散貨堆場堆取料機軌道基礎(chǔ)設(shè)計方法探討

李倩 廣東省航道測繪中心（廣東省航道技術(shù)保障中心）

1.前言

大型散貨堆場主要采用堆取料機進行裝卸作業(yè)，堆取料機軌道基礎(chǔ)采用樁基+軌道梁是常用的一種結(jié)構(gòu)形式，具有占地面積小，地基沉降適應(yīng)性好，施工方便快捷等優(yōu)點。大型散貨堆場一般承受較大堆貨荷載且荷載面積大，軟弱地基易產(chǎn)生變形和不均勻沉降，土層壓的縮沉降產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力，從而引起對樁基的下拉荷載。結(jié)合工程實例，探討軟弱地基堆取料機軌道基礎(chǔ)計算方法。

2.工程概況

某工程位于長江下游，工程擬建設(shè)1個散貨泊位、2個件雜貨泊位以及港口陸域配套設(shè)施。港區(qū)后方布置有散貨堆場，采用堆取料機作業(yè)，共布置2條堆取料機運輸線，每條堆取料機基礎(chǔ)長310m，基礎(chǔ)頂面高于地面2.0m。

2.1 工藝荷載

（1）堆取料機：軌距：10 m，堆取料機輪數(shù)：20×2 個，輪距：0.85m，最大輪壓：300kN，軌道型號QU100。

（2）散貨堆場均載200kPa。

2.2 工程地質(zhì)

堆場區(qū)域覆蓋層厚度大，土層主要分布如下：①1人工填土：雜色，松散狀，稍濕；②1淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：褐灰色、灰褐色，流塑～軟塑狀；②2粉質(zhì)黏土：褐灰色，流塑～可塑狀，很濕～飽和；③粉細砂：灰色、灰綠色，飽和，稍密～中密狀、局部松散狀；③1粉質(zhì)黏土：灰黃色、褐黃色、灰綠色，可塑狀；④粉細砂：灰黃色、褐黃色，飽和，呈中密～密實狀；④1粉質(zhì)黏土：灰黃色、灰綠色、灰色，可塑～硬塑；⑤1粉細砂：灰黃色、灰色，飽和，中密～密實狀。地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2.3 堆取料機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)工程地質(zhì)資料分析，堆場區(qū)域20 m 厚范圍內(nèi)土層標準貫入擊數(shù)較低，多在2～15擊，散貨堆場區(qū)荷載較大，對地基承載力及沉降要求較高，而堆場區(qū)域淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土層屬于較高壓縮性土，在堆載不均勻的情況下容易產(chǎn)生變形及不均勻沉降，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)宜采用樁基結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)工藝要求軌道梁基礎(chǔ)頂面高于地面2.0m，故堆取料機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。軌道梁截面為倒T 型，梁外側(cè)設(shè)置T 型懸挑板，兩根軌道梁之間由橫撐、面板組成一個架空式結(jié)構(gòu)，軌道梁下部采用直徑為0.7m的PHC樁作為基礎(chǔ)，樁間距為3.5m。因堆場區(qū)堆載離樁基很近，為了抵抗單側(cè)堆場產(chǎn)生的側(cè)壓力，保證軌道梁的橫向穩(wěn)定，在軌道中間增加斜樁，每7m設(shè)置1根斜樁。軌道基礎(chǔ)斷面圖見圖2。

圖2 軌道基礎(chǔ)斷面圖

3.軌道基礎(chǔ)計算

3.1 軌道基礎(chǔ)計算方法

軌道基礎(chǔ)可看作是擱置在地基上與地基緊密相貼的梁，可按溫克爾彈性地基梁進行分析計算。溫克爾彈性地基梁是把地基模擬為剛性底座上無限多個各自孤立的彈簧，地基上單位面積受到的壓力P與地基表面的沉降w成正比，由于彈簧是彼此獨立的，故各點的沉降只在該點局部產(chǎn)生，其他地方不產(chǎn)生任何沉降。溫克爾假設(shè)忽略了地基變形整體性與連續(xù)性，不能全面的反應(yīng)地基的變形情況，地基表面某點承受壓力，實際上沉降不僅發(fā)生在該點產(chǎn)生，也發(fā)生在壓力作用點以外的地方。雖然這個假設(shè)在理論上有一定的缺陷，但是它考慮到了梁與地基間的相對剛度的影響，選用合適的地基系數(shù)其計算結(jié)果能滿足工程上的要求，并且溫克爾假設(shè)計算較方便，故獲得廣泛使用。

軌道基礎(chǔ)采用易工CAD多跨連續(xù)梁軟件進行分析，軌道基礎(chǔ)分段布置，用豎向的彈性支承約束模擬地基，地基基床反力系數(shù)K=10000kN/m，樁基支撐處設(shè)置豎向彈性支撐，豎向彈性支撐為530000kN/m。彈性地基梁模型圖見圖3。軌道基礎(chǔ)計算結(jié)果見表1。

圖3 彈性地基梁模型圖

表1 軌道基礎(chǔ)計算結(jié)果

3.2 樁基負摩阻力計算

當樁基周圍存在軟弱土層，鄰近樁側(cè)地面承受較大的長期堆貨荷載時，要考慮土層沉降對樁側(cè)引起的負摩阻力。當樁穿越厚度為lo的高壓縮士層，樁端設(shè)置于較堅硬的持力層時，在樁的某一深度ln以上，土的沉降大于樁的沉降，在該段樁長內(nèi)，樁側(cè)產(chǎn)生負摩阻力；ln深度以下的可壓縮土層，土的沉降小于樁的沉降，土對樁產(chǎn)生正摩阻力，在ln深度處，樁土相對位移為零，既沒有負摩阻力，又沒有正摩阻力，習(xí)慣上稱為中性點。

負摩阻力的計算在水運工程相關(guān)規(guī)范中并未提到，可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進行計算。計算方法如下：

中性點以上單樁樁周第i層土負摩阻力標準值可按下式計算：

當?shù)孛娣植即竺娣e荷載時：式中：q—第i層土樁側(cè)負摩阻力標準值，當按式（1）計算值大于正摩阻力標準值時，取正摩阻力標準值進行設(shè)計；ε—樁周第i 層土負側(cè)摩阻力系數(shù)（飽和軟土取0.15～0.25；粘性土、粉土取0.25～0.40；砂土取0.35～0.5；自重濕陷性黃土取0.20～035）；σ'—樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力；σ'—由土自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力；γ、γ—分別為第i計算土層和其上第e土層的重度，地下水位以下取浮重度；Δz、Δz——第i層土、第e層土的厚度；P—地面均布荷載。

一般來說，隨著沉降趨于穩(wěn)定，中性點也將穩(wěn)定在某一固定的深度ln處。中性點深度ln見表2。

表2 中性點深度ln

注：①ln、lo——分別為自樁頂算起的中性點深度和樁周軟弱土層下限深度；

②樁穿過自重濕陷性黃土?xí)r，ln可按表列值增大10%（持力層為基巖除外）；

③當樁周土層固結(jié)與樁基固結(jié)沉降同時完成時，取ln=0；

④當樁周土層計算沉降量小于20 mm 時，l n 應(yīng)按表列值乘以0.4～0.8折減。

根據(jù)以上公式計算樁周各土層負摩阻力標準值均大于正摩阻力標準值，取正摩阻力標準值進行設(shè)計。按摩擦樁計算中性點以上的下拉荷載，中性點以上下拉荷載計算值見表3。

表3 中性點以上下拉荷載計算值

3.3 樁基軸向承載力設(shè)計值

對于樁基軸向承載力設(shè)計，應(yīng)考慮中性點（按樁端持力層性質(zhì)取值）以上負摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載，樁基豎向承載力設(shè)計值應(yīng)大于樁基軸向力和負摩阻力引起的下拉荷載之和。即：樁基豎向承載力設(shè)計值（Q）＞樁基軸力（Nk）+負摩阻力引起的下拉荷載（Q）。本工程豎向承載力設(shè)計值為3505KN，3505＞2351+1029=3380。

4.結(jié)論

軌道基礎(chǔ)在軟弱土層且地面承受較大的長期散貨堆載情況下，土層沉降產(chǎn)生的作用于樁側(cè)的負摩阻力不容忽視。作為一種簡化，中性點以上產(chǎn)生負摩阻力，負摩阻力引起樁基下拉荷載。負摩阻力計算方法可參考建筑樁基技術(shù)規(guī)范，樁基承載力也應(yīng)考慮負摩阻力引起的樁基下拉荷載。