重力式碼頭基床水下錘夯有效加固深度的分析

■林同欽

(福建省交通建設質量安全監督局，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

(福建省交通建設質量安全監督局，福州350001)

本文結合某碼頭工程，運用有限元數值模擬計算得到重錘夯實過程中，基床底部的瞬時應力以及沉降值大小。分析探討重夯錘、大落距對基床深處的應力及沉降值的影響。從瞬時應力以及沉降值大小方面，探討基床夯實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構形式，目前大部分重力式碼頭基礎采用拋石基床。水下拋石基床的密實方法中，錘夯法和爆夯法是最常用的兩種方法，各自的優缺點為：錘夯法施工機動靈活，對周邊建筑物產生的地震效應影響小，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，但對周邊環境（建筑物等）產生的地震效應明顯，受周邊環境的制約，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動物等將制約爆夯施工。

本研究依據碼頭工程所屬項目于2008年開工建設，為重力式沉箱結構。碼頭基床設計頂標高-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動物——中華白海豚活動的核心區域，基床夯實采用爆夯工藝存在較大難度和風險。考慮以上因素，該工程拋石基床夯實采用錘夯法。根據《重力式碼頭設計與施工規范》（JTS 167-2-2009）規定，采用錘夯法“每層厚度宜基本相等，夯實后厚度不宜大于2m”。對于該工程中達14～17m厚的基床而言，如果按照規范推薦的2m/層的分層錘夯工藝，基床夯實必將花費大量的時間，施工效率低，施工成本也將顯著提高。為此，進行水下超厚基床重錘夯實技術研究，通過增加單位夯擊能量和基床分層厚度，運用有限元數值模擬計算得到重錘夯實過程中，基床底部的瞬時應力以及沉降值大小，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（其余段基床夯實分層厚度仍采用規范推薦的2m）夯實分層厚度由規范所推薦的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

通過有限元數值模擬計算，得到重錘夯實過程中，基床底部的瞬時應力以及沉降值大小。設定兩種工況，工況一為15t重的夯錘，落距為4m產生的夯擊能進行重錘夯實，計算得到基床4m深處的應力及沉降值；工況二為按規范所推薦的能量進行重錘夯實，計算得到基床2m深處的應力及沉降值；經過對兩種工況計算結果的比較，驗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進行分析。考慮到長、寬方向的對稱性，為了減少節點及單元數，加快計算速度，長、寬方向各取一半，即取模型的1/4進行計算。有限元模型示意圖如圖1所示。其中邊界條件如下：對基床底面進行z向位移約束，對側面進行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 計算結果分析

4.1 工況一計算結果

按15t重的夯錘，落距為4m產生的夯擊能進行重錘夯擊。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，該深度中心點的沉降值為1.38cm。

圖4 基床4m深處沉降云圖

應力方面，取最接近4m深的645號節點（深度為4.33m），作出應力-時間曲線如圖5所示。

從圖5可見，在0.0715s時，該節點達到最大應力，為107.38kPa，扣除掉該節點重力荷載47.63kPa，得附加應力為59.75kPa。

4.2 工況二計算結果

按規范所規定的能量進行重錘夯擊，計算得到基床2m深處的應力及沉降值。

根據《重力式碼頭設計與施工規范》規定：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，滿足規范要求。因此計算中選取夯錘落距為1.5m進行計算。計算得到的沉降云圖如圖6和7所示。

圖5 應力-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深的節點（深度為1.92m），作出應力-時間曲線如圖8所示。

從圖8可見，該節點最大豎向應力σzz為76.59kPa，扣除掉該節點的重力荷載21.13kPa，得附加應力為55.46kPa。

4.3 計算結果比較

為了便于比較，將工況一、二的計算結果匯總于表1中。

表1 計算結果比較

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

5 實施效果

5.1 施工期沉箱沉降觀測

拋石基床夯實效果的好壞，將直接決定沉箱在安裝放置、箱內回填、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，可用以檢驗拋石基床的夯實效果。本工程共計安裝33件沉箱，在沉箱安放、箱內回填、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，對沉箱進行嚴密的沉降觀測。如圖9所示，1號沉箱所在位置的基床采用分層厚度為2m進行錘夯。為了對比拋石基床不同分層厚度的夯實效果，另選取26號沉箱的沉降觀測資料進行對比分析，該沉箱所在位置的拋石基床所有分層均采用重錘夯實法進行密實施工（即基床分層厚度為4m）。由圖9可知，26號沉箱的沉降觀測結果所反映的規律與1號沉箱基本一致。

圖8 應力-時間曲線

圖9 1號沉箱與26號沉箱沉降觀測結果對比

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法進行拋石基床密實施工，其夯實效果與采用規范推薦的分層厚度錘夯施工的效果相當。

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測機構實施監測。至2016年12月，根據觀測結果，1號沉箱（基床厚度約6m）最近位置碼頭觀測點累積沉降量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累積沉降量15mm，位移累積量7mm，基床夯實效果良好。

6 結論

通過有限元數值模擬計算，得到重錘夯實過程中，基床底部的瞬時應力以及沉降值大小，對兩種工況計算結果的比較，可知采用15t重夯錘、落距4m產生的夯擊能足以對4m厚拋石基床進行有效夯實。經過工程實體驗證，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、適當增加夯錘落距，提升夯擊能的方式，水下拋石基床夯實分層厚度可適當增加，其夯實效果與《重力式碼頭設計與施工規范》所推薦夯擊能、分層厚度的夯實效果相當。