重力式碼頭基槽開挖及拋石基床設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉全興，劉新明

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430071；2.中交廣州航道局有限公司，廣東廣州 510000；）

引言

部分重力式碼頭存在深開挖、厚基床的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]重力式碼頭基槽底寬不宜小于碼頭墻底寬度與2 倍基床厚度之和，墻后有填土的重力式碼頭基頂應(yīng)力傳遞至基底時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散范圍前端不小于1.5 倍基床厚度，后端不小于0.5 倍基床厚度。拋石基床應(yīng)力擴(kuò)散線見圖1。

圖1 拋石基床應(yīng)力擴(kuò)散線圖

現(xiàn)行規(guī)范指出當(dāng)基床較厚時(shí)可在基床下采用換填方式處理，但未明確指出及槽開挖寬度如何確定，在以往工程設(shè)計(jì)中[2]，曾經(jīng)以換填料的內(nèi)摩擦角來控制換基槽開挖寬度。但是在一些深開挖、厚基床的工程中，以上方式無明確理論依據(jù)，且基槽底部開挖寬度依然較寬，開挖量及回填量依然較大，不利于控制工程投資。影響碼頭基槽開挖以及基床拋石的主要因素為基床應(yīng)力擴(kuò)散，本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)碼頭基床應(yīng)力擴(kuò)散范圍進(jìn)行研究，從而對(duì)基槽開挖及基床拋石進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例

某沿海件雜貨碼頭兼顧汽車滾裝功能，作用于碼頭上荷載較大，工程處強(qiáng)風(fēng)化巖埋深起伏較大，經(jīng)過綜合比較采用重力式方沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱底寬9 m，基床厚度取2～9 m?；蚕聻閺?qiáng)風(fēng)化巖，地基承載力在400 kpa 以上。根據(jù)計(jì)算，基床頂面大小主應(yīng)力分別為252 kpa 與72 kpa，水平作用力為547 kN/m。典型斷面及受力見圖2。本工程基槽開挖及拋石基床投資所占比例較大，因此優(yōu)化開挖及回填量是本工程節(jié)省投資的關(guān)鍵。

圖2 典型斷面及受力圖

3 現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，圖1 中基槽底部前邊線距沉箱前趾的水平距離為1.5 倍基床厚度，基槽底部后邊線距沉箱后趾的水平距離為0.5 倍基床厚度。根據(jù)規(guī)范，基床底部最大最小應(yīng)力見表1。

表1 規(guī)范計(jì)算基床底部應(yīng)力表

4 有限元計(jì)算結(jié)果

4.1 結(jié)構(gòu)模型

Midas-GTS 是專業(yè)巖土有限元計(jì)算軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計(jì)算功能，經(jīng)過國內(nèi)外很多大型工程的運(yùn)用和驗(yàn)算，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。本工程采用的本構(gòu)模型為鄧肯-張非線性彈性模型[3]，該模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以反映土體變形的非線性和彈塑性。本工程基床采用10～100 kg 塊石，持力層為強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，基床前后為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，墻后回填為拋石棱體。將各土層定義為二維平面應(yīng)力單元，模型底部設(shè)置限制水平和豎向移動(dòng)的約束，兩側(cè)設(shè)置限制水平移動(dòng)的約束[4]。材料特性表見表2，模型網(wǎng)格劃分見圖3。

表2 材料特性表

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

4.2 計(jì)算結(jié)果

通過Midas-GTS 分別對(duì)2 m 及9 m 基床進(jìn)行計(jì)算，基床底部應(yīng)力見表3。通過對(duì)比表1 及表3 可知，有限元計(jì)算基床最大應(yīng)力大于規(guī)范計(jì)算值。由有限元計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)基床為2 m 及9 m 時(shí)應(yīng)力擴(kuò)散范圍不同，這說明基床應(yīng)力擴(kuò)散與基床厚度有關(guān)。此外，基床底面應(yīng)力呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小分布，與現(xiàn)行規(guī)范中前大后小分布不同。

表3 有限元計(jì)算基床底部最大應(yīng)力表

5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

以本工程為例，分別對(duì)2 m～9 m 基床進(jìn)行應(yīng)力分析，基床頂應(yīng)力及水平力保持不變。由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著基床厚度的增加，基槽底部前邊線距沉箱前趾的水平距離逐漸減小，基槽底部后邊線距沉箱后趾的水平距離基本不變?；睬岸藨?yīng)力擴(kuò)散角度（與豎直方向夾角）見表4。

由表4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，基床厚度每增加1 m，基床前端應(yīng)力擴(kuò)散角度變小3°左右。當(dāng)基床厚度為1 m 時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角為59°，大于規(guī)范計(jì)算值；當(dāng)基床厚度為2 m 時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角為56°，與規(guī)范計(jì)算相同。當(dāng)基礎(chǔ)厚度為5m 時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角為45°?；埠穸却笥?m 時(shí)，應(yīng)力擴(kuò)散角減小幅度逐漸變小。

表4 不同基床厚度下應(yīng)力擴(kuò)散角

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，基床應(yīng)力擴(kuò)散前端為1.5 倍基床厚度，后端為0.5 倍基床厚度。當(dāng)基床厚度小于4 m 時(shí)，有限元計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算較為吻合，當(dāng)基床厚度大于4 m 時(shí)，基床應(yīng)力擴(kuò)散前端為1.0 倍基床厚度，實(shí)際工程中可據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少基槽開挖及基床回填量。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算，基床底部應(yīng)力分布呈現(xiàn)前大后小的梯形分布，最大應(yīng)力集中在基床前端。有限元計(jì)算基床底部應(yīng)力分布呈現(xiàn)中間大兩端小的分布，最大應(yīng)力集中在基床中部，且隨著基床厚度的加大，基床底部應(yīng)力分布越來越均勻。規(guī)范計(jì)算及有限元計(jì)算基床底應(yīng)力對(duì)比見表5。由表5 可以看出有限元計(jì)算基床底部最大應(yīng)力比規(guī)范計(jì)算大，且基床厚度在3～5 m 時(shí)增加幅度最大，為10 %左右。

表5 規(guī)范及有限元計(jì)算基底最大應(yīng)力對(duì)比

通過有限元計(jì)算可以看出，基床越厚基床應(yīng)力分布越均勻，并呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的分布狀態(tài)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在基床中部，并較均勻的分布，與規(guī)范計(jì)算有較大差異。

6 理論計(jì)算驗(yàn)證

針對(duì)有限元計(jì)算與規(guī)范計(jì)算差異的問題，通過計(jì)算基床底部附加應(yīng)力來驗(yàn)證。將本工程荷載分解成均布荷載、三角形荷載以及水平荷載[5]，沿寬度b 積分可求得地基中任意M 點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力αz。計(jì)算簡圖見圖4～6。

圖4 均布荷載作用下地基附加應(yīng)力

圖5 三角形荷載作用下地基附加應(yīng)力

圖6 水平荷載荷作用下地基附加應(yīng)力

任意M 點(diǎn)的豎向附加應(yīng)力αz見下列公式：

其中，x 為計(jì)算點(diǎn)至原點(diǎn)的水平距離，z 為計(jì)算點(diǎn)深度，b 為基礎(chǔ)頂部寬度，γ為基礎(chǔ)重度。通過計(jì)算基床底部最大應(yīng)力見表6。最大應(yīng)力出現(xiàn)位置距沉箱前趾的水平距離（向后）見表7。

表6 理論計(jì)算基床最大應(yīng)力表

表7 最大應(yīng)力距前趾距離（向后）

通過理論計(jì)算可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本相同，即基底最大應(yīng)力出現(xiàn)在中部靠前位置，且最大應(yīng)力比規(guī)范計(jì)算值大。

7 結(jié)語

1）當(dāng)基床較薄時(shí)，雖然基床底面應(yīng)力分布仍然為中間大兩端小的凸形分布，但最大應(yīng)力分布在基底靠前部分，與現(xiàn)行基本規(guī)范吻合。隨著基床厚度的加大，最大應(yīng)力位置越來越向基床中部靠近，且基床底部應(yīng)力分布越來越均勻，與現(xiàn)行規(guī)范出入較大。

2）有限元及理論計(jì)算基床地面最大應(yīng)力均比規(guī)范計(jì)算最大應(yīng)力大，且基床厚度在3～5 m 時(shí)增幅最大，在10 %左右，工程實(shí)踐中應(yīng)該適當(dāng)留有富余。

3）重力式碼頭應(yīng)力擴(kuò)散范圍與基床厚度有密切關(guān)系，當(dāng)基床厚度小于4 m 時(shí)，前后擴(kuò)散角度與規(guī)范較為接近。但當(dāng)基床厚度大于4 m 時(shí)，基床前端擴(kuò)散角度略小于規(guī)范要求，并隨著基床厚度的加大擴(kuò)散角度逐漸減小，后端擴(kuò)散角度與規(guī)范要求基本接近。實(shí)際工程中可根據(jù)此計(jì)算結(jié)果調(diào)整基槽開挖寬度，當(dāng)基床厚度小于2 m 時(shí)適當(dāng)加大前端開挖范圍，但基床厚度大于4 m 時(shí)可適當(dāng)減小前端開挖范圍。

4）本文通過研究重力式碼頭基床應(yīng)力擴(kuò)散范圍來優(yōu)化基槽開挖及拋石，在本工程中產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似工程提供借鑒。