重力式碼頭前沿作業(yè)地帶堆載預(yù)壓技術(shù)應(yīng)用與成效

劉 洋，李春陽(yáng)，喬 梁

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

重力式碼頭應(yīng)用廣泛，建設(shè)技術(shù)成熟，但其前沿作業(yè)地帶通常存在兩個(gè)質(zhì)量通病，一是岸橋兩軌之間區(qū)域“凹陷”現(xiàn)象；二是岸橋陸側(cè)軌“突出”現(xiàn)象。重力式碼頭常采用拋石棱體[1]作為過(guò)渡結(jié)構(gòu)拋填于結(jié)構(gòu)后方，既可大幅度減少墻背土壓力而利于碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定[2]，也便于倒濾層結(jié)構(gòu)與港區(qū)大規(guī)?；靥畈牧系氖┕ぁＨ欢?，拋石棱體難以通過(guò)施工密實(shí)，塊石以散體形式不斷蠕變產(chǎn)生沉降，造成岸橋兩軌之間區(qū)域出現(xiàn)“凹陷”現(xiàn)象，破壞了原有排水坡度和排水方式產(chǎn)生積水及路面結(jié)構(gòu)層開(kāi)裂等，特別是岸橋兩軌間的積水反射光將干擾自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備的感光元件，影響智能系統(tǒng)的判斷，導(dǎo)致定位不精準(zhǔn)、生產(chǎn)作業(yè)效率降低等問(wèn)題。岸橋陸側(cè)的剛性軌道基礎(chǔ)與軌道兩側(cè)路面基礎(chǔ)的不協(xié)調(diào)、港區(qū)運(yùn)營(yíng)初期路側(cè)基礎(chǔ)的沉降會(huì)導(dǎo)致岸橋陸側(cè)軌“突出”現(xiàn)象，對(duì)路面進(jìn)行維修會(huì)影響正常的作業(yè)效率、造成水平運(yùn)輸設(shè)備在岸橋陸側(cè)軌跳車、降低自動(dòng)感應(yīng)元件壽命、增加運(yùn)營(yíng)成本。

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，重力式碼頭建成后5 a內(nèi)，碼頭后方沉降值達(dá)5～20 cm，個(gè)別達(dá)20 cm以上，產(chǎn)生這些沉降的主因是碼頭后方的兩軌之間通?；靥顗K石棱體的密實(shí)壓縮和地基土的固結(jié)沉降，目前對(duì)地基土固結(jié)沉降研究成果較多且應(yīng)用成熟，但國(guó)內(nèi)外針對(duì)塊石棱體沉降的研究與試驗(yàn)較少。隨著加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)、推動(dòng)交通高質(zhì)量發(fā)展的步伐，越來(lái)越多的項(xiàng)目開(kāi)始注重工程品質(zhì)，建設(shè)期常采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┙鉀Q長(zhǎng)期以來(lái)存在的質(zhì)量通病，如針對(duì)重力式碼頭前沿作業(yè)地帶不均勻沉降問(wèn)題，采用堆載預(yù)壓措施達(dá)到運(yùn)營(yíng)期降本增效的目的。本文通過(guò)對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)后方拋石棱體沉降理論分析，結(jié)合堆載預(yù)壓實(shí)施監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出拋石棱體沉降在附加應(yīng)力下的壓縮系數(shù)取值建議，并提出堆載預(yù)壓的技術(shù)要求，實(shí)施階段嚴(yán)格執(zhí)行觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、預(yù)警等安全措施。

1 工程概況

欽州港大欖坪港區(qū)某已建沉箱重力式碼頭可靠泊20萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船，采用國(guó)際通用有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)重力式碼頭進(jìn)行整體性三維空間建模分析，選擇合適的本構(gòu)模型模擬土的力學(xué)特性以及土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，預(yù)估碼頭前沿作業(yè)地帶在港區(qū)工后正常荷載使用下的最終沉降。

碼頭基槽開(kāi)挖后拋填1～3 m厚10～100 kg塊石形成基床，其上安放C40鋼筋混凝土沉箱，沉箱主尺度23.92 m×15.80 m×21.00 m(長(zhǎng)×寬×高)，寬度包括前趾寬度1 m。單件沉箱質(zhì)量3 460 t。沉箱前排艙格內(nèi)部分回填塊石1～100 kg(含泥量<10%)，中間艙格和后排艙格全部回填同等塊石至頂部，沉箱在前排艙格上方設(shè)置C40現(xiàn)澆混凝土胸墻，胸墻寬度為5.0 m，高度3.6 m。墻后設(shè)置10～100 kg拋石棱體(含泥量<5%)，棱體后依次鋪設(shè)2片石墊層、混合倒濾層及土工布2層，塊石棱體頂高程2.0 m，在塊石棱體頂面至道路底面之間區(qū)域同樣設(shè)置10～100 kg塊石棱體(含泥量<5%)，陸域其余區(qū)域回填中粗砂(φ≥30°)并振沖密實(shí)(N≥15擊)。軌道梁支撐在PHC雙樁上，樁徑0.8 m，縱向樁距2.7～4.6 m。碼頭典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭典型斷面(單位：m)

2 模型建立

建立由地基組、拋石基床、沉箱結(jié)構(gòu)、混凝土胸墻、拋石棱體、軌道梁與基礎(chǔ)、回填砂組成的三維有限元模型，模擬碼頭墻體在施工和使用狀態(tài)下的沉降，其中拋石棱體的彈性模量為15 MPa。采用實(shí)體單元對(duì)組成部分的材料進(jìn)行模擬。排水的邊界為四周、上方及底部。

由于欽州大欖坪港區(qū)地質(zhì)較為均勻，只需考慮岸橋兩軌間及岸橋陸側(cè)軌兩側(cè)沉降，綜合考慮最不利荷載工況組合為“地基整體壓縮變形最大的地質(zhì)+平均基床厚度1 m+使用荷載考慮堆載30 kPa”。

PLAXIS軟件的特點(diǎn)是按照工程建設(shè)的實(shí)施步驟分析本構(gòu)的應(yīng)力、位移、沉降情況，準(zhǔn)確建立步驟模擬是分析結(jié)果精準(zhǔn)的前提。統(tǒng)一實(shí)施步驟的模擬首先考慮在泥面線高程上進(jìn)行初始應(yīng)力平衡，其后步驟分別為基槽與碼頭前沿的疏浚、拋石基床、沉箱與胸墻結(jié)構(gòu)放置、后方中粗砂回填，荷載施加環(huán)節(jié)為碼頭前沿線陸側(cè)5.0 m后施加堆載。按照以上統(tǒng)一實(shí)施步驟，最不利情況下的工后最終沉降值為55.33 mm。碼頭整體沉降位移云圖見(jiàn)圖2。

圖2 碼頭工后最終整體沉降位移云圖

碼頭結(jié)構(gòu)與前沿作業(yè)地帶的地基土主要為強(qiáng)風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖，地基的工后沉降不明顯，從圖2云圖來(lái)看，碼頭結(jié)構(gòu)沉降微小，且在拋石棱體下方的地基土引起的沉降微小，僅為4～8 mm。

由此可見(jiàn)，兩軌間拋石棱體的沉降主要是由散體引起的壓縮沉降，對(duì)于PLAXIS有限元軟件，計(jì)算拋石棱體沉降的原理采用公式(1)[3]：

ΔH1=(Δs·H)/Es

(1)

式中：ΔH1為附加應(yīng)力引起的壓縮沉降量(m)；Δs為附加應(yīng)力(kPa)；H為壓縮層厚度(m)；Es為壓縮層彈性模量(kPa)。式中附加應(yīng)力與壓縮層厚度取值分別為30 kPa、24.6 m。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中極少提及拋石棱體彈性模量取值，結(jié)合文獻(xiàn)[4]與工程經(jīng)驗(yàn)，彈性模量取15 MPa，其取值的合理性將通過(guò)后續(xù)的堆載預(yù)壓的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。由此可得出ΔH=49.2 mm，與PLAXIS計(jì)算結(jié)果較為吻合。綜上，欽州碼頭的地質(zhì)較好，巖石層沉降極小，可忽略。PLAXIS計(jì)算的沉降結(jié)果主要是拋石棱體在附加應(yīng)力下的壓縮沉降，而此沉降并非碼頭運(yùn)營(yíng)期的最終沉降值。

在碼頭使用過(guò)程中，拋石棱體受自重的影響自密實(shí)沉降，才是碼頭使用過(guò)程中的最大沉降值。結(jié)合國(guó)外文獻(xiàn)公式[5]計(jì)算拋石棱體由于散體蠕變產(chǎn)生自密實(shí)沉降，見(jiàn)式(2)：

ΔH2=αHlg(t3/t1)-αHlg(t2/t1)

(2)

式中：ΔH2為蠕變自密實(shí)沉降(m)；α為蠕變系數(shù)，為0.20%；t1為拋石棱體從開(kāi)始施工至施工完畢時(shí)間，為2個(gè)月；t2為拋石棱體施工完畢至交工驗(yàn)收期間，為8個(gè)月；t3為拋石棱體施工完畢至工程使用壽命，為608個(gè)月。此蠕變沉降結(jié)果與附加應(yīng)力無(wú)關(guān)，只與蠕變系數(shù)與時(shí)間相關(guān)。由此可得出碼頭運(yùn)營(yíng)期的最終沉降值ΔH2=81.3 mm。

綜上可知，碼頭在使用期間岸橋兩軌之間最大沉降將達(dá)到81.3 mm，造成了岸橋兩軌“凹陷”明顯，岸橋陸側(cè)軌“突出”值較大。

3 堆載技術(shù)要求

3.1 堆載范圍與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置要求

為解決岸橋兩軌“凹陷”與岸橋陸側(cè)軌“突出”的問(wèn)題，考慮距離碼頭前沿線5.0 m起坡，總寬度為45.0 m，具體布置見(jiàn)圖3。

圖3 堆載預(yù)壓橫向范圍布置(單位：m)

在350 m長(zhǎng)碼頭縱向上布置5個(gè)表層沉降觀測(cè)點(diǎn)，為S01～S05；布置2個(gè)表層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為S-BZ01、S-BZ02；布置3個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為S-CX01、S-CX02、S-CX03。具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

3.2 堆載時(shí)間與荷載要求

由公式(1)可知，可通過(guò)對(duì)拋石棱體加大密實(shí)程度提高附加應(yīng)力值。若堆載預(yù)壓荷載為30 kPa，堆載足夠的時(shí)間，可以提前消除沉降約55 mm，即工后沉降為26 mm；若堆載預(yù)壓荷載為50 kPa，堆載足夠的時(shí)間，可以提前消除沉降約82 mm，即工后沉降理論上為0。考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，堆載時(shí)間受到工期的制約，擬定為堆載1個(gè)月，因此考慮預(yù)壓堆載頂面高程為10.0 m，堆載距離碼頭前沿線5.0 m處起坡，坡度不陡于1:2，可提供堆載預(yù)壓附加應(yīng)力荷載55 kPa。

3.3 監(jiān)測(cè)頻率及預(yù)警值

為確保堆載預(yù)壓過(guò)程中碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，需加密監(jiān)測(cè)頻率并且提出合理的預(yù)警值。監(jiān)測(cè)頻率見(jiàn)表1。

表1 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)頻率

1)地表沉降預(yù)警。沉降速率5 mm/d；加固區(qū)邊界處的表層沉降不超過(guò)10 mm/d。2)水平位移(邊樁)預(yù)警。位移速率預(yù)警值3 mm/d，報(bào)警值5 mm/d，最大累計(jì)位移不超過(guò)200 mm。

4 堆載預(yù)壓實(shí)施與監(jiān)測(cè)

4.1 表層沉降后期監(jiān)測(cè)結(jié)果

堆載預(yù)壓表層沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。堆載預(yù)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，碼頭前沿作業(yè)地帶在堆載預(yù)壓1個(gè)月內(nèi)總平均沉降量為91.12 mm，最小值34.23 mm，最大值150.29 mm。后10 d平均變化速率為0.84 mm/d。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率曲線見(jiàn)圖5，累計(jì)沉降曲線見(jiàn)圖6。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率曲線

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量曲線

表2 表層沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2 表層水平與深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)區(qū)域共布置2個(gè)表層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，S-BZ01號(hào)軸向水平位移速率為0.25～1.89 mm/d，軸向累計(jì)位移為74.32 mm；S-BZ02號(hào)軸向水平位移速率為0.32～2.24 mm/d，軸向累計(jì)位移為127.24 mm。在堆載預(yù)壓過(guò)程中，未達(dá)到報(bào)警值。

監(jiān)測(cè)區(qū)域共布置3個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，S-CX01號(hào)位移深層水平位移最大深度13.5 m，累計(jì)最大位移為6.79 mm；S-CX02號(hào)深層水平位移最大深度11.0 m，累計(jì)最大位移為12.06 mm；S-CX03號(hào)深層水平位移最大深度10.5 m，累計(jì)最大位移為17.85 mm。在堆載預(yù)壓過(guò)程中，未達(dá)到報(bào)警值。

4.3 堆載預(yù)壓成果分析

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，堆載早期各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降顯著，到第20～25 d時(shí)，沉降速率大為減緩，由14.2 mm/d下降至0.8 mm/d，沉降曲線逐漸趨于平緩。

若采用公式(1)，附加應(yīng)力為堆載預(yù)壓荷載55 kPa時(shí)，拋石棱體壓縮沉降值為90.2mm。實(shí)踐證明，堆載預(yù)壓一個(gè)月后各觀測(cè)點(diǎn)的總平均沉降量為91.12 mm，與計(jì)算值高度吻合，由此可知，針對(duì)某附加應(yīng)力下拋石棱體壓縮沉降值可由公式(1)評(píng)估，且拋石棱體的彈性模量取值為15 MPa較為合理。

堆載預(yù)壓后總平均沉降量為91.12 mm，已提前消除了拋石棱體由于自重導(dǎo)致的沉降81.3 mm，后期碼頭沉降將非常小，解決了碼頭前沿作業(yè)地帶的質(zhì)量通病問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)實(shí)際工程案例，重力式碼頭后方拋石棱體在附加應(yīng)力下的壓縮沉降量可按照公式進(jìn)行初步評(píng)估，且拋石棱體的彈性模量值可取15 MPa。

2)55 kPa的預(yù)壓荷載對(duì)拋石棱體的初期沉降影響較大，約1個(gè)月后沉降速率大幅減緩，下降至平穩(wěn)值，由此可見(jiàn)：堆載預(yù)壓效果最好的時(shí)間段在堆載的初期；其后沉降速率大幅減緩，后續(xù)項(xiàng)目有條件時(shí)可考慮堆載預(yù)壓周期適當(dāng)增加至1～3個(gè)月。

3)可采用拋石棱體蠕變自密實(shí)公式初步預(yù)估棱體蠕變自密實(shí)沉降值，通過(guò)壓縮沉降量公式計(jì)算附加應(yīng)力值，堆載預(yù)壓荷載值可稍大于此值。

4)堆載預(yù)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，沉降值在一定范圍內(nèi)的浮動(dòng)，堆載預(yù)壓可消除碼頭前沿線的不均勻沉降。

5)堆載預(yù)壓可提前消除拋石棱體自密實(shí)沉降，碼頭工后沉降將非常小，解決了岸橋兩軌“凹陷”與岸橋陸側(cè)軌“突出”的質(zhì)量問(wèn)題。