基于有限元計算的自動化堆場軌道基礎(chǔ)方案

廖晨彥，岑學(xué)徐，喬 梁

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州，510290)

自動化集裝箱碼頭堆場通常采用ARMG作業(yè)，其作業(yè)特點(diǎn)是沿固定軌道行駛、自動化程度高，而軌道基礎(chǔ)正是保障RMG平穩(wěn)高效作業(yè)的關(guān)鍵，目前國內(nèi)運(yùn)用成熟的軌道基礎(chǔ)類型主要有樁基軌道梁基礎(chǔ)、復(fù)合地基軌道梁基礎(chǔ)和軌枕道砟式基礎(chǔ)等3種類型[1-3]。隨著國內(nèi)港口自動化、智能化的發(fā)展，軌道基礎(chǔ)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)越來越高，如何在高要求和經(jīng)濟(jì)性之間取得平衡成為了設(shè)計的一大難題。本文基于欽州港大欖坪港區(qū)7#～10#泊位自動化碼頭項(xiàng)目，對軌道梁基礎(chǔ)方案進(jìn)行分析，并提出了一種基于有限元計算分析的優(yōu)化思路。

1 項(xiàng)目概況

欽州港大欖坪港區(qū)自動化碼頭工程位于欽州保稅港區(qū)南端，陸域總面積約63.2萬m2，根據(jù)總平面和工藝設(shè)計，自動化集裝箱堆場相對于碼頭前沿呈U形垂直分布，采用ARMG作業(yè)，跨距37 m，每個支腿6個輪，共4個支腿，工作狀態(tài)輪壓300 kN、非工作狀態(tài)最大輪壓400 kN。

根據(jù)鉆孔資料顯示，場地土層自上而下依次為①填土(主要為中砂)、②1淤泥、②2淤泥質(zhì)土、②3砂混淤泥(或細(xì)砂)、③黏性土、④中粗砂、④1細(xì)砂、侏羅系基巖層。其中軟土層的時空分布不均勻，厚度在0～12.1 m不等?；谲浲翆拥暮穸炔煌诓煌瑓^(qū)域采取了強(qiáng)夯振沖、插板、堆載預(yù)壓等方式進(jìn)行組合處理，處理后交工面承載力能夠達(dá)到150 kPa，工后沉降20 cm。

2 軌道基礎(chǔ)設(shè)計方案

為滿足ARMG高精度作業(yè)的需求，軌道基礎(chǔ)的差異沉降應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)[4]。由于軟土的分布不均勻且厚度較大，差異沉降難以通過強(qiáng)夯、振沖等常規(guī)地基處理方式消除，因此常規(guī)的軌枕道砟軌道基礎(chǔ)和彈性軌道梁擴(kuò)大基礎(chǔ)在本項(xiàng)目中均不適用，后期的差異沉降會導(dǎo)致頻繁的維護(hù)和檢修，同時也會對作業(yè)安全帶來隱患。經(jīng)過綜合考慮，在項(xiàng)目初步設(shè)計階段，軌道基礎(chǔ)方案主要考慮PHC樁基軌道梁和復(fù)合地基軌道梁兩種方案。

2.1 PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)方案

PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)采用直徑0.6 m的AB型PHC樁，間距4.5 m布置，見圖1，軌道梁采用矩形截面梁，寬高尺寸為1.0 m×1.6 m。上部軌道梁與下部樁基通過樁芯現(xiàn)澆連接在一起，形成整體結(jié)構(gòu)。其中PHC樁深入基巖，在為軌道梁提供足夠豎向承載力的同時，通過整體式的結(jié)構(gòu)也為軌道梁提供了強(qiáng)大的抗水平力，有效避免了軌道基礎(chǔ)在使用過程中發(fā)生的水平位移。由于不考慮樁間土的共同作用，樁基軌道梁的截面彎矩比彈性地基梁更大一些，因此截面配筋率也隨之增加。

圖1 PHC樁基軌道基礎(chǔ)方案(單位：mm)

2.2 復(fù)合地基軌道梁基礎(chǔ)方案

根據(jù)鉆孔資料，場地軟土層厚度及分布雖然不均勻，但深度均在20 m以內(nèi)，可以采用水泥攪拌樁對軌道基礎(chǔ)范圍進(jìn)行二次處理，局部提高地基承載力、有效減少工后沉降。

復(fù)合地基采用樁徑0.6 m的水泥攪拌樁垂直于軌道方向相切布置3根，間距0.6 m，沿軌道梁方向樁間距1.2 m；軌道梁兩側(cè)擴(kuò)大處理的3～5排攪拌樁，間距1.4 m×1.4 m，正方形布置。樁體無側(cè)限抗壓28 d齡期強(qiáng)度不小于1.0 MPa。軌道梁結(jié)構(gòu)采用彈性地基梁，倒T形截面(上頂寬×下底寬×高=0.8 m×1.7 m×1.5 m)，在軌道梁下設(shè)置10 cm C15素混凝土墊層、20 cm水穩(wěn)基層和30 cm的級配碎石底基層，形成3層擴(kuò)大基礎(chǔ)，進(jìn)一步減少由軌道傳遞的豎向壓力，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，見圖2。

圖2 復(fù)合地基軌道基礎(chǔ)方案(單位：mm)

2.3 方案比選

針對初設(shè)階段提出的兩種可行方案，從施工工期、質(zhì)量以及沉降控制和造價等方面進(jìn)行了定性和定量的比較[5]，見表1。

表1 初設(shè)階段方案比選

考慮到該項(xiàng)目施工工期緊、對質(zhì)量要求高，為保障項(xiàng)目按期完工和后期的順利運(yùn)營，最終選擇PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)方案作為設(shè)計方案。

3 PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)方案優(yōu)化

3.1 方案優(yōu)化思路

由于方案造價較高，為了縮減項(xiàng)目成本，進(jìn)一步優(yōu)化PHC樁基軌道梁方案，主要從PHC樁的樁徑、樁距以及軌道梁截面3個方面，通過不同的組合比選得到最優(yōu)方案?？紤]PHC樁的持力層位于中風(fēng)化巖層，樁徑確定情況下樁基的承載力是確定的，因此通過比較不同組合下樁基承載力的利用率，可以得到以樁基承載力利用率最大為目標(biāo)的最優(yōu)組合。優(yōu)化思路見圖3。

圖3 優(yōu)化流程

3.2 SAP2000有限元建模分析

以軌道梁29 m的標(biāo)準(zhǔn)段為例，采用SAP2000軟件進(jìn)行有限元建模分析，根據(jù)優(yōu)化思路和中間成果，建立了圖4所示的模型。軌道梁基礎(chǔ)組合建模方案見表2。

圖4 PHC樁基軌道基礎(chǔ)有限元模型

表2 軌道梁基礎(chǔ)組合建模方案

選取場地內(nèi)具有代表性的鉆孔數(shù)據(jù)分別計算不同樁徑PHC樁的承載力特征值，結(jié)果見表3。

表3 PHC樁基設(shè)計承載力特征值

分別計算承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下各組合方案的軌道梁及樁基內(nèi)力，結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)力計算結(jié)果

3.3 優(yōu)化方案分析

3.3.1樁徑的確定

通過比較組合1和組合2軌道梁標(biāo)準(zhǔn)段模型的內(nèi)力(圖5、6，表3)可知，采用800PHC樁后，樁間距擴(kuò)大到了6 m，從而每標(biāo)準(zhǔn)段軌道梁可減少1根樁基，樁基抗壓承載力也從2 263 kN顯著提升到3 516 kN，但承載力的利用率卻從94.1%下降至76.4%，說明樁基承載力有較大富余，如果進(jìn)一步擴(kuò)大樁間距，軌道梁承受的彎矩也會相應(yīng)增加，則原截面將無法滿足。經(jīng)過概算比較每標(biāo)準(zhǔn)段軌道梁造價，組合1仍要高出1 000元左右，因此在承載力足夠的前提下，采用600PHC樁是更優(yōu)選擇。

圖5 組合1軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

3.3.2樁距的確定

在確定了樁徑后，通過比較組合2、3方案確定樁間距。內(nèi)力計算結(jié)果見圖6、7及表4。原方案采用的4.5 m樁間距相對保守，當(dāng)間距擴(kuò)大到5.0 m時，樁基數(shù)量即可減少1根，但如果需要進(jìn)一步減少樁基數(shù)量，則樁間距需要擴(kuò)大至6.0 m以上，會對梁截面彎矩產(chǎn)生較大影響，且通過組合1可知，6.0 m樁間距時的樁軸力將超過600PHC樁的特征值，因此只對4.5 m和5.0 m樁間距進(jìn)行比較。分析組合2與組合3方案標(biāo)準(zhǔn)段軌道梁模型的計算結(jié)果可知，樁間距擴(kuò)大到5.0 m是能夠滿足設(shè)計要求的，且樁基承載力仍有一定富余。

圖6 組合2軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

圖7 組合3軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

3.3.3軌道梁截面優(yōu)化

考慮到600PHC樁在5.0 m間距布置的情況下樁基承載力仍有一定富余，且無法通過擴(kuò)大樁間距實(shí)現(xiàn)樁基數(shù)量的優(yōu)化，因此在此基礎(chǔ)上對軌道梁截面進(jìn)行優(yōu)化比選。由于軌道可調(diào)式基座的寬度要求不小于400 mm，因此軌道梁寬度1 m是比較合理的，調(diào)整優(yōu)化的空間不大，通過組合2、4、5、6，比較梁寬不變情況下減少梁高能否滿足設(shè)計要求是主要的優(yōu)化方向。

比較組合2～6的計算結(jié)果(圖6～10，表4)可知，當(dāng)截面尺寸為1.0 m×1.2 m時，樁基承載力利用率最大，為98.6%，但考慮到場地地質(zhì)條件的不均勻分布，存在局部區(qū)域單樁承載力無法達(dá)到設(shè)計特征值的情況。因此考慮截面尺寸為1.0 m×1.4 m時，樁基承載力利用率達(dá)到96.8%，仍有少量富余，更為合適。

圖8 組合4軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

圖9 組合5軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

圖10 組合6軌道基礎(chǔ)內(nèi)力

4 結(jié)論

1)自動化堆場中軌道基礎(chǔ)是保障ARMG高效安全作業(yè)的關(guān)鍵，在設(shè)計中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和地基處理方案進(jìn)行多方案比選，最終確定最合理的設(shè)計方案。

2)PHC樁基軌道梁方案和復(fù)合地基軌道梁方案是自動化堆場中最常用的兩種方案，PHC樁基能夠消除軌道梁基礎(chǔ)的不均勻沉降，而復(fù)合地基則更具經(jīng)濟(jì)性。

3)通過SAP2000對PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元建模分析，能夠準(zhǔn)確反映出軌道梁與PHC樁基在ARMG動荷載作用下的共同受力狀態(tài)，從而有效指導(dǎo)方案的優(yōu)化設(shè)計。

4)本文提出了一種PHC樁基軌道梁基礎(chǔ)的優(yōu)化思路，并通過SAP2000進(jìn)行有限元建模計算，最終比選優(yōu)化得到適用于本項(xiàng)目的最優(yōu)樁徑、樁距和軌道截面組合。