鄭清松

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

拋石基床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其沉降變形問(wèn)題一直是工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。過(guò)去一般認(rèn)為拋石基床的變形主要由兩方面構(gòu)成，一方面是拋石基床本身的壓縮變形，F(xiàn)U[1-2]揭示了堆石材料在不同初始應(yīng)力狀態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的殘余應(yīng)變行為；另一方面是塊石被壓碎導(dǎo)致的變形，賈宇峰[3]、Ashok[4]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了圍壓等因素對(duì)顆粒破碎時(shí)的剪切變形特征；葉鋒[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出單位面積夯擊能與基床有效加固深度的近似關(guān)系式。

對(duì)于深基床碼頭結(jié)構(gòu)，拋石基床厚度越大，基床底層拋石體所受的豎向應(yīng)力就越大[6-7]?；矑佁顗K石與地基持力層的接觸面是非連續(xù)的，塊石體將豎向應(yīng)力傳遞到地基土中時(shí)，還存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，PAN[8]研究表明巖體與堆石料接觸區(qū)容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，劉曉燕[9]基于三維非線性有限元方法得出大壩核心土接觸部位的壩土安全系數(shù)較低，應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力水平較高。應(yīng)力集中使得地基土局部失穩(wěn)破壞，地基土被擠出，拋石塊石“刺入”地基土中，產(chǎn)生沉降變形，隨著塊石沉降深度的增加，地基土達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即最終的塊石沉降量。

為了避免過(guò)大的沉降變形，重力式碼頭拋石基床底部會(huì)鋪設(shè)以砂墊層和二片石墊層為主的構(gòu)造層?，F(xiàn)行的《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)拋石基床厚度較大時(shí)，可以將底部一定厚度的拋石體按換填地基處理，這樣在拋石體的底部就可以不設(shè)構(gòu)造層。另外，在基槽開(kāi)挖的斜坡面上，通常也不設(shè)構(gòu)造層，直接將塊石拋填在開(kāi)挖的地基土上，塊石沉降到地基土中，還會(huì)改變地基土的力學(xué)指標(biāo)[10]。針對(duì)厚拋石基床，塊石體的豎向應(yīng)力較大時(shí)，塊石沉降變形量的問(wèn)題，現(xiàn)行港口工程規(guī)范中還未明確，需要加以研究和論證。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究采用10～100 kg的塊石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，探明塊石沉降變形的過(guò)程與機(jī)理，以支撐厚拋石基床的沉降控制技術(shù)。

1 塊石沉降試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置由底座、支柱、滑輪系統(tǒng)、壓頂梁、材料筒、加載籃等部分組成，最大加載壓力可達(dá)300 t，材料圓筒直徑1.5 m、高2 m，主要用于重力式碼頭拋石基床的壓縮試驗(yàn)，測(cè)定拋石結(jié)構(gòu)的力學(xué)和變形參數(shù)。該試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)由鋼材焊接而成，加載系統(tǒng)由滑輪和鋼繩構(gòu)成，具有試驗(yàn)成本低、原理簡(jiǎn)潔、操作方便、結(jié)果可靠等特點(diǎn)，在工程研究及計(jì)算具備一定的推廣價(jià)值。

按塊石的拋填層數(shù)分為多層拋填和單層擺放試驗(yàn)。多層拋填，即將10～100 kg塊石隨機(jī)拋填，其中塊石孔隙率介于30%～40%，旨在模擬實(shí)際工程情況下拋石基床底層塊石的沉降變形。單層擺放，即將塊石按一定規(guī)則排列碼放于砂土上，旨在研究塊石間的孔隙率以及荷載大小對(duì)塊石的沉降變形產(chǎn)生的影響。單層擺放時(shí)由于塊石是規(guī)則碼放，塊石的孔隙率可以控制，同時(shí)單層塊石排除了塊石壓縮和破碎變形的影響，塊石的沉降量可直接通過(guò)塊石的豎向位移量反映出來(lái)，故能直接觀測(cè)塊石沉降量與荷載大小的關(guān)系。

試驗(yàn)時(shí)，首先向鋼制的材料圓筒底部拋填1.0 m厚的中粗砂，施加壓力使其密實(shí)，然后在其上分別多層拋填和單層擺放10～100 kg的塊石，之后在塊石上覆蓋厚鋼板，通過(guò)加載系統(tǒng)施加均布?jí)毫?，在塊石的底面和頂面設(shè)置沉降位移觀測(cè)點(diǎn)獲取沉降數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

(1)塊石單層擺放。

圖1所示為塊石單層擺放模型試驗(yàn)照片，單層塊石受到荷載作用后基本不會(huì)破碎。塊石的大小和形狀不同時(shí)，塊石沉降到砂土中的深度有所區(qū)別。沉降深度受塊石間距影響，最大深度達(dá)120 mm。

圖1 塊石單層擺放試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袎K石的沉降情況Fig.1 The settling situation of the block stone in the single layer placement test model

(2)塊石多層拋填。

圖2所示為塊石多層拋填模型試驗(yàn)照片，可以看出，塊石的沉降現(xiàn)象明顯。由于試驗(yàn)施加的壓力較大，上部塊石受到荷載作用后存在破碎現(xiàn)象。多層拋填模型是將10～100 kg塊石隨機(jī)拋填在砂層上，施加的平均壓力達(dá)到1 600 kPa，底層小塊石完全沉降到了砂土層中，但較大的塊石并未完全沉降到了砂土層中，測(cè)量到的最大沉降量不超過(guò)60 mm。塊石間的砂土出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

2-a 上部的塊石被壓碎2-b 底部塊石沉降砂土中2-c 砂土中的塊石沉降坑2-d 砂土隆起圖2 塊石多層拋填試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袎K石的沉降情況Fig.2 The settling situation of the block stone in the multi-layer dumping and filling test model of block stone

2 試驗(yàn)分析

2.1 塊石單層擺放

塊石單層擺放時(shí)，塊石間距代表了塊石的孔隙率。當(dāng)施加的均布荷載相同時(shí)，不同間距情況下，塊石與地基的接觸應(yīng)力是不同的，因此塊石間距也代表了塊石的應(yīng)力集中程度。試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整塊石的擺放間距，得到了3種平面孔隙率，分別為n=0.35、0.45和0.59，三種孔隙率的荷載-沉降變形曲線見(jiàn)圖3。

圖3 三種塊石孔隙率情況下荷載-沉降變形曲線Fig.3 Load settled deformation curve under three kinds of rock porosity

當(dāng)豎向荷載不斷增大時(shí)，壓縮變形、沉降變形和整體變形先急劇增大，隨后增速放緩，最后趨于平緩。試件的整體壓縮位移由砂土層的壓縮位移和塊石沉降變形兩部分組成，由于砂土層厚度較薄，其壓縮沉降變形較小，故整體壓縮中大部分由塊石沉降變形引起。此外，砂土層的壓縮變形存在明顯的非線性特性，隨著平均壓應(yīng)力的增大，砂土層的壓縮變形量減少。

塊石在砂土層中的沉降變形也具有明顯的非線性和分段特性。當(dāng)平均應(yīng)力小于300 kPa時(shí)，沉降變形呈非線性；當(dāng)平均應(yīng)力大于300 kPa時(shí)，對(duì)于3種塊石孔隙率情況，沉降變形增量與應(yīng)力增量近似為線性關(guān)系。當(dāng)孔隙率由35%增至45%時(shí)，豎向壓縮量大約增加20%，當(dāng)孔隙率由45%增至59%時(shí)，豎向壓縮量大約增加40%，說(shuō)明塊石孔隙率對(duì)沉降變形影響明顯，孔隙率越大，沉降變形量也越大。

2.2 塊石多層隨機(jī)拋填

圖4所示為塊石隨機(jī)拋填模型荷載-豎向變形曲線，包括下層砂土層壓縮沉降變形曲線、上層塊石層的壓縮沉降變形曲線、塊石沉降變形曲線和整體變形曲線。隨機(jī)拋填模型中，塊石的孔隙率為0.37，級(jí)配相對(duì)較好。下層砂土層的壓縮變形特性與單層塊石基本相同，但塊石的沉降變形較小。當(dāng)平均應(yīng)力小于700 kPa時(shí)，沉降變形呈弱非線性特性，如果近似簡(jiǎn)化為線性變形，沉降變形剛度系數(shù)為15.3 kN/m3；當(dāng)平均應(yīng)力大于700 kPa時(shí)，沉降變形增量與應(yīng)力增量近似為線性關(guān)系, 沉降變形增量剛度系數(shù)為44.1 kN/m3。高應(yīng)力狀態(tài)下，沉降變形剛度系數(shù)較低應(yīng)力狀態(tài)的大幅度增加，即沉降變形基本穩(wěn)定。

3 沉降變形機(jī)理分析

3.1 砂土地基

如果單個(gè)塊石為一立方體，拋石基床常用塊石為10～100 kg，其邊長(zhǎng)為15.5～33.3 cm。中粗砂內(nèi)摩擦角φ為32°～35°，粘聚力系數(shù)c為0。將單個(gè)塊石看成一結(jié)構(gòu)，依據(jù)《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》中矩形基礎(chǔ)的承載力計(jì)算公式，可以得到當(dāng)單個(gè)塊石位于中粗砂地基上，塊石周邊作用不同的邊載時(shí)，塊石下中粗砂地基的極限承載能力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，當(dāng)塊石位于中粗砂地基上時(shí)，塊石周邊的邊載對(duì)塊石下中粗砂地基的極限承載能力影響非常大，而塊石的粒徑或邊長(zhǎng)則影響很小。

當(dāng)塊石直接拋填在砂土地基上時(shí)，塊石和砂土的初始接觸關(guān)系如圖5-a所示，此時(shí)，塊石與砂土接觸面以外的砂土面區(qū)域沒(méi)有荷載作用，相當(dāng)于邊載為0，塊石下砂土地基的極限承載能力僅為24～57 kPa，難以承載拋石基床的壓力，塊石下的砂土地基會(huì)失穩(wěn)，塊石沉入到砂土地基中，產(chǎn)生沉降變形。

塊石下的砂土地基失穩(wěn)后，一方面塊石下沉，另一方面塊石與砂土接觸面以外的區(qū)域隆起，如圖5-b所示。此時(shí)，對(duì)于塊石與砂土的接觸底面而言，接觸底面以外的區(qū)域有一定的邊載作用，一部分邊載為土體自重，另一部分則為塊石側(cè)面的摩擦力和擠壓力。從表1中可見(jiàn)，當(dāng)有一定的邊載時(shí)，塊石下中粗砂地基的極限承載能力就會(huì)大幅度提高。但此時(shí)塊石下砂土地基的極限承載能力可能仍然難以承載拋石基床的壓力，塊石會(huì)繼續(xù)下沉，產(chǎn)生進(jìn)一步的沉降變形。

當(dāng)塊石向砂土地基中下沉，塊石外的砂土面繼續(xù)隆起，隆起的砂土面會(huì)接觸到第一層塊石空隙之間的第二層塊石底面，如圖5-c所示。此時(shí)，第二層塊石底面也會(huì)給隆起的砂土面施加壓力，這時(shí)，對(duì)于第一層塊石而言，其邊載就大幅度增加，下部砂土地基的極限承載能力大幅度提高，達(dá)到能夠承載拋石基床的壓力。

表1 單個(gè)塊石下中粗砂地基的極限承載能力Tab.1 Ultimate bearing capacity of medium and coarse sand foundation under a single rock

5-a 初始狀態(tài)5-b 塊石沉降變形5-c 塊石沉降變形基本穩(wěn)定圖5 塊石沉降變形過(guò)程Fig.5 Block stone settled deformation process

隆起的砂土面接觸到第二層塊石底面時(shí)，從表1中可見(jiàn)，第二層塊石施加給隆起砂土面的壓應(yīng)力可達(dá)24 kPa，在該邊載作用下，第一層塊石下中粗砂地基的極限承載能力達(dá)到752 kPa以上，足以滿足承載碼頭拋石基床壓力的要求。

一般情況下，如果拋石基床的塊石級(jí)配較好，第二層塊石底面距第一層塊石底面的距離為h=0.5D1～0.7D1(D1為第一層塊石粒徑)。當(dāng)h高度內(nèi)的塊石空隙全部被隆起的砂土充滿時(shí)，塊石的平均沉降變形量為x=nh，其中n為塊石的孔隙率，一般為0.35～0.40。因此，重力式碼頭中，如果直接將10～100 kg的級(jí)配塊石直接拋填在中粗砂地基上，能產(chǎn)生的最大沉降變形約為0.4×0.7×33.3=9.3 cm。

試驗(yàn)中，塊石的孔隙率為0.37，級(jí)配好，平均粒徑25 cm，則預(yù)估平均沉降變形約為0.37×0.6×25=5.6 cm。在1 088 kPa壓力作用下，實(shí)測(cè)平均沉降變形為5.46 cm。

如果在砂土地基上，拋填一層二片石后，再拋填塊石，則直接與砂土層接觸的是二片石，其最大粒徑約為15 cm，則最大沉降變形約為0.4×0.7×15=4.2 cm。

當(dāng)施加預(yù)壓荷載，使沉降變形先產(chǎn)生，即使第二層塊石底面與隆起的砂土面充分接觸，則后期基本上就不會(huì)再產(chǎn)生沉降變形。

3.2 黏土地基

當(dāng)?shù)鼗翞轲ね恋鼗鶗r(shí)，各種地基土參數(shù)對(duì)應(yīng)的單個(gè)塊石下黏土地基的極限承載能力如表2所示。

表2 單個(gè)塊石下黏土地基的極限承載能力Tab.2 Ultimate bearing capacity of clay foundation under a single rock

從表2中可見(jiàn)，當(dāng)塊石直接拋填在黏土地基上時(shí)，如果黏土地基的強(qiáng)度指標(biāo)比較高，塊石的沉降變形和黏土地基的極限承載能力情況與砂土地基的類似。第一層塊石的沉降變形使其接觸底面外的黏土頂面隆起，隆起的黏土頂面與第二層塊石底面接觸后，沉降變形就基本穩(wěn)定。當(dāng)黏土地基的強(qiáng)度指標(biāo)較低時(shí)，邊載作用效果不明顯，隨著荷載的增加，沉降變形會(huì)持續(xù)產(chǎn)生，難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)塊石單層擺放時(shí)，試件的整體壓縮位移由砂床壓縮位移和塊石沉降位移組成，且整體壓縮中大部分由塊石沉降變形引起。豎向壓力和孔隙率對(duì)塊石沉降變形的影響較大，沉降變形隨著孔隙率的增大而增大，當(dāng)孔隙率由35%增至45%時(shí)，沉降變形大約增加20%；當(dāng)孔隙率由45%增至59%時(shí)，沉降變形大約增加40%。隨著壓力增大，沉降變形先快速增加，隨后增速放緩，最后趨于穩(wěn)定。

(2)多層拋填時(shí)，沉降位移占試件的整體壓縮位移比例最大?；矐?yīng)力小于700 kPa時(shí)，沉降變形呈弱非線性特性；當(dāng)基床應(yīng)力大于700 kPa時(shí)，沉降變形增量與應(yīng)力增量近似為線性關(guān)系。高應(yīng)力狀態(tài)下，沉降變形剛度系數(shù)較低應(yīng)力狀態(tài)增大近2倍，此時(shí)，沉降變形增量很小，變形基本穩(wěn)定。

(3)砂土地基中，初始狀態(tài)無(wú)邊載作用，當(dāng)塊石下沉沉降深度增加到一定程度，隆起的砂土面產(chǎn)生邊載作用，地基極限承載力增加，直到能夠承載拋石基床壓力，即為最終沉降變形量。塊石的沉降變形是有限和可控的，將10～100 kg的級(jí)配塊石直接拋填在中粗砂地基上，能產(chǎn)生的最大沉降變形約為9.3 cm。

(4)在黏土地基中，當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)很高，塊石的沉降變形過(guò)程與砂土地基類似；當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)很低時(shí)，邊載作用效果不明顯，隨著荷載的增加，沉降變形會(huì)持續(xù)產(chǎn)生，難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。