李倩 廣東省航道測(cè)繪中心（廣東省航道技術(shù)保障中心）

1.前言

大型散貨堆場(chǎng)主要采用堆取料機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)，堆取料機(jī)軌道基礎(chǔ)采用樁基+軌道梁是常用的一種結(jié)構(gòu)形式，具有占地面積小，地基沉降適應(yīng)性好，施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。大型散貨堆場(chǎng)一般承受較大堆貨荷載且荷載面積大，軟弱地基易產(chǎn)生變形和不均勻沉降，土層壓的縮沉降產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力，從而引起對(duì)樁基的下拉荷載。結(jié)合工程實(shí)例，探討軟弱地基堆取料機(jī)軌道基礎(chǔ)計(jì)算方法。

2.工程概況

某工程位于長(zhǎng)江下游，工程擬建設(shè)1個(gè)散貨泊位、2個(gè)件雜貨泊位以及港口陸域配套設(shè)施。港區(qū)后方布置有散貨堆場(chǎng)，采用堆取料機(jī)作業(yè)，共布置2條堆取料機(jī)運(yùn)輸線，每條堆取料機(jī)基礎(chǔ)長(zhǎng)310m，基礎(chǔ)頂面高于地面2.0m。

2.1 工藝荷載

（1）堆取料機(jī)：軌距：10 m，堆取料機(jī)輪數(shù)：20×2 個(gè)，輪距：0.85m，最大輪壓：300kN，軌道型號(hào)QU100。

（2）散貨堆場(chǎng)均載200kPa。

2.2 工程地質(zhì)

堆場(chǎng)區(qū)域覆蓋層厚度大，土層主要分布如下：①1人工填土：雜色，松散狀，稍濕；②1淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：褐灰色、灰褐色，流塑～軟塑狀；②2粉質(zhì)黏土：褐灰色，流塑～可塑狀，很濕～飽和；③粉細(xì)砂：灰色、灰綠色，飽和，稍密～中密狀、局部松散狀；③1粉質(zhì)黏土：灰黃色、褐黃色、灰綠色，可塑狀；④粉細(xì)砂：灰黃色、褐黃色，飽和，呈中密～密實(shí)狀；④1粉質(zhì)黏土：灰黃色、灰綠色、灰色，可塑～硬塑；⑤1粉細(xì)砂：灰黃色、灰色，飽和，中密～密實(shí)狀。地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2.3 堆取料機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)工程地質(zhì)資料分析，堆場(chǎng)區(qū)域20 m 厚范圍內(nèi)土層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)較低，多在2～15擊，散貨堆場(chǎng)區(qū)荷載較大，對(duì)地基承載力及沉降要求較高，而堆場(chǎng)區(qū)域淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土層屬于較高壓縮性土，在堆載不均勻的情況下容易產(chǎn)生變形及不均勻沉降，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)宜采用樁基結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)工藝要求軌道梁基礎(chǔ)頂面高于地面2.0m，故堆取料機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。軌道梁截面為倒T 型，梁外側(cè)設(shè)置T 型懸挑板，兩根軌道梁之間由橫撐、面板組成一個(gè)架空式結(jié)構(gòu)，軌道梁下部采用直徑為0.7m的PHC樁作為基礎(chǔ)，樁間距為3.5m。因堆場(chǎng)區(qū)堆載離樁基很近，為了抵抗單側(cè)堆場(chǎng)產(chǎn)生的側(cè)壓力，保證軌道梁的橫向穩(wěn)定，在軌道中間增加斜樁，每7m設(shè)置1根斜樁。軌道基礎(chǔ)斷面圖見圖2。

圖2 軌道基礎(chǔ)斷面圖

3.軌道基礎(chǔ)計(jì)算

3.1 軌道基礎(chǔ)計(jì)算方法

軌道基礎(chǔ)可看作是擱置在地基上與地基緊密相貼的梁，可按溫克爾彈性地基梁進(jìn)行分析計(jì)算。溫克爾彈性地基梁是把地基模擬為剛性底座上無限多個(gè)各自孤立的彈簧，地基上單位面積受到的壓力P與地基表面的沉降w成正比，由于彈簧是彼此獨(dú)立的，故各點(diǎn)的沉降只在該點(diǎn)局部產(chǎn)生，其他地方不產(chǎn)生任何沉降。溫克爾假設(shè)忽略了地基變形整體性與連續(xù)性，不能全面的反應(yīng)地基的變形情況，地基表面某點(diǎn)承受壓力，實(shí)際上沉降不僅發(fā)生在該點(diǎn)產(chǎn)生，也發(fā)生在壓力作用點(diǎn)以外的地方。雖然這個(gè)假設(shè)在理論上有一定的缺陷，但是它考慮到了梁與地基間的相對(duì)剛度的影響，選用合適的地基系數(shù)其計(jì)算結(jié)果能滿足工程上的要求，并且溫克爾假設(shè)計(jì)算較方便，故獲得廣泛使用。

軌道基礎(chǔ)采用易工CAD多跨連續(xù)梁軟件進(jìn)行分析，軌道基礎(chǔ)分段布置，用豎向的彈性支承約束模擬地基，地基基床反力系數(shù)K=10000kN/m，樁基支撐處設(shè)置豎向彈性支撐，豎向彈性支撐為530000kN/m。彈性地基梁模型圖見圖3。軌道基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果見表1。

圖3 彈性地基梁模型圖

表1 軌道基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果

3.2 樁基負(fù)摩阻力計(jì)算

當(dāng)樁基周圍存在軟弱土層，鄰近樁側(cè)地面承受較大的長(zhǎng)期堆貨荷載時(shí)，要考慮土層沉降對(duì)樁側(cè)引起的負(fù)摩阻力。當(dāng)樁穿越厚度為lo的高壓縮士層，樁端設(shè)置于較堅(jiān)硬的持力層時(shí)，在樁的某一深度ln以上，土的沉降大于樁的沉降，在該段樁長(zhǎng)內(nèi)，樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力；ln深度以下的可壓縮土層，土的沉降小于樁的沉降，土對(duì)樁產(chǎn)生正摩阻力，在ln深度處，樁土相對(duì)位移為零，既沒有負(fù)摩阻力，又沒有正摩阻力，習(xí)慣上稱為中性點(diǎn)。

負(fù)摩阻力的計(jì)算在水運(yùn)工程相關(guān)規(guī)范中并未提到，可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法如下：

中性點(diǎn)以上單樁樁周第i層土負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

當(dāng)?shù)孛娣植即竺娣e荷載時(shí)：式中：q—第i層土樁側(cè)負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)按式（1）計(jì)算值大于正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，取正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)；ε—樁周第i 層土負(fù)側(cè)摩阻力系數(shù)（飽和軟土取0.15～0.25；粘性土、粉土取0.25～0.40；砂土取0.35～0.5；自重濕陷性黃土取0.20～035）；σ'—樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力；σ'—由土自重引起的樁周第i層土平均豎向有效應(yīng)力；γ、γ—分別為第i計(jì)算土層和其上第e土層的重度，地下水位以下取浮重度；Δz、Δz——第i層土、第e層土的厚度；P—地面均布荷載。

一般來說，隨著沉降趨于穩(wěn)定，中性點(diǎn)也將穩(wěn)定在某一固定的深度ln處。中性點(diǎn)深度ln見表2。

表2 中性點(diǎn)深度ln

注：①ln、lo——分別為自樁頂算起的中性點(diǎn)深度和樁周軟弱土層下限深度；

②樁穿過自重濕陷性黃土?xí)r，ln可按表列值增大10%（持力層為基巖除外）；

③當(dāng)樁周土層固結(jié)與樁基固結(jié)沉降同時(shí)完成時(shí)，取ln=0；

④當(dāng)樁周土層計(jì)算沉降量小于20 mm 時(shí)，l n 應(yīng)按表列值乘以0.4～0.8折減。

根據(jù)以上公式計(jì)算樁周各土層負(fù)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值均大于正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，取正摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。按摩擦樁計(jì)算中性點(diǎn)以上的下拉荷載，中性點(diǎn)以上下拉荷載計(jì)算值見表3。

表3 中性點(diǎn)以上下拉荷載計(jì)算值

3.3 樁基軸向承載力設(shè)計(jì)值

對(duì)于樁基軸向承載力設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮中性點(diǎn)（按樁端持力層性質(zhì)取值）以上負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載，樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)大于樁基軸向力和負(fù)摩阻力引起的下拉荷載之和。即：樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值（Q）＞樁基軸力（Nk）+負(fù)摩阻力引起的下拉荷載（Q）。本工程豎向承載力設(shè)計(jì)值為3505KN，3505＞2351+1029=3380。

4.結(jié)論

軌道基礎(chǔ)在軟弱土層且地面承受較大的長(zhǎng)期散貨堆載情況下，土層沉降產(chǎn)生的作用于樁側(cè)的負(fù)摩阻力不容忽視。作為一種簡(jiǎn)化，中性點(diǎn)以上產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力引起樁基下拉荷載。負(fù)摩阻力計(jì)算方法可參考建筑樁基技術(shù)規(guī)范，樁基承載力也應(yīng)考慮負(fù)摩阻力引起的樁基下拉荷載。