPE/W User’s Manual.

Itasca （2008）， FLAC， Fast Lagrangian Analysis of Continua， Version 6.0， User’s Guide.

Port of Long Beach （2012）， Wharf Design Criteria， Version 3.0， February 29.

Port of Long Beach （2009）， Wharf Design Criteria， Version 2.0， January 30.

Port of Los Angeles （2010）， Code for Seismic Design， Upgrade and Repair of Container Wharves， May.

Transportation Research Board （2008）， NCHRP Report 611 Seismic Analysis and Design of Retaining Walls， Buried Structures， Slopes and Embankment， Washington DC.