重力式碼頭結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力的優(yōu)化分析

摘 要：本文借助實(shí)際工程為例，對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力進(jìn)行了分析。提出了減小基底應(yīng)力的措施，主要包括調(diào)整前趾長(zhǎng)度、改變墻后回填料、調(diào)整基床厚度，并逐一分析其對(duì)基底應(yīng)力的影響趨勢(shì)。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，得出結(jié)論，所得分析結(jié)果可供工程設(shè)計(jì)中參考與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭；基底應(yīng)力

1、前言

在我國內(nèi)河及沿海碼頭設(shè)計(jì)中，重力式碼頭是一種使用較多的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，抗凍性和穩(wěn)定性良好，能承受較大的上部地面載荷以及船舶載荷，對(duì)較大的集中載荷以及裝卸工藝變化適應(yīng)性強(qiáng)，施工簡(jiǎn)單、維修費(fèi)用小。

重力式碼頭主要靠結(jié)構(gòu)的自身重量來保證其抗滑和傾倒穩(wěn)定性的擋土建筑物，因?yàn)橹亓κ酱a頭自重大，所以對(duì)地基承載力要求較高，而在內(nèi)河碼頭中，重力式結(jié)構(gòu)底板多坐落在粘性土、粉質(zhì)黏土等承載力較低的土層上，地基承載力達(dá)不到重力式碼頭基底應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中，常常需要進(jìn)行地基處理，方能滿足結(jié)構(gòu)使用要求。常見的地基處理方式有多種，如水泥攪拌樁加固地基、水泥粉煤灰碎石復(fù)合地基、樁基加固、換填塊石等，地基處理費(fèi)用較高，如果能對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可節(jié)省不少投資。本文重點(diǎn)論述重力式碼頭結(jié)構(gòu)地基應(yīng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，以期對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒意義。

2、減小基底應(yīng)力的措施分析

以江蘇常州某碼頭為例，分別采用調(diào)整前趾長(zhǎng)度、改變墻后回填料、調(diào)整基床厚度三種方法進(jìn)行基底應(yīng)力計(jì)算分析。碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1。

3.1 調(diào)整前趾長(zhǎng)度

重力式碼頭結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力分布特點(diǎn)：受水平土壓力及上部荷載的影響，結(jié)構(gòu)底板處于偏心受壓狀態(tài)。通過調(diào)整前趾長(zhǎng)度（即調(diào)整偏心距），來降低前趾的最大基底應(yīng)力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用的方法之一。

本文給出5個(gè)前趾長(zhǎng)度（分別為1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm），分別進(jìn)行基底應(yīng)力的計(jì)算，結(jié)果見表1、表2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，前趾的加長(zhǎng)使得重力式結(jié)構(gòu)前趾基底應(yīng)力減小，同時(shí)，后踵基底應(yīng)力增加，但結(jié)構(gòu)前趾長(zhǎng)度的增加不會(huì)引起基底總應(yīng)力的變化，即σ=σmin+σmax是“定值”（忽略增加部分前趾長(zhǎng)度的自身影響）。

本工程重力式結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力最大出現(xiàn)在地震期低水位工況（前趾）和完建期工況（后踵），統(tǒng)計(jì)基底應(yīng)力最大值做出趨勢(shì)線比較如圖2。

圖中可以看出，基底應(yīng)力與前趾長(zhǎng)度呈線性關(guān)系，前趾長(zhǎng)度小于1240mm時(shí)，基底應(yīng)力的大值出現(xiàn)在前趾，大于1240mm時(shí)，基底應(yīng)力的大值轉(zhuǎn)移到后踵。

圖中前趾應(yīng)力和后踵應(yīng)力趨勢(shì)線的交點(diǎn)，即為結(jié)構(gòu)前趾的“最優(yōu)長(zhǎng)度”，該長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的基底應(yīng)力為結(jié)構(gòu)最大基底應(yīng)力的極小值。前趾與后踵的應(yīng)力變化類似于“蹺蹺板”，調(diào)整前趾長(zhǎng)度并不能影響總應(yīng)力的變化，只調(diào)整了基底應(yīng)力的均勻性。

3.2 改變墻后回填料

正如前文所述，重力式碼頭結(jié)構(gòu)受水平土壓力的影響，導(dǎo)致前趾應(yīng)力較大。將墻后回填土改為拋石，可以有效降低墻后土壓力，減小偏心距，從而減小前趾應(yīng)力。

本文分別計(jì)算墻后回填土與回填拋石后的基底應(yīng)力，比較結(jié)果見表3。

通過改變墻后回填料，基底應(yīng)力最大值由137kPa降低到111kPa。

3.3 調(diào)整基床厚度

重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)?shù)鼗翞檐浲粱虺休d力不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，經(jīng)常通過設(shè)置拋石基床來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。一方面拋石基床可以置換掉上層部分軟土，另一方面，拋石基床可以將結(jié)構(gòu)底板的壓力分布到較大的面積上，可以有效的降低基底應(yīng)力，從而滿足地基承載力的要求。

本文給出6個(gè)基床厚度（分別為0m、0.4m、0.5m、1m、1.5m、2m），分別進(jìn)行基底應(yīng)力的計(jì)算，結(jié)果見表4、表5。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，相比于后踵，基床厚度對(duì)前趾最大應(yīng)力影響更為明顯。

本工程重力式結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力最大出現(xiàn)在地震期低水位工況（前趾）和完建期工況（后踵），統(tǒng)計(jì)基底應(yīng)力最大值做出趨勢(shì)線比較如圖3。

從圖中看出隨著基床厚度的增加基底應(yīng)力逐漸減小，并且趨于一個(gè)定值。基床厚度在1m以內(nèi)，對(duì)應(yīng)力影響較為明顯。根據(jù)計(jì)算點(diǎn)分布擬合關(guān)系方程如下：

前趾：y = 6.597x2 - 31.40x + 148.7 R2= 0.999 ymin=111 kPa

后踵：y = 4.841x2 - 18.54x + 100.8 R2= 0.999 ymin=83 kPa

根據(jù)擬合方程計(jì)算，通過調(diào)整基床厚度得到的前趾應(yīng)力最小值為111kPa，后踵應(yīng)力最小值為83kPa。

4、結(jié)語

本研究通過借助實(shí)際工程，對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

1）通過調(diào)整前趾長(zhǎng)度，可以有效地降低基底最大應(yīng)力。

2）采用拋石代替回填土能取得較好效果，但拋石造價(jià)相對(duì)較大。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

3）隨著基床厚度的增加基底應(yīng)力逐漸減小，但會(huì)趨于定值。

4）如果最大應(yīng)力出現(xiàn)在完建期，可以通過合理安排施工工序，達(dá)到降低基底應(yīng)力的目的，墻后回填料不要一次性回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，采用先回填至一定標(biāo)高后，開堰放水，再進(jìn)行剩余部分的回填施工。

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作者簡(jiǎn)介：

張玉彬（1986-），畢業(yè)于大連理工大學(xué)，工程師，從事水運(yùn)、水利行業(yè)設(shè)計(jì).