彈性地基梁在中東地區自動化集裝箱堆場ARMG基礎中的應用

閆笑銘

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

全球集裝箱貿易的日益繁榮對港口的裝卸效率提出了更高的要求，港口基礎設施也在向自動化方向發展。對于追求高效率的現代化集裝箱堆場而言，其裝卸設備以軌道式龍門起重機（Automated Rail-Mounted Gantry，ARMG）為主[1]，運行速度一般在120 m/min，有些甚至達到了300 m/min[2]。ARMG運行速度高，對差異沉降敏感，需要可靠穩定的基礎來支撐，常用的ARMG基礎有樁基軌道梁和彈性地基梁。近兩年，阿聯酋和以色列陸續建設了大型自動化集裝箱港區，這兩個中東地區港口所在的地質地層均以砂、碎石為主。設計時在與當地的Jacobs和HPA等知名咨詢公司溝通過程中，咨詢工程師認為大型設備基礎應該采用深基礎形式。這種根深蒂固的設計理念雖然可以避免軌道差異沉降的發生，但是也會造成建設成本的大幅增加。在詳細分析該區域地質條件的基礎上，本文推薦采用彈性地基梁作為ARMG基礎，該方案設計原理簡單，施工速度快，造價低，有一定的應用前景。

1 自動化集裝箱堆場常見的ARMG基礎

1.1 樁基軌道梁基礎

樁基軌道梁基礎是指將樁基礎打設至地基持力層后，在其上部澆筑鋼筋混凝土梁的一種結構。ARMG荷載作用在軌道梁上，然后通過樁基傳遞至地基。樁基作為深基礎，可以提供足夠的承載能力，并且打樁區域的沉降可忽略不計。目前常采用的樁型主要包括PHC管樁、灌注樁及鋼管樁3種類型。作為ARMG基礎，樁基軌道梁雖然能解決軌道不均勻沉降問題且可靠性高，但也存在道路區因工后沉降與軌道梁沉降不同步的問題[3]。另一方面，打樁易受到施工條件和設備的限制，施工難度大，質量難控制，且不可與其他工序同步進行，施工周期長。

1.2 彈性地基梁基礎

彈性地基梁[4]是一種擱置在具有一定剛度地基上的鋼筋混凝土結構，可連續澆筑。當彈性地基梁作為ARMG基礎時，不僅施工工序簡單，施工難度小，而且能為ARMG提供穩定的基礎。但是當地基存在軟弱土層時，在循環荷載作用下鋼軌也會因基礎沉降而發生豎向變形，因此需要不定時地調軌。彈性地基梁梁底各點與地基接觸，整個體系是超靜定的。彈性地基梁的計算涉及地基土的模型，國內外進行了很多相關的研究工作，主流的彈性地基梁計算模型主要有文克爾地基模型和均勻彈性半空間模型。雖然每種模型都有假設條件，但是對于ARMG淺基礎而言，從工程應用角度出發，簡單的文克爾模型可滿足設計要求。

對于樁基軌道梁和彈性地基梁2種ARMG基礎方案，下面依托阿布扎比某自動化集裝箱堆場工程，分別建立兩者的有限元模型進行對比分析。

2 ARMG基礎方案設計

本節將采用Autodesk Robot Structural Analysis有限元軟件，分別建立樁基軌道梁和彈性地基梁的三維模型，并對2種結構進行受力分析和建設成本對比。

2.1 工程概況

新建工程位于阿聯酋首都阿布扎比，定位為專業自動化集裝箱樞紐港。阿布扎比地區是一個沉積區，可追溯到更新世。在工程場地附近的海岸，沉積物一般通過風和蒸發進行輸運，并且在海洋環境中通過風吹，材料進行分類和沉積。由于風吹而分類的砂覆蓋在由灰屑巖和砂巖構成的基巖上，工程場地天然地基土層發育情況良好。當地政府前期對場地進行了吹填海砂造地，吹填層平均厚度約12 m，且上部6~8 m經過處理已達密實狀態，地基承載力達到150 kPa。地基表層經過簡單鋪裝后，用作汽車和件雜貨堆場使用已有5 a之久。綜上，新建的自動化集裝箱堆場具有良好的地基條件。

堆場裝卸設備采用ARMG，基距17 m，最大豎向輪壓340 kN，水平輪壓取豎向輪壓的10%，單臺ARMG的各輪間距分布如圖1所示。

圖1 單臺ARMG輪子分布圖（mm）Fig.1 Wheel distribution of single ARMG(mm)

2.2 樁基軌道梁設計

1）結構方案和模型

根據對前述地質情況的分析，樁基軌道梁方案擬采用鉆孔灌注樁樁型，將微風化巖層作為持力層。樁基軌道梁采用矩形截面連續梁結構，梁截面寬1.2 m，高1.5 m。梁底下設單排鉆孔灌注樁，樁長18 m，樁徑600 mm，樁間距6 m，樁端穿透平均厚度為12 m的吹填砂層和天然地層的表層砂后，進入灰巖或砂巖。樁土作用采用m法，根據JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》[5]附錄B，無試樁資料時，m可取值為10 000 kN/m4。樁的換算寬度（樁徑<1 m時）可按式（1）計算

式中：b0為樁的換算寬度，b0臆2d；kf為樁形狀換算系數，圓樁取0.9；d為樁徑。經計算，樁的換算寬度取值為1.2 m。

模型考慮結構自重DL和ARMG荷載LL（包含豎向力和水平力），按照承載能力極限狀態進行組合，組合系數為1.2DL+1.6LL。

2）計算結果

根據模型計算結果，軌道梁的最大正彎矩為2 428 kN·m，最大剪力為1 477 kN；樁基最大軸力為2 056 kN。灌注樁單樁軸向抗壓承載力設計值可按式（2）計算。

式中：Qd為單樁軸向承載力設計值；γR為軸向承載力抗力分項系數；U為樁身截面周長；ψsi、ψp分別為樁側阻力和端阻力尺寸效應系數；qfi為單樁第i層土的極限側摩阻力標準值；qR為單樁單位面積極限樁端阻力標準值；li為樁身穿過第i層土的長度；A為樁端截面面積。經計算，樁長取18 m時，單樁軸向承載力設計值為2 228 kN，大于模型計算結果。

2.3 彈性地基梁設計

1）結構方案和模型

彈性地基梁采用倒T形截面，結構底寬2.2 m，頂寬0.9 m，梁高0.83 m。彈性地基梁底設置素混凝土找平層和級配碎石墊層，用來擴散基底應力。地基梁需要分段布置，每10 m設置1道脹縫。有限元模型中，ARMG基礎采用桿單元模擬，地基簡化成一系列剛性支撐上的獨立彈簧，間距為1 m。地基基床反力系數K可按照式（3）計算[6]。

式中：Es為地基砂的變形模量，結合地基條件參考工程地質手冊[7]的經驗指標取值為30 MPa；Ec為地基梁結構的彈性模量；b為結構底寬；J為地基梁橫截面慣性矩；μ0為地基砂的泊松比。經計算，彈性地基基床反力系數為K=15 000 kN/m3。考慮基礎底寬2.2 m，則施加在桿單元上的彈簧剛度為33 000 kN/m。

彈性地基梁模型考慮結構自重和ARMG荷載，承載能力極限狀態下的組合系數與樁基軌道梁相同。

2）計算結果

①彎矩和剪力

根據模型計算結果，彈性地基梁的最大正彎矩為1 475 kN·m，最大剪力為750 kN。無論彎矩還是剪力，在各段地基梁上的分布都比較均勻，這恰好與彈性地基的理論相吻合，也反映了彈性地基梁作為ARMG基礎時的可行性。

②差異沉降

根據國際標準文獻[8]的規定，二級標準下允許同一對軌道兩軌之間的高度公差為依20 mm，即當軌道同一截面處發生差異沉降超過20 mm時，需要對軌道高程進行局部調整。針對本工程，選取同一對軌道上的地質鉆孔進行沉降計算。從表1中可以看出，垂直軌道方向同一截面兩點（P6-ACPT-C22-01和P6-ACPT-C22-05）處的沉降之差最大值僅為12.4 mm，小于規范要求。說明彈性地基梁方案的沉降也符合設計標準。

表1 垂直軌道方向上同一截面的鉆孔沉降Table 1 Boreholes settlement of the same cross-section perpendicular to rail track

2.4 方案對比分析

本工程ARMG基礎總長度為18 288 m，樁基軌道梁方案總計需要約3 440根600 mm直徑的灌注樁，樁基總長61 920 m。彈性地基梁截面面積僅為1.23 m2。經測算，與樁基軌道梁相比，彈性地基梁方案可節約6 000萬元工程費用，且施工更為簡捷，工程建設周期較短。因此，本文推薦采用彈性地基梁方案。

3 彈性地基梁對地基的要求

為了研究彈性地基梁方案對地基剛度的要求，本文分別建立了5~40 m等15種不同分段長度的地基梁模型，并按照地基變形模量30 MPa、25 MPa和20 MPa依次計算，得到不同工況下的地基梁最大正彎矩值，計算結果見圖2。

圖2 不同地基變形模量下最大正彎矩和分段長度的關系Fig.2 Relationship between max-positive bending moment and segment length under different foundation deformation modulus

與地基模量30 MPa相比，25 MPa時的正彎矩極值增長了約8.0%，而20 MPa時的正彎矩極值增長了約18.6%。當彎矩不再隨分段長度發生變化時，不同地基變形模量下的彎矩穩定值變化也不同。與地基模量30 MPa相比，25 MPa時的正彎矩穩定數值增長了約8.0%，而20 MPa時的正彎矩穩定數值增長了約17.8%。20 MPa時的彎矩極值和彎矩穩定值增幅均為25 MPa時的2倍以上。通過以上分析，當地基變形模量為25 MPa時，最大彎矩值和彎矩穩定值增幅均未超過8%；當地基變形模量為20 MPa時，最大彎矩值和彎矩穩定值增幅比較大，均超過17%。由此說明，地基比較軟時，彈性地基梁方案是不經濟的。本文建議當采用彈性地基梁作為ARMG基礎時，地基變形模量要求不低于25 MPa。

4 可調式軌道支座系統

即使地基以密實砂層為主，在ARMG輪壓荷載作用下，地基仍會產生微小變形。為了避免運營期間因地基沉降或者其他原因導致差異沉降而影響ARMG運行，本工程引入了可調式軌道支座系統。該系統與彈性地基梁結合使用，主要由軌道壓板及壓板螺栓、膠墊板、上層鋼墊板、下層鋼墊板、調節鋼墊板、膠泥和預埋套管、套管錨栓、連接螺栓等幾部分組成，如圖3所示。整套系統可滿足100 mm范圍內豎向沉降和60 mm范圍內水平位移的調節需求[9]。

圖3 可調式軌道支座示意圖Fig.3 Schematic diagram of adjustable chair system

5 結語

1）在良好的地質條件下，彈性地基梁作為ARMG基礎是一種性價比很高的方案。配合可調式軌道支座系統的應用，彈性地基梁不僅能滿足承載能力的要求，而且也能滿足預期的差異沉降要求。

2）本文推薦彈性地基梁作為ARMG基礎，但有一定的適用條件。設計時需要考慮到地基的變形模量，當變形模量小于25 MPa時，地基梁內力增長較大，不再建議使用彈性地基梁方案。

3）本文引用項目于2018年12月施工完成，并于2020年10月竣工驗收。經過2 a的試運行，彈性地基梁結構穩定，表觀狀態良好，未出現不均勻裂縫，為今后類似地質條件的工程設計和施工提供參考。