重力式碼頭基床水下錘夯有效加固深度的分析

■林同欽

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州350001)

重力式碼頭基床水下錘夯有效加固深度的分析

■林同欽

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州350001)

本文結(jié)合某碼頭工程，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬計算得到重錘夯實(shí)過程中，基床底部的瞬時應(yīng)力以及沉降值大小。分析探討重夯錘、大落距對基床深處的應(yīng)力及沉降值的影響。從瞬時應(yīng)力以及沉降值大小方面，探討基床夯實(shí)分層厚度加大的可行性，為今后類似工程提供借鑒。

重力式碼頭水下錘夯加固深度有限元

1 前言

重力式碼頭是一種常用的碼頭結(jié)構(gòu)形式，目前大部分重力式碼頭基礎(chǔ)采用拋石基床。水下拋石基床的密實(shí)方法中，錘夯法和爆夯法是最常用的兩種方法，各自的優(yōu)缺點(diǎn)為：錘夯法施工機(jī)動靈活，對周邊建筑物產(chǎn)生的地震效應(yīng)影響小，施工干擾小，但施工成本高、施工速度慢；爆夯法施工成本低，施工速度快，但對周邊環(huán)境（建筑物等）產(chǎn)生的地震效應(yīng)明顯，受周邊環(huán)境的制約，如距離相臨碼頭或村莊太近時無法采用爆夯工藝，或者施工海域有國家級保護(hù)動物等將制約爆夯施工。

本研究依據(jù)碼頭工程所屬項(xiàng)目于2008年開工建設(shè)，為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭基床設(shè)計頂標(biāo)高-17.0m，基床厚度從14～17m不等，基床頂寬為21.3m，底寬約38m。工程臨近周邊村莊和油庫，且工程施工水域是國家一級保護(hù)動物——中華白海豚活動的核心區(qū)域，基床夯實(shí)采用爆夯工藝存在較大難度和風(fēng)險?？紤]以上因素，該工程拋石基床夯實(shí)采用錘夯法。根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》（JTS 167-2-2009）規(guī)定，采用錘夯法“每層厚度宜基本相等，夯實(shí)后厚度不宜大于2m”。對于該工程中達(dá)14～17m厚的基床而言，如果按照規(guī)范推薦的2m/層的分層錘夯工藝，基床夯實(shí)必將花費(fèi)大量的時間，施工效率低，施工成本也將顯著提高。為此，進(jìn)行水下超厚基床重錘夯實(shí)技術(shù)研究，通過增加單位夯擊能量和基床分層厚度，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬計算得到重錘夯實(shí)過程中，基床底部的瞬時應(yīng)力以及沉降值大小，分析探討采用15t重的夯錘，落距為4m，對基床4m深處的應(yīng)力及沉降值的影響，探討將該工程部分段基床（其余段基床夯實(shí)分層厚度仍采用規(guī)范推薦的2m）夯實(shí)分層厚度由規(guī)范所推薦的2m加大至4m的可行性，有助于降低施工成本，提高施工效率。

2 分析方法

通過有限元數(shù)值模擬計算，得到重錘夯實(shí)過程中，基床底部的瞬時應(yīng)力以及沉降值大小。設(shè)定兩種工況，工況一為15t重的夯錘，落距為4m產(chǎn)生的夯擊能進(jìn)行重錘夯實(shí)，計算得到基床4m深處的應(yīng)力及沉降值；工況二為按規(guī)范所推薦的能量進(jìn)行重錘夯實(shí)，計算得到基床2m深處的應(yīng)力及沉降值；經(jīng)過對兩種工況計算結(jié)果的比較，驗(yàn)證該碼頭工程中擬采用的大夯擊能的方法能對4m厚的基床進(jìn)行有效加固的可行性。

3 有限元建模

取基床的長、寬、高各為10m進(jìn)行分析?？紤]到長、寬方向的對稱性，為了減少節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)，加快計算速度，長、寬方向各取一半，即取模型的1/4進(jìn)行計算。有限元模型示意圖如圖1所示。其中邊界條件如下：對基床底面進(jìn)行z向位移約束，對側(cè)面進(jìn)行x向或y向位移約束。

圖1 有限元模型（立體示意圖和平面示意圖）

4 計算結(jié)果分析

4.1 工況一計算結(jié)果

按15t重的夯錘，落距為4m產(chǎn)生的夯擊能進(jìn)行重錘夯擊。計算得到的沉降云圖如圖2和3所示。

圖2 沉降云圖

圖3 沉降云圖

截取z=6，即基床4m深處的截面，其沉降云圖如圖4所示，該深度中心點(diǎn)的沉降值為1.38cm。

圖4 基床4m深處沉降云圖

應(yīng)力方面，取最接近4m深的645號節(jié)點(diǎn)（深度為4.33m），作出應(yīng)力-時間曲線如圖5所示。

從圖5可見，在0.0715s時，該節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大應(yīng)力，為107.38kPa，扣除掉該節(jié)點(diǎn)重力荷載47.63kPa，得附加應(yīng)力為59.75kPa。

4.2 工況二計算結(jié)果

按規(guī)范所規(guī)定的能量進(jìn)行重錘夯擊，計算得到基床2m深處的應(yīng)力及沉降值。

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》規(guī)定：夯錘不計浮力、阻力等影響時，每夯的沖擊能不宜小于120kJ/m2。對于本工程所采用的重量為15t，底面積為1.77m2的夯錘，當(dāng)錘落距為1.5m時，不計浮力、阻力等影響時每夯的沖擊能為127kJ/m2，滿足規(guī)范要求。因此計算中選取夯錘落距為1.5m進(jìn)行計算。計算得到的沉降云圖如圖6和7所示。

圖5 應(yīng)力-時間曲線

圖6 沉降云圖

圖7 沉降云圖

其中，基床2m深處中心點(diǎn)的沉降值為0.73cm，小于工況一中4m深處的沉降值1.38cm。

另外，提取最接近2m深的節(jié)點(diǎn)（深度為1.92m），作出應(yīng)力-時間曲線如圖8所示。

從圖8可見，該節(jié)點(diǎn)最大豎向應(yīng)力σzz為76.59kPa，扣除掉該節(jié)點(diǎn)的重力荷載21.13kPa，得附加應(yīng)力為55.46kPa。

4.3 計算結(jié)果比較

為了便于比較，將工況一、二的計算結(jié)果匯總于表1中。

表1 計算結(jié)果比較

從表1可見，無論是從夯擊時的瞬時附加應(yīng)力大小對比，還是從基床底部夯沉量對比來看，采用夯錘夯實(shí)4m厚基床的密實(shí)效果都是可以得到保證的。

5 實(shí)施效果

5.1 施工期沉箱沉降觀測

拋石基床夯實(shí)效果的好壞，將直接決定沉箱在安裝放置、箱內(nèi)回填、后方回填棱體以及胸墻澆筑等施工時該段沉箱沉降值的大小，對沉箱沉降的觀測，可用以檢驗(yàn)拋石基床的夯實(shí)效果。本工程共計安裝33件沉箱，在沉箱安放、箱內(nèi)回填、后方回填、胸墻澆筑等四個階段，拋石基床均會受到荷載而發(fā)生一定的壓縮沉降，因此在施工過程中，尤其是在這四個階段，對沉箱進(jìn)行嚴(yán)密的沉降觀測。如圖9所示，1號沉箱所在位置的基床采用分層厚度為2m進(jìn)行錘夯。為了對比拋石基床不同分層厚度的夯實(shí)效果，另選取26號沉箱的沉降觀測資料進(jìn)行對比分析，該沉箱所在位置的拋石基床所有分層均采用重錘夯實(shí)法進(jìn)行密實(shí)施工（即基床分層厚度為4m）。由圖9可知，26號沉箱的沉降觀測結(jié)果所反映的規(guī)律與1號沉箱基本一致。

圖8 應(yīng)力-時間曲線

圖9 1號沉箱與26號沉箱沉降觀測結(jié)果對比

表2給出1號、26號兩件沉箱在各個施工階段的沉降值對比：

表2 沉箱沉降值對比表

可見，采用分層厚度增加之后的重錘夯實(shí)法進(jìn)行拋石基床密實(shí)施工，其夯實(shí)效果與采用規(guī)范推薦的分層厚度錘夯施工的效果相當(dāng)。

5.2 完工后沉降位移觀測

本工程于2015年9月28日完工，從2015年10月開始委托第三方監(jiān)測機(jī)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測。至2016年12月，根據(jù)觀測結(jié)果，1號沉箱（基床厚度約6m）最近位置碼頭觀測點(diǎn)累積沉降量16mm，位移累積量5mm；26號沉箱（基床厚度約17m）最近位置碼頭觀測點(diǎn)累積沉降量15mm，位移累積量7mm，基床夯實(shí)效果良好。

6 結(jié)論

通過有限元數(shù)值模擬計算，得到重錘夯實(shí)過程中，基床底部的瞬時應(yīng)力以及沉降值大小，對兩種工況計算結(jié)果的比較，可知采用15t重夯錘、落距4m產(chǎn)生的夯擊能足以對4m厚拋石基床進(jìn)行有效夯實(shí)。經(jīng)過工程實(shí)體驗(yàn)證，本研究中的碼頭工程采用的提升夯擊能的方法可行，能對分層厚度4m的基床進(jìn)行有效加固。綜上，在重力式碼頭施工中，通過加大夯錘重量、適當(dāng)增加夯錘落距，提升夯擊能的方式，水下拋石基床夯實(shí)分層厚度可適當(dāng)增加，其夯實(shí)效果與《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》所推薦夯擊能、分層厚度的夯實(shí)效果相當(dāng)。