彈性地基梁在浙江某港口堆場軌道梁基礎中的應用

李若琪

（中交上海港灣工程設計研究院有限公司,上海 200030）

0 引言

對于現代化堆場而言，大跨距、高運速的龍門吊是提高裝卸效率的關鍵，因此安全可靠的軌道梁基礎設計是堆場設計的重要環節。目前在港口堆場區域較為常見的地質條件為淤泥質土、砂土等土質基礎，較少出現遍布淺埋巖基的情況。土質地基承載力較低，當龍門吊荷載較大時為了避免出現較大的地基沉降和地基不均勻沉降的情況，一般選擇采用樁基軌道梁基礎結構型式，但浙江某港口的堆場區域地基均為中風化花崗巖，上覆回填碎石，其軌道梁基礎設計應區別于土質基礎上樁基軌道梁基礎結構設計。

假設地基是彈性的且地基上的梁基礎與地基處處相接，梁在地基上有無窮多個支點，那么該梁就是彈性地基梁[1]。彈性地基梁在工程中的應用十分廣泛，如橋梁、隧道、房建等，在巖石地基上設計軌道梁基礎時，利用巖石較強的承載能力可以直接在巖基面上設計鋼筋混凝土梁，形成彈性地基梁結構，其具備連續澆筑施工工序簡單、難度小的優點，尤其適用于地質均勻、沉降較小的地基[2]。彈性地基梁模型主要包括局部彈性地基模型（溫克爾假設）和半無限體彈性模型[1]。對于坐落在巖基上的混凝土軌道梁基礎，通過設置混凝土墊層模擬地基上部較薄的壓縮層后，可以采用溫克爾假定下的局部彈性地基梁計算模型，地基系數的選擇應根據墊層確定。該文以浙江某港口堆場中的龍門吊軌道梁基礎為例，對巖基上的彈性地基梁計算進行了分析。

1 工程概況

1.1 工程概述

該港口堆場區域總平面面積約10 hm2。堆場共設置3條生產線，1號與2號生產線為大型混凝土基礎結構件生產線，龍門吊跨距為53 m，每條生產線上設計運行大跨距50 t龍門吊和100 t龍門吊軌道梁；3號生產線為小型預制構件生產線，龍門吊跨距為20 m，設計運行小跨距50 t龍門吊軌道梁。三條生產線共布置軌道梁1 370 m，是重要的堆場構筑物之一。堆場范圍內場地標高為+5.5 m。

1.2 工程地質

根據地質資料，堆場區域原始底面標高一般為+7.43～+4.53 m，地勢較平坦，分布的土層情況如下：

①3雜色回填石：主要為灰白色，局部見灰色或灰黃色。濕，松散。土質不均勻，主要由碎石、塊石組成，局部下部主要由碎石和礫石組成，混少量角礫和黏性土，局部混較多砂土顆粒。陸域頂板標高一般為0.6～5.8 m，靠近岸側厚度增大，達6.1～13.1 m，呈現由山體向海域增厚的趨勢。

③2灰色淤泥質粉質黏土：飽和，流塑～軟塑。土質較均勻，切面較光滑，干強度中等，韌性中等，搖振無反應，見腐殖物，含貝殼碎屑。陸域厚度一般為0.4～8.5 m，該層實測標準貫入試驗擊數一般為1～4擊，平均值為2擊。

⑥1灰白色花崗巖強風化層：濕，硬。細粒結構，風化成碎塊狀，局部風化為短柱狀，礦物成分以石英，長石為主。該巖層屬較軟巖，巖芯破碎，巖石基本質量等級為Ⅴ級，為破碎巖體。該層實測標準貫入試驗擊數一般遠遠大于50擊。

⑥2灰白色花崗巖中等風化層：局部為灰色、肉紅色等顏色，堅硬。原巖結構清晰，節理裂隙稍發育，巖芯斷面較新鮮，見石英顆粒，敲打聲脆。巖芯一般較完整，呈柱狀或短柱狀，局部節理、裂隙較發育，巖芯較破碎，裂隙面可見褐黃色氧化鐵銹斑跡。巖面起伏較大，總體呈由山體向海域逐漸加深的趨勢，陸域區頂板標高為+6.49～-8.06 m，該層巖石屬堅硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級。

淺部地基土承載力估算結果如表1所示：

表1 淺部地基土承載力估算表

2 軌道梁基礎設計

2.1 設計荷載

堆場中共有100 t、大跨距50 t和小跨距50 t三種龍門吊設備，其中100 t龍門吊荷載最大，軌道梁基礎結構設計時采用該設備的荷載參數：軌距53 m、大車基距22.5 m、輪壓400 kN，單側荷載圖示如圖1所示：

圖1 100 t龍門吊單側荷載示意圖

荷載組合考慮軌道梁自重與龍門吊流動荷載，荷載分項系數分別為1.3、1.5。

2.2 型式選擇

針對使用要求，采用鋼筋混凝土軌道梁基礎結構可以有效減小使用期維修效率，提高作業效率[3]。由于生產線區域設計標高為+5.5 m，已經開挖至⑥2灰白色花崗巖中等風化層，地基承載能力達到2 000 kPa。從結構設計安全性的角度來看，地基承載能力強且不會發生沉降，無須使用樁基軌道梁基礎型式。從工程經濟性和施工難度來看，樁基在中風化巖層中施工難度大、成本高。經綜合考慮及試算，確定軌道梁基礎采用C35鋼筋混凝土矩形截面彈性地基梁結構，高（0.5+0.16）m，寬0.8 m，彈性地基梁下設150 mm C20混凝土墊層，除特殊段外每段長18 m，軌道梁基礎結構圖如圖2所示。軌道梁基礎設置在中風化巖面上，軌道梁使用期間不會產生沉降，可以保證龍門吊的安全、穩定運行。

圖2 軌道梁基礎結構圖

3 結構計算

采用易工水運工程集成軟件3.0中的多跨連續梁模塊進行軌道梁基礎結構設計，軌道梁基礎結構模型如圖3所示。

圖3 軌道梁基礎模型圖

3.1 參數設定

3.1.1 地基系數

有較薄墊層時，地基系數可采用近似公式k0=E0/H[1]確定。式中，H——墊層厚度；E0——壓縮模量；k0——地基系數。

由于混凝土無壓縮模量，故根據相關物理力學性質，近似采用碎石土的壓縮模量（29～65 MPa）表示。經過試算后發現，在軌道梁基礎尺寸及龍門吊荷載不變時，隨著地基系數的增加，軌道梁基礎所受彎矩減小。綜合考慮混凝土墊層和巖基的地基系數，壓縮模量取60 MPa，地基系數為0.4×106kN/m3。

3.1.2 分段及段間連接方式

軌道梁按18 m進行分段設置，在易工軟件中創建3段連續梁。由于分段間設置傳力桿，因此段間連接方式為鉸接，節點支撐方式為簡支。

3.1.3 龍門吊荷載加載

根據設備輪壓輪距情況進行荷載輸入，滾動步長為0.1 m，當龍門吊滾出連續梁時計算停止，具體荷載位置如表2所示。

表2 龍門吊輪壓加載位置

3.2 計算結果

3.2.1 結構內力軌

道梁基礎彎矩包絡圖如圖4、圖5所示，剪力包絡圖如圖6、圖7所示。由圖可知，承載能力極限狀態設計中，軌道梁基礎最大正彎矩為304.37 kN·m，最大負彎矩為-103.15 kN·m，最大剪力為786.08 kN；正常使用極限狀態設計中，軌道梁基礎最大正彎矩為203.5 kN·m，最大負彎矩為-68.79 kN·m，最大剪力為525.4 kN。

圖4 軌道梁彎矩包絡圖（承載能力極限狀態）

圖5 軌道梁彎矩包絡圖（正常使用極限狀態）

圖6 軌道梁剪力包絡圖（承載能力極限狀態）

圖7 軌道梁剪力包絡圖（正常使用極限狀態）

任意一段軌道梁基礎左端、跨中、右端的彎矩及剪力如表3、表4所示。

表3 軌道梁基礎彎矩效應 /（kN·m）

表4 軌道梁基礎剪力效應 /kN

3.2.2 地基反力

地基反力情況如圖8、圖9所示。承載能力極限狀態設計中的地基最大反力為801.98 kPa，正常使用極限狀態設計中，地基最大反力為537.32 kPa，均小于地基承載力特征值2 000 kPa。

圖8 地基反力包絡圖（承載能力極限狀態）

圖9 地基反力包絡圖（正常使用極限狀態）

3.2.3 豎向位移

在龍門吊運行過程中，對于任意一段軌道梁基礎，其在承載能力極限狀態與正常使用極限狀態下對應的豎向位移效應如表5所示。

表5 軌道梁基礎豎向位移效應 /mm

4 結語

軌道梁基礎結構的設計受地基條件的影響較大，故該文針對巖石地基上的梁基礎結構設計進行分析，通過設置混凝土墊層模擬巖基上部較薄壓縮土層滿足彈性地基梁中的溫克爾假定，利用局部彈性地基模型對巖基上的軌道梁基礎進行了計算。該文采用實際案例進行了建模與求解，為巖石地基上采用彈性地基梁計算軌道梁基礎結構提供參考。