重力式碼頭基槽開挖及拋石基床設計優化

劉全興，劉新明

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430071；2.中交廣州航道局有限公司，廣東廣州 510000；）

引言

部分重力式碼頭存在深開挖、厚基床的現象。根據現行規范[1]重力式碼頭基槽底寬不宜小于碼頭墻底寬度與2 倍基床厚度之和，墻后有填土的重力式碼頭基頂應力傳遞至基底時，應力擴散范圍前端不小于1.5 倍基床厚度，后端不小于0.5 倍基床厚度。拋石基床應力擴散線見圖1。

圖1 拋石基床應力擴散線圖

現行規范指出當基床較厚時可在基床下采用換填方式處理，但未明確指出及槽開挖寬度如何確定，在以往工程設計中[2]，曾經以換填料的內摩擦角來控制換基槽開挖寬度。但是在一些深開挖、厚基床的工程中，以上方式無明確理論依據，且基槽底部開挖寬度依然較寬，開挖量及回填量依然較大，不利于控制工程投資。影響碼頭基槽開挖以及基床拋石的主要因素為基床應力擴散，本文結合實際工程對碼頭基床應力擴散范圍進行研究，從而對基槽開挖及基床拋石進行優化設計。

2 工程實例

某沿海件雜貨碼頭兼顧汽車滾裝功能，作用于碼頭上荷載較大，工程處強風化巖埋深起伏較大，經過綜合比較采用重力式方沉箱結構，沉箱底寬9 m，基床厚度取2～9 m。基床下為強風化巖，地基承載力在400 kpa 以上。根據計算，基床頂面大小主應力分別為252 kpa 與72 kpa，水平作用力為547 kN/m。典型斷面及受力見圖2。本工程基槽開挖及拋石基床投資所占比例較大，因此優化開挖及回填量是本工程節省投資的關鍵。

圖2 典型斷面及受力圖

3 現行規范計算結果

根據現行規范，圖1 中基槽底部前邊線距沉箱前趾的水平距離為1.5 倍基床厚度，基槽底部后邊線距沉箱后趾的水平距離為0.5 倍基床厚度。根據規范，基床底部最大最小應力見表1。

表1 規范計算基床底部應力表

4 有限元計算結果

4.1 結構模型

Midas-GTS 是專業巖土有限元計算軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計算功能，經過國內外很多大型工程的運用和驗算，結果準確可靠。本工程采用的本構模型為鄧肯-張非線性彈性模型[3]，該模型的優點在于可以反映土體變形的非線性和彈塑性。本工程基床采用10～100 kg 塊石，持力層為強風化閃長巖，基床前后為淤泥質粉質粘土，墻后回填為拋石棱體。將各土層定義為二維平面應力單元，模型底部設置限制水平和豎向移動的約束，兩側設置限制水平移動的約束[4]。材料特性表見表2，模型網格劃分見圖3。

表2 材料特性表

圖3 模型網格劃分圖

4.2 計算結果

通過Midas-GTS 分別對2 m 及9 m 基床進行計算，基床底部應力見表3。通過對比表1 及表3 可知，有限元計算基床最大應力大于規范計算值。由有限元計算結果可知，當基床為2 m 及9 m 時應力擴散范圍不同，這說明基床應力擴散與基床厚度有關。此外，基床底面應力呈現中間大兩側小分布，與現行規范中前大后小分布不同。

表3 有限元計算基床底部最大應力表

5 計算結果對比分析

以本工程為例，分別對2 m～9 m 基床進行應力分析，基床頂應力及水平力保持不變。由計算結果可以看出，隨著基床厚度的增加，基槽底部前邊線距沉箱前趾的水平距離逐漸減小，基槽底部后邊線距沉箱后趾的水平距離基本不變。基床前端應力擴散角度（與豎直方向夾角）見表4。

由表4 統計結果可以看出，基床厚度每增加1 m，基床前端應力擴散角度變小3°左右。當基床厚度為1 m 時，應力擴散角為59°，大于規范計算值；當基床厚度為2 m 時，應力擴散角為56°，與規范計算相同。當基礎厚度為5m 時，應力擴散角為45°。基床厚度大于5m 時，應力擴散角減小幅度逐漸變小。

表4 不同基床厚度下應力擴散角

根據現行規范，基床應力擴散前端為1.5 倍基床厚度，后端為0.5 倍基床厚度。當基床厚度小于4 m 時，有限元計算結果與規范計算較為吻合，當基床厚度大于4 m 時，基床應力擴散前端為1.0 倍基床厚度，實際工程中可據此進行設計，減少基槽開挖及基床回填量。

根據現行規范計算，基床底部應力分布呈現前大后小的梯形分布，最大應力集中在基床前端。有限元計算基床底部應力分布呈現中間大兩端小的分布，最大應力集中在基床中部，且隨著基床厚度的加大，基床底部應力分布越來越均勻。規范計算及有限元計算基床底應力對比見表5。由表5 可以看出有限元計算基床底部最大應力比規范計算大，且基床厚度在3～5 m 時增加幅度最大，為10 %左右。

表5 規范及有限元計算基底最大應力對比

通過有限元計算可以看出，基床越厚基床應力分布越均勻，并呈現中間大兩側小的分布狀態，最大應力出現在基床中部，并較均勻的分布，與規范計算有較大差異。

6 理論計算驗證

針對有限元計算與規范計算差異的問題，通過計算基床底部附加應力來驗證。將本工程荷載分解成均布荷載、三角形荷載以及水平荷載[5]，沿寬度b 積分可求得地基中任意M 點的豎向附加應力αz。計算簡圖見圖4～6。

圖4 均布荷載作用下地基附加應力

圖5 三角形荷載作用下地基附加應力

圖6 水平荷載荷作用下地基附加應力

任意M 點的豎向附加應力αz見下列公式：

其中，x 為計算點至原點的水平距離，z 為計算點深度，b 為基礎頂部寬度，γ為基礎重度。通過計算基床底部最大應力見表6。最大應力出現位置距沉箱前趾的水平距離（向后）見表7。

表6 理論計算基床最大應力表

表7 最大應力距前趾距離（向后）

通過理論計算可以看出，理論計算結果與有限元計算結果基本相同，即基底最大應力出現在中部靠前位置，且最大應力比規范計算值大。

7 結語

1）當基床較薄時，雖然基床底面應力分布仍然為中間大兩端小的凸形分布，但最大應力分布在基底靠前部分，與現行基本規范吻合。隨著基床厚度的加大，最大應力位置越來越向基床中部靠近，且基床底部應力分布越來越均勻，與現行規范出入較大。

2）有限元及理論計算基床地面最大應力均比規范計算最大應力大，且基床厚度在3～5 m 時增幅最大，在10 %左右，工程實踐中應該適當留有富余。

3）重力式碼頭應力擴散范圍與基床厚度有密切關系，當基床厚度小于4 m 時，前后擴散角度與規范較為接近。但當基床厚度大于4 m 時，基床前端擴散角度略小于規范要求，并隨著基床厚度的加大擴散角度逐漸減小，后端擴散角度與規范要求基本接近。實際工程中可根據此計算結果調整基槽開挖寬度，當基床厚度小于2 m 時適當加大前端開挖范圍，但基床厚度大于4 m 時可適當減小前端開挖范圍。

4）本文通過研究重力式碼頭基床應力擴散范圍來優化基槽開挖及拋石，在本工程中產生了較好的經濟效益，可為類似工程提供借鑒。