李若琪

（中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200030）

0 引言

對于現(xiàn)代化堆場而言，大跨距、高運(yùn)速的龍門吊是提高裝卸效率的關(guān)鍵，因此安全可靠的軌道梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是堆場設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。目前在港口堆場區(qū)域較為常見的地質(zhì)條件為淤泥質(zhì)土、砂土等土質(zhì)基礎(chǔ)，較少出現(xiàn)遍布淺埋巖基的情況。土質(zhì)地基承載力較低，當(dāng)龍門吊荷載較大時(shí)為了避免出現(xiàn)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(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，但浙江某港口的堆場區(qū)域地基均為中風(fēng)化花崗巖，上覆回填碎石，其軌道梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)別于土質(zhì)基礎(chǔ)上樁基軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

假設(shè)地基是彈性的且地基上的梁基礎(chǔ)與地基處處相接，梁在地基上有無窮多個(gè)支點(diǎn)，那么該梁就是彈性地基梁[1]。彈性地基梁在工程中的應(yīng)用十分廣泛，如橋梁、隧道、房建等，在巖石地基上設(shè)計(jì)軌道梁基礎(chǔ)時(shí)，利用巖石較強(qiáng)的承載能力可以直接在巖基面上設(shè)計(jì)鋼筋混凝土梁，形成彈性地基梁結(jié)構(gòu)，其具備連續(xù)澆筑施工工序簡單、難度小的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于地質(zhì)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(shè)）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(chǔ)，通過設(shè)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(jì)算模型，地基系數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)墊層確定。該文以浙江某港口堆場中的龍門吊軌道梁基礎(chǔ)為例，對巖基上的彈性地基梁計(jì)算進(jìn)行了分析。

1 工程概況

1.1 工程概述

該港口堆場區(qū)域總平面面積約10 hm2。堆場共設(shè)置3條生產(chǎn)線，1號與2號生產(chǎn)線為大型混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線，龍門吊跨距為53 m，每條生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)運(yùn)行大跨距50 t龍門吊和100 t龍門吊軌道梁；3號生產(chǎn)線為小型預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線，龍門吊跨距為20 m，設(shè)計(jì)運(yùn)行小跨距50 t龍門吊軌道梁。三條生產(chǎn)線共布置軌道梁1 370 m，是重要的堆場構(gòu)筑物之一。堆場范圍內(nèi)場地標(biāo)高為+5.5 m。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)資料，堆場區(qū)域原始底面標(biāo)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(zhì)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(biāo)高一般為0.6～5.8 m，靠近岸側(cè)厚度增大，達(dá)6.1～13.1 m，呈現(xiàn)由山體向海域增厚的趨勢。

③2灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：飽和，流塑～軟塑。土質(zhì)較均勻，切面較光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖振無反應(yīng)，見腐殖物，含貝殼碎屑。陸域厚度一般為0.4～8.5 m，該層實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)一般為1～4擊，平均值為2擊。

⑥1灰白色花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層：濕，硬。細(xì)粒結(jié)構(gòu)，風(fēng)化成碎塊狀，局部風(fēng)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(zhì)量等級為Ⅴ級，為破碎巖體。該層實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50擊。

⑥2灰白色花崗巖中等風(fēng)化層：局部為灰色、肉紅色等顏色，堅(jiān)硬。原巖結(jié)構(gòu)清晰，節(jié)理裂隙稍發(fā)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(jié)理、裂隙較發(fā)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(qū)頂板標(biāo)高為+6.49～-8.06 m，該層巖石屬堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。

淺部地基土承載力估算結(jié)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(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)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(shè)備，其中100 t龍門吊荷載最大，軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用該設(shè)備的荷載參數(shù)：軌距53 m、大車基距22.5 m、輪壓400 kN，單側(cè)荷載圖示如圖1所示：

圖1 100 t龍門吊單側(cè)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(xiàng)系數(shù)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(chǔ)結(jié)構(gòu)可以有效減小使用期維修效率，提高作業(yè)效率[3]。由于生產(chǎn)線區(qū)域設(shè)計(jì)標(biāo)高為+5.5 m，已經(jīng)開挖至⑥2灰白色花崗巖中等風(fēng)化層，地基承載能力達(dá)到2 000 kPa。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的角度來看，地基承載能力強(qiáng)且不會發(fā)生沉降，無須使用樁基軌道梁基礎(chǔ)型式。從工程經(jīng)濟(jì)性和施工難度來看，樁基在中風(fēng)化巖層中施工難度大、成本高。經(jīng)綜合考慮及試算，確定軌道梁基礎(chǔ)采用C35鋼筋混凝土矩形截面彈性地基梁結(jié)構(gòu)，高（0.5+0.16）m，寬0.8 m，彈性地基梁下設(shè)150 mm C20混凝土墊層，除特殊段外每段長18 m，軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。軌道梁基礎(chǔ)設(shè)置在中風(fēng)化巖面上，軌道梁使用期間不會產(chǎn)生沉降，可以保證龍門吊的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用易工水運(yùn)工程集成軟件3.0中的多跨連續(xù)梁模塊進(jìn)行軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 軌道梁基礎(chǔ)模型圖

3.1 參數(shù)設(shè)定

3.1.1 地基系數(shù)

有較薄墊層時(shí)，地基系數(shù)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(shù)。

由于混凝土無壓縮模量，故根據(jù)相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)，近似采用碎石土的壓縮模量（29～65 MPa）表示。經(jīng)過試算后發(fā)現(xiàn)，在軌道梁基礎(chǔ)尺寸及龍門吊荷載不變時(shí)，隨著地基系數(shù)的增加，軌道梁基礎(chǔ)所受彎矩減小。綜合考慮混凝土墊層和巖基的地基系數(shù)，壓縮模量取60 MPa，地基系數(shù)為0.4×106kN/m3。

3.1.2 分段及段間連接方式

軌道梁按18 m進(jìn)行分段設(shè)置，在易工軟件中創(chuàng)建3段連續(xù)梁。由于分段間設(shè)置傳力桿，因此段間連接方式為鉸接，節(jié)點(diǎn)支撐方式為簡支。

3.1.3 龍門吊荷載加載

根據(jù)設(shè)備輪壓輪距情況進(jìn)行荷載輸入，滾動步長為0.1 m，當(dāng)龍門吊滾出連續(xù)梁時(shí)計(jì)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(jì)算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力軌

道梁基礎(chǔ)彎矩包絡(luò)圖如圖4、圖5所示，剪力包絡(luò)圖如圖6、圖7所示。由圖可知，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中，軌道梁基礎(chǔ)最大正彎矩為304.37 kN·m，最大負(fù)彎矩為-103.15 kN·m，最大剪力為786.08 kN；正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中，軌道梁基礎(chǔ)最大正彎矩為203.5 kN·m，最大負(fù)彎矩為-68.79 kN·m，最大剪力為525.4 kN。

圖4 軌道梁彎矩包絡(luò)圖（承載能力極限狀態(tài)）

圖5 軌道梁彎矩包絡(luò)圖（正常使用極限狀態(tài)）

圖6 軌道梁剪力包絡(luò)圖（承載能力極限狀態(tài)）

圖7 軌道梁剪力包絡(luò)圖（正常使用極限狀態(tài)）

任意一段軌道梁基礎(chǔ)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(chǔ)彎矩效應(yīng) /（kN·m）

表4 軌道梁基礎(chǔ)剪力效應(yīng) /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(tài)設(shè)計(jì)中的地基最大反力為801.98 kPa，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(luò)圖（承載能力極限狀態(tài)）

圖9 地基反力包絡(luò)圖（正常使用極限狀態(tài)）

3.2.3 豎向位移

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

表5 軌道梁基礎(chǔ)豎向位移效應(yīng) /mm

4 結(jié)語

軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受地基條件的影響較大，故該文針對巖石地基上的梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，通過設(shè)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(chǔ)進(jìn)行了計(jì)算。該文采用實(shí)際案例進(jìn)行了建模與求解，為巖石地基上采用彈性地基梁計(jì)算軌道梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供參考。