英標(biāo)集裝箱堆場(chǎng)鋪面設(shè)計(jì)優(yōu)化及工程實(shí)例

廖 源 袁靜波

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

英標(biāo)集裝箱堆場(chǎng)鋪面設(shè)計(jì)優(yōu)化及工程實(shí)例

廖 源 袁靜波

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

結(jié)合重箱堆場(chǎng)的受力特點(diǎn)，探討了集裝箱堆場(chǎng)鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的問題，介紹了其優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并采用有限元法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)算，從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化后的重箱堆場(chǎng)鋪面形式相對(duì)于連片式聯(lián)鎖塊鋪面更為經(jīng)濟(jì)。

集裝箱堆場(chǎng)，鋪面，優(yōu)化，設(shè)計(jì)

0 引言

集裝箱堆場(chǎng)是港口集裝箱碼頭工程中的一個(gè)重要組成部分，所占工程總投資比例大，鋪面設(shè)計(jì)方法較多，采用不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)造價(jià)差異較大。

對(duì)于我們熟悉的國(guó)標(biāo)和英標(biāo)，兩種標(biāo)準(zhǔn)的鋪面設(shè)計(jì)最大差異在于重箱堆場(chǎng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，英標(biāo)的連片式聯(lián)鎖塊方案比國(guó)標(biāo)的連片式聯(lián)鎖塊方案造價(jià)要高得多。如何通過優(yōu)化重箱堆場(chǎng)鋪面結(jié)構(gòu)，達(dá)到既保證質(zhì)量滿足使用要求，又能降低工程投資是本論文的主要研究目的。

1 項(xiàng)目概況

某集裝箱碼頭岸線總長(zhǎng)1 200 m，陸域面積61萬m2，可靠泊10萬t級(jí)集裝箱船。

1.1 陸域形成

本項(xiàng)目采用吹填港池疏浚土形成陸域，吹填標(biāo)高為+3.1 m，回填量約584.7萬m3。陸域形成回填料為港池疏浚料的中粗砂，采用絞吸船直接吹填施工。

1.2 場(chǎng)地條件

工程所在區(qū)域主要土層為中粗砂及其他硬土層，僅在西南角上覆有鄰近工程遺留的石頭。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，將場(chǎng)區(qū)劃分為A，B兩個(gè)區(qū)域，分區(qū)采用不同的地基處理方法。A區(qū)采用振沖密實(shí)法[2]進(jìn)行處理，面積約570 768 m2；B區(qū)采用強(qiáng)夯法[2]進(jìn)行處理，面積16 684 m2。地基處理平面圖見圖1。

1.3 使用要求及背景

根據(jù)陸域平面布置(見圖2)，本港區(qū)重箱堆場(chǎng)面積32萬m2，重箱堆場(chǎng)堆箱方式為多列成組箱[1]，堆高6層重箱，20 ft與40 ft混合堆放。

對(duì)于常規(guī)的連片式聯(lián)鎖塊鋪面，雖然具有施工速度快、使用靈活、能適應(yīng)集裝箱不同的堆存方式等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)高，投資大，經(jīng)濟(jì)性差。尤其采用英標(biāo)的連片式聯(lián)鎖塊方案造價(jià)更是高得多。隨著海外項(xiàng)目不斷增多，競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，為提高海外項(xiàng)目投標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，需尋求一種既能滿足使用要求又能降低工程投資，使得重箱堆場(chǎng)更為經(jīng)濟(jì)的鋪面結(jié)構(gòu)形式。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

集裝箱在重箱堆場(chǎng)采用定點(diǎn)堆放的堆箱方式，箱角區(qū)荷載大，箱間區(qū)荷載小。根據(jù)其受力特點(diǎn)，進(jìn)行重箱堆場(chǎng)鋪面設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)箱角區(qū)與箱間區(qū)分別對(duì)待，即加強(qiáng)箱角區(qū)，簡(jiǎn)化箱間區(qū)(箱間區(qū)基層厚度減薄)的設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)形式為聯(lián)鎖塊鋪面型式箱角基礎(chǔ)+箱間區(qū)聯(lián)鎖塊鋪面。采用這種方案，既能滿足集裝箱的堆放要求，又能達(dá)到降低造價(jià)的目的。但該方案存在以下難題：箱角處局部集中受力產(chǎn)生不均勻沉降可能出現(xiàn)集裝箱“擱肚皮”的現(xiàn)象和缺乏成熟的計(jì)算模式。為此，本論文著重針對(duì)以上難題進(jìn)一步研究此優(yōu)化方案的可行性。

首先，從場(chǎng)地條件來看，本項(xiàng)目地基較好，主要土層為中粗砂及其他硬土層，給上部鋪面結(jié)構(gòu)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。盡管如此，為進(jìn)一步減少由于局部集中受力可能帶來的不均勻沉降，在經(jīng)過振沖密實(shí)和強(qiáng)夯處理之后，對(duì)重箱堆場(chǎng)范圍內(nèi)鋪面結(jié)構(gòu)層底面以下1.5 m深度的回填砂(CBR≥8%)采用分層回填碾壓(每次分層厚度不大于40 cm)的二次加強(qiáng)措施進(jìn)行密實(shí)。提高重箱堆場(chǎng)基礎(chǔ)承載力、基床強(qiáng)度以及壓實(shí)度，減少由于地基的不均勻沉降對(duì)堆場(chǎng)上部結(jié)構(gòu)的影響。

其次，對(duì)于聯(lián)鎖塊鋪面下的類條形基礎(chǔ)，如果按彈性地基梁的模式進(jìn)行計(jì)算，雖然計(jì)算方法成熟、受力明確，但未考慮聯(lián)鎖塊的傳荷作用偏保守。英國(guó)The Structural Design of Heavy Duty Pavements for Ports and other Industries[3](以下簡(jiǎn)稱Heavy duty pavements)以彈性層狀理論體系為基礎(chǔ)，以基層層底拉應(yīng)變作為有效控制約束條件，采用軸對(duì)稱理想化有限元模型進(jìn)行模擬分析，適用于連片式基層。而對(duì)于聯(lián)鎖塊鋪面型式箱角基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)結(jié)構(gòu)本身來說，只要基層層底拉應(yīng)變不超過材料彎拉強(qiáng)度即為安全的。但目前國(guó)際上尚缺乏成熟的計(jì)算方法，為此，參考英國(guó)Heavy duty pavements的設(shè)計(jì)原理，對(duì)不同寬度的箱角基礎(chǔ)采用有限元方法進(jìn)行驗(yàn)算，從中選取滿足使用要求的條基寬度。該方法考慮了聯(lián)鎖塊的傳荷作用，比較符合實(shí)際狀況。

2.2 優(yōu)化方案

根據(jù)英國(guó)Heavy duty pavements對(duì)箱角區(qū)厚度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算，箱角區(qū)所需厚度為62 cm的抗壓強(qiáng)度為10 MPa的CBM(水泥穩(wěn)定材料)。同時(shí)，結(jié)合本項(xiàng)目的集裝箱堆放要求，重箱堆場(chǎng)考慮20 ft和40 ft集裝箱混合堆放，每2個(gè)20 ft箱位置可堆放1個(gè)40 ft箱，在40 ft堆放時(shí)向一邊偏心33 cm，如圖3所示。

因此，箱角基礎(chǔ)寬度暫按2 500 mm考慮。

另外，箱角基礎(chǔ)之間區(qū)域不作為正常的交通通行使用，不允許任何交通車輛通行，僅允許行人通行，基層厚度減薄，取150 mm。考慮方便施工并兼顧工程投資，采用聯(lián)鎖塊鋪面型式箱角基礎(chǔ)+箱間區(qū)聯(lián)鎖塊鋪面方案，鋪面結(jié)構(gòu)組成見表1。

表1 箱角基礎(chǔ)+箱間區(qū)聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)組成表

重箱堆場(chǎng)鋪面結(jié)構(gòu)橫斷面圖見圖4。

2.3 采用有限元方法對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)算

模型采用國(guó)際通用有限元軟件PLAXIS 3D進(jìn)行分析，集裝箱箱角基礎(chǔ)采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬賦予混凝土的屬性，聯(lián)鎖塊、條形基礎(chǔ)間回填材料、碎石墊層以及下部回填砂均用實(shí)體單元進(jìn)行模擬賦予各層土的屬性，混凝土單元與土單元之間采用界面單元模擬，模型如圖5所示。

集裝箱箱角荷載按堆高6層重箱考慮，單箱為274.3 kN[1]，共6排箱。條形基礎(chǔ)采用CBM3，彈性模量33 GPa，容重23 kN/m3，泊松比0.15(見圖6，圖7)。所對(duì)應(yīng)材料CBM3R的強(qiáng)度按英國(guó)Heavy duty pavements推薦的TRL Report TRL615-Development of a more versatile approach to flexible and flexible composite pavement design[4]選取(見表2)。

表2 CBM性能表

分別對(duì)2 m，2.5 m兩種不同寬度的條形基礎(chǔ)進(jìn)行試算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 條形基礎(chǔ)彎拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可看出，在未考慮集裝箱荷載與材料分項(xiàng)系數(shù)的前提下，條基寬度取2.5 m、厚度為62 cm、基層材料為CBM3R時(shí)，條形基礎(chǔ)層底荷載彎拉應(yīng)力小于材料彎拉強(qiáng)度，滿足要求?；鶎硬牧峡蛇x擇CBM3R或相同強(qiáng)度的貧混凝土，施工時(shí)可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、施工難易程度綜合進(jìn)行選擇。

3 結(jié)語

對(duì)于重箱堆場(chǎng)，結(jié)合箱角區(qū)作用荷載遠(yuǎn)比箱間區(qū)大的受力特點(diǎn)，進(jìn)行鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)箱角區(qū)和箱間區(qū)分別對(duì)待。經(jīng)優(yōu)化之后的重箱堆場(chǎng)鋪面形式相對(duì)于連片式聯(lián)鎖塊鋪面更為經(jīng)濟(jì)，在滿足使用要求的同時(shí)降低了工程造價(jià)，提高了海外項(xiàng)目投標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于地基條件較差、下臥軟土層厚、殘余沉降大的集裝箱碼頭，不推薦此方案。此外，為從根本上解決集裝箱“擱肚子”現(xiàn)象的發(fā)生，建議集裝箱采用20 ft和40 ft分區(qū)堆放的方式，但由此帶來的堆場(chǎng)利用率降低應(yīng)如何解決，有待研究。

[1] JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范[S].

[2] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] John Knapton.The Structural Design of Heavy Duty Pavements for Ports and other Industries,EDITION 4,Published by Interpave,2007.

[4] TRL Report TRL615,Development of a more versatile approach to flexible and flexible composite pavement design,first published 2004.

Design optimization on pavement for container yard of British standard and engineering example

LIAO Yuan YUAN Jing-bo

(CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou510230,China)

Combining with the stress features of heavy container yard, the article explores matters needing attention in designing container yard pavement structure, introduces its optimizing design scheme, and testifies the optimized scheme by applying finite element method. The calculation result shows that: the optimized heaving container yard pavement is more economic than the continuous interlocking block harbor block pavement.

container yard, paving, optimization, design

1009-6825(2014)11-0087-03

2014-02-04

廖 源(1981- )，男，工程師； 袁靜波(1964- )，女，高級(jí)工程師

U291.51

A