集裝箱堆場面層結(jié)構(gòu)比選

王敏

（中遠太平洋有限公司，上海 200080）

1 概述

隨著我國集裝箱運輸量的大幅上升，需要建設(shè)大量的集裝箱堆場來滿足堆箱和中轉(zhuǎn)的需求。集裝箱堆場與一般散貨或件雜貨堆場不同，它承受箱角集中荷載和流動運輸荷載作用，一般堆場的標準箱堆高都在3層以上，流動荷載包括輪胎式龍門吊或軌道式龍門吊、正面吊運機、鏟車和集裝箱拖掛車等，對承載力和不均勻沉降的要求較高，因此選用何種面層結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的基層結(jié)構(gòu)，將直接影響到堆場施工工藝、使用效果和經(jīng)濟性等。

當前國內(nèi)集裝箱堆場最常用的面層結(jié)構(gòu)形式有2種：現(xiàn)澆混凝土面層和高強聯(lián)鎖塊面層，面層結(jié)構(gòu)的選用主要考慮堆場工藝荷載、地基和基礎(chǔ)條件、使用的可靠性和經(jīng)濟造價等方面因素。現(xiàn)澆混凝土面層是以往最常用的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算理論嚴謹可靠，施工條件成熟，使用經(jīng)驗豐富；聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，以前大多用于廣場、人行道和其它生產(chǎn)、生活休閑區(qū)，自開發(fā)高強聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)后，其性能也完全滿足集裝箱重箱堆場的使用要求，因此被逐步推廣使用，但相對于混凝土面層結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)的研究深度仍有欠缺，除此以外，不同地域的使用習(xí)慣也是選用面層結(jié)構(gòu)的重要因素。

2 使用經(jīng)驗及可靠性

現(xiàn)澆混凝土面層的使用歷史較長，國內(nèi)最大的港口上海港，以及北方的天津港、大連港等仍然大量沿用這種傳統(tǒng)的面層結(jié)構(gòu)，但是隨著20世紀90年代我國南方集裝箱吞吐量和運輸量的急劇增長，在積極吸取國外集裝箱堆場建設(shè)和使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，高強聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)得到了廣泛的推廣和使用，我國南方有深圳鹽田港二、三期工程、赤灣港、蛇口港和華南物流中心等，華東地區(qū)有南京龍?zhí)都b箱港、南通港、張家港和太倉中遠國際城等長江中下游的重要集裝箱樞紐港，已經(jīng)或正在采用聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)，從此趨勢發(fā)展看，高強聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)正在逐漸取代傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土面層，成為一種新穎、成熟、可靠的面層結(jié)構(gòu)形式。

集裝箱場地分為堆箱區(qū)和流動機械行駛區(qū)，根據(jù)各個分區(qū)使用荷載的不同，相應(yīng)的面層和基層結(jié)構(gòu)、厚度也各不相同。對于現(xiàn)澆混凝土面層，一般需設(shè)置集裝箱箱角基礎(chǔ)和龍門吊作業(yè)條形基礎(chǔ)，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)上部較重荷載的受力要求，其它區(qū)域考慮荷載較小的流動機械作業(yè)，如集裝箱拖掛車等，可采用現(xiàn)澆混凝土大板結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)置使整個場區(qū)結(jié)構(gòu)分區(qū)合理，具有較高的安全可靠性。對于高強聯(lián)鎖塊面層，既可采用上述分區(qū)鋪設(shè)不同厚度面層結(jié)構(gòu)的工藝，也可采用滿堂鋪設(shè)法，即采用統(tǒng)一厚度和形式的基面層結(jié)構(gòu)，后者雖然造價稍高，但更有利于集裝箱場地的靈活布置，而且施工簡便快捷，集裝箱場地的周邊道路仍可采用現(xiàn)澆混凝土面層，這是考慮到道路主要供流動機械行走，但在鹽田港等港口，由于采用了更先進合理的施工方法和工藝，道路和堆場可以采用同樣的聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)，使整個場區(qū)顯得統(tǒng)一完整。從使用情況看，高強聯(lián)鎖塊和混凝土面板結(jié)構(gòu)一樣，耐久性好，結(jié)構(gòu)強度高，適合于承受反復(fù)荷載的作用。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論

3.1 計算內(nèi)容

采用現(xiàn)澆混凝土面層結(jié)構(gòu)，主要對鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，包括箱角基礎(chǔ)、輪胎式或軌道式跑道基礎(chǔ)進行計算，箱角填檔區(qū)基本不受荷載作用，可設(shè)置較薄的面層或其它簡易面層，集裝箱運輸通道主要為流動荷載作用，面基層厚度根據(jù)荷載等級計算確定。采用高強聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)，集裝箱堆放區(qū)和其它區(qū)域既可以采用統(tǒng)一的面基層，也可將集裝箱箱角處和其它區(qū)域的面基層分開處理，前者各個區(qū)域?qū)I(yè)適應(yīng)性強，后者可以適當節(jié)省工程投資，聯(lián)鎖塊厚度一般取8 cm、10 cm和12 cm，以下鋪設(shè)3～5 cm的中粗砂墊層，其下為穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 混凝土面層結(jié)構(gòu)

混凝土面層設(shè)計應(yīng)根據(jù)交通等級、荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力和材料特性等計算平面尺寸的劃塊和板厚等參數(shù)，還應(yīng)確定各種位置的接縫、接縫材料的選定以及拉桿、傳力桿的尺寸和間距等，另外，應(yīng)根據(jù)荷載應(yīng)力和基層頂面的回填模量等選用合適的基墊層材料和尺寸，整套結(jié)構(gòu)處理比較繁瑣。混凝土面層的彈性模量及力學(xué)強度大大高于基層和土基相應(yīng)的模量和強度，同時，混凝土的抗彎拉強度遠小于抗壓強度，約為1/6～1/7，因此，混凝土板尺寸的強度指標是抗彎拉應(yīng)力。又由于混凝土板與基層土基之間的摩阻力一般不大，所以在力學(xué)模型上可以把混凝土面層結(jié)構(gòu)視為彈性地基板[1]。

彈性地基板小撓度分析有2種基本理論，一種是克希霍夫（Kirchhoff）理論，忽略了板中橫向剪應(yīng)力對變形的影響，適用于薄板；一種是明特林（Mindlin）理論，考慮了橫向剪應(yīng)力對變形的影響，適用于中厚板。由于混凝土面層受荷后主要是彎拉應(yīng)力（或彎矩）控制設(shè)計，彎沉不作為設(shè)計控制值，一般可根據(jù)有限元分析成果，繪制不同荷載、不同工況下混凝土板主要剖面上的彎矩和彎拉應(yīng)力分布圖，從而進行面層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2.2 高強聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)

高強聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，聯(lián)鎖塊間距以2～3 mm為宜，用砂粒填充，防止各個塊體的移動，使塊體間發(fā)揮咬合作用。一般聯(lián)鎖塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of interlocking blocks

一般的多面層結(jié)構(gòu)，按分層的E、U值的軸對稱有限元處理，而對于聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)，將其簡化為具有接縫元、墊砂元的軸對稱處理，主要假定如下[2]：

1）塊體與其余層均用E、U表征其力學(xué)特性；

2）接縫單元橫向傳遞擠壓力，豎向傳遞剪力；

3）墊砂元考慮為一個沒有厚度的層次。

按照已有的工程設(shè)計和使用經(jīng)驗，塊體厚度與荷載相適應(yīng)，荷載作用次數(shù)多，宜選用厚度大的塊體，最小厚度不宜小于8 cm，基層厚度根據(jù)基層類型、基層以下回填模量和荷載情況確定[3]。

4 施工工藝

現(xiàn)澆混凝土面層結(jié)構(gòu)的施工工藝較繁，混凝土為機械攪拌，采用自卸汽車運輸至現(xiàn)場，混凝土的攤鋪、振搗、養(yǎng)護均應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求進行，接縫的位置和施工方法應(yīng)按接縫設(shè)計要求確定，每日攤鋪的混凝土應(yīng)做抗壓、彎拉和劈裂抗拉強度試驗，混凝土面層在冬季和夏季施工時還應(yīng)有相應(yīng)的覆蓋措施。高強聯(lián)鎖塊面層采用預(yù)制塊體，預(yù)制塊應(yīng)滿足抗壓強度、抗凍性、厚度、邊長等設(shè)計要求，聯(lián)鎖塊直接運送至現(xiàn)場進行鋪設(shè)，采取分區(qū)分段鋪筑法，施工工藝和質(zhì)量控制相對簡便。

對于集裝箱堆場，如果采用混凝土面層結(jié)構(gòu)，由于箱角基礎(chǔ)、填檔區(qū)和集裝箱運輸通道的基面層形式和結(jié)構(gòu)層厚度各不相同，各使用區(qū)域結(jié)構(gòu)層的銜接比較復(fù)雜，施工難度較大，施工進度相應(yīng)較慢。如果采用高強聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)，按照目前常用的滿堂式鋪設(shè)工藝，采用統(tǒng)一的基墊層結(jié)構(gòu)和厚度，可以大大地簡化施工工藝，加快施工進度。

5 使用效果

現(xiàn)澆混凝土面層具有較高的抗壓強度、抗彎強度、抗磨耗能力，有較好的水穩(wěn)性、熱穩(wěn)性和耐久性，能承受頻繁交通，但對地基不均勻沉降適應(yīng)性較差，一旦發(fā)生不均勻沉降，面層會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，在使用過程中養(yǎng)護費用少，但發(fā)生破壞后修復(fù)困難，因此，如果采用混凝土面層，對地基和基礎(chǔ)處理的要求較高，地基在使用期的殘余沉降量應(yīng)控制在30 cm以內(nèi)。

高強混凝土聯(lián)鎖塊的主要特點是對地基不均勻沉降適應(yīng)性強，在使用過程中易于維修，地基在使用期的殘余沉降量可控制在50 cm以內(nèi)。此外，根據(jù)近幾年國內(nèi)外集裝箱流量的數(shù)據(jù)分析，很多集裝箱港和專用堆場的實際堆存量都超過了設(shè)計負荷要求，如果采用混凝土面板結(jié)構(gòu)，很難對其原有配置的結(jié)構(gòu)強度厚度等進行調(diào)整，在臨時超負荷作用下產(chǎn)生的破損也較難修復(fù)，而聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)易拆除更換，適應(yīng)堆載工藝的變化，即使產(chǎn)生壓裂等現(xiàn)象，也可以迅速維修或更換，保證生產(chǎn)的正常進行。

對比國內(nèi)幾個典型港區(qū)道路堆場面層使用效果分析，上海的一些老港區(qū)以及新建的外高橋等港區(qū)的堆場道路均采用了現(xiàn)澆混凝土面層結(jié)構(gòu)，這些港區(qū)的地質(zhì)條件均較好，混凝土結(jié)構(gòu)的使用效果比較理想，但在一些地質(zhì)條件較差的港區(qū)，混凝土面層在使用了幾年后即出現(xiàn)凹曲、破損等現(xiàn)象，由于使用期殘余沉降較大，局部的堆場面層標高低于排水或電纜溝等構(gòu)筑物的標高，且無法很好修復(fù)，暴露出混凝土面層結(jié)構(gòu)的缺陷。在一些工程中采用了高強聯(lián)鎖塊的面層形式，在地質(zhì)較差、使用荷載較大的情況下，聯(lián)鎖塊采用滿堂式布置，使用至今無論堆場表面平整性、塊體耐久性等指標均正常，期間由于集裝箱量的增大，使聯(lián)鎖塊的負重有所增加，雖然造成局部箱角處塊體的破裂，但及時予以更換維修，體現(xiàn)了聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點。

6 經(jīng)濟比較

表1為典型集裝箱堆場工程選用面層結(jié)構(gòu)的造價比較。

表1 集裝箱堆場面層結(jié)構(gòu)造價比較Table 1 Pavementstructure cost com parison of container yard

表1顯示，一般聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)的造價略低于混凝土面層結(jié)構(gòu)的造價。造價比較時應(yīng)注意以下幾點：

1）表1中聯(lián)鎖塊基層采用貧混凝土，很多工程亦可采用水泥穩(wěn)定層，要求水泥穩(wěn)定層的彈性模量能滿足計算彎沉值在規(guī)范控制值內(nèi)，造價會有所下降。

2）聯(lián)鎖塊面層在結(jié)構(gòu)整體強度方面較混凝土結(jié)構(gòu)稍差，在使用過程中的維修頻率也略高于混凝土面層，因此還應(yīng)視工程實際情況適當計入維修調(diào)整費用。

3）當選用非統(tǒng)一形式的聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)時，造價會進一步下降。

7 結(jié)語

高強聯(lián)鎖塊面層結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便合理、施工工藝成熟可靠、對地基沉降適應(yīng)性強、使用期易調(diào)整維修、使用效果佳和工程造價較低等優(yōu)點，是近年來集裝箱港口和專用場地普遍采用的面層結(jié)構(gòu)形式，對加快施工進度、節(jié)省工程投資以及適應(yīng)將來堆場工藝的調(diào)整，無疑是非常有利的。在具備材料來源、地質(zhì)及施工條件和使用要求的前提下，建議應(yīng)盡可能選用高強聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)，這也是適應(yīng)了集裝箱堆場建設(shè)的發(fā)展方向。

今后應(yīng)對高強聯(lián)鎖塊在計算理論、材料和施工等方面再作深入研究和優(yōu)化調(diào)整，使之功能和適用性得到進一步增強。例如對聯(lián)鎖塊聯(lián)鎖效果的改進，通過優(yōu)化塊體形狀或在塊體間增加連桿等措施，增強大面積聯(lián)鎖塊結(jié)構(gòu)的整體性；聯(lián)鎖塊施工工藝中，除了傳統(tǒng)的人工鋪塊外，考慮成片的、機械化施工的新工藝等。

[1] 翟曉鵬，楊賀.白色混凝土路面的破壞形式與設(shè)計標準[J].黑龍江交通科技，2008（11）：48-49.ZHAIXiao-peng,YANGHe.Failuremode and design standard of white concrete pavement[J].Communications Scienceand Technology Heilongjiang,2008(11)：48-49.

[2] 清華大學(xué)港工科研組.高強聯(lián)鎖塊鋪面結(jié)構(gòu)分析軟件SAPBPTH94[M].北京：清華大學(xué)，1994.Port Engineering Team of Tsinghua University.High-strength interlocking blocks pavement structure analysis software SAPBPTH94[M].Beijing：Tsinghua University,1994.

[3] 孫立軍.現(xiàn)代聯(lián)鎖塊鋪面[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2000.SUN Li-jun.Modern interlocking block pavement[M].Shanghai：TongjiUniversity Press,2000.