集裝箱堆場面層結構比選

王敏

（中遠太平洋有限公司，上海 200080）

1 概述

隨著我國集裝箱運輸量的大幅上升，需要建設大量的集裝箱堆場來滿足堆箱和中轉的需求。集裝箱堆場與一般散貨或件雜貨堆場不同，它承受箱角集中荷載和流動運輸荷載作用，一般堆場的標準箱堆高都在3層以上，流動荷載包括輪胎式龍門吊或軌道式龍門吊、正面吊運機、鏟車和集裝箱拖掛車等，對承載力和不均勻沉降的要求較高，因此選用何種面層結構，以及相應的基層結構，將直接影響到堆場施工工藝、使用效果和經濟性等。

當前國內集裝箱堆場最常用的面層結構形式有2種：現澆混凝土面層和高強聯鎖塊面層，面層結構的選用主要考慮堆場工藝荷載、地基和基礎條件、使用的可靠性和經濟造價等方面因素。現澆混凝土面層是以往最常用的結構，結構設計和計算理論嚴謹可靠，施工條件成熟，使用經驗豐富；聯鎖塊結構形式比較復雜，以前大多用于廣場、人行道和其它生產、生活休閑區，自開發高強聯鎖塊結構后，其性能也完全滿足集裝箱重箱堆場的使用要求，因此被逐步推廣使用，但相對于混凝土面層結構，國內外對聯鎖塊結構的研究深度仍有欠缺，除此以外，不同地域的使用習慣也是選用面層結構的重要因素。

2 使用經驗及可靠性

現澆混凝土面層的使用歷史較長，國內最大的港口上海港，以及北方的天津港、大連港等仍然大量沿用這種傳統的面層結構，但是隨著20世紀90年代我國南方集裝箱吞吐量和運輸量的急劇增長，在積極吸取國外集裝箱堆場建設和使用經驗的基礎上，高強聯鎖塊面層結構得到了廣泛的推廣和使用，我國南方有深圳鹽田港二、三期工程、赤灣港、蛇口港和華南物流中心等，華東地區有南京龍潭集裝箱港、南通港、張家港和太倉中遠國際城等長江中下游的重要集裝箱樞紐港，已經或正在采用聯鎖塊面層結構，從此趨勢發展看，高強聯鎖塊結構正在逐漸取代傳統的現澆混凝土面層，成為一種新穎、成熟、可靠的面層結構形式。

集裝箱場地分為堆箱區和流動機械行駛區，根據各個分區使用荷載的不同，相應的面層和基層結構、厚度也各不相同。對于現澆混凝土面層，一般需設置集裝箱箱角基礎和龍門吊作業條形基礎，均采用鋼筋混凝土結構形式，以適應上部較重荷載的受力要求，其它區域考慮荷載較小的流動機械作業，如集裝箱拖掛車等，可采用現澆混凝土大板結構，這樣的設置使整個場區結構分區合理，具有較高的安全可靠性。對于高強聯鎖塊面層，既可采用上述分區鋪設不同厚度面層結構的工藝，也可采用滿堂鋪設法，即采用統一厚度和形式的基面層結構，后者雖然造價稍高，但更有利于集裝箱場地的靈活布置，而且施工簡便快捷，集裝箱場地的周邊道路仍可采用現澆混凝土面層，這是考慮到道路主要供流動機械行走，但在鹽田港等港口，由于采用了更先進合理的施工方法和工藝，道路和堆場可以采用同樣的聯鎖塊結構，使整個場區顯得統一完整。從使用情況看，高強聯鎖塊和混凝土面板結構一樣，耐久性好，結構強度高，適合于承受反復荷載的作用。

3 結構設計理論

3.1 計算內容

采用現澆混凝土面層結構，主要對鋼筋混凝土條形基礎，包括箱角基礎、輪胎式或軌道式跑道基礎進行計算，箱角填檔區基本不受荷載作用，可設置較薄的面層或其它簡易面層，集裝箱運輸通道主要為流動荷載作用，面基層厚度根據荷載等級計算確定。采用高強聯鎖塊面層結構，集裝箱堆放區和其它區域既可以采用統一的面基層，也可將集裝箱箱角處和其它區域的面基層分開處理，前者各個區域專業適應性強，后者可以適當節省工程投資，聯鎖塊厚度一般取8 cm、10 cm和12 cm，以下鋪設3～5 cm的中粗砂墊層，其下為穩定基層結構。

3.2 結構設計

3.2.1 混凝土面層結構

混凝土面層設計應根據交通等級、荷載應力、溫度應力和材料特性等計算平面尺寸的劃塊和板厚等參數，還應確定各種位置的接縫、接縫材料的選定以及拉桿、傳力桿的尺寸和間距等，另外，應根據荷載應力和基層頂面的回填模量等選用合適的基墊層材料和尺寸，整套結構處理比較繁瑣。混凝土面層的彈性模量及力學強度大大高于基層和土基相應的模量和強度，同時，混凝土的抗彎拉強度遠小于抗壓強度，約為1/6～1/7，因此，混凝土板尺寸的強度指標是抗彎拉應力。又由于混凝土板與基層土基之間的摩阻力一般不大，所以在力學模型上可以把混凝土面層結構視為彈性地基板[1]。

彈性地基板小撓度分析有2種基本理論，一種是克希霍夫（Kirchhoff）理論，忽略了板中橫向剪應力對變形的影響，適用于薄板；一種是明特林（Mindlin）理論，考慮了橫向剪應力對變形的影響，適用于中厚板。由于混凝土面層受荷后主要是彎拉應力（或彎矩）控制設計，彎沉不作為設計控制值，一般可根據有限元分析成果，繪制不同荷載、不同工況下混凝土板主要剖面上的彎矩和彎拉應力分布圖，從而進行面層結構設計。

3.2.2 高強聯鎖塊結構

高強聯鎖塊結構比較復雜，聯鎖塊間距以2～3 mm為宜，用砂粒填充，防止各個塊體的移動，使塊體間發揮咬合作用。一般聯鎖塊的結構如圖1所示。

圖1 聯鎖塊結構圖Fig.1 The structure of interlocking blocks

一般的多面層結構，按分層的E、U值的軸對稱有限元處理，而對于聯鎖塊結構，將其簡化為具有接縫元、墊砂元的軸對稱處理，主要假定如下[2]：

1）塊體與其余層均用E、U表征其力學特性；

2）接縫單元橫向傳遞擠壓力，豎向傳遞剪力；

3）墊砂元考慮為一個沒有厚度的層次。

按照已有的工程設計和使用經驗，塊體厚度與荷載相適應，荷載作用次數多，宜選用厚度大的塊體，最小厚度不宜小于8 cm，基層厚度根據基層類型、基層以下回填模量和荷載情況確定[3]。

4 施工工藝

現澆混凝土面層結構的施工工藝較繁，混凝土為機械攪拌，采用自卸汽車運輸至現場，混凝土的攤鋪、振搗、養護均應嚴格按照規范要求進行，接縫的位置和施工方法應按接縫設計要求確定，每日攤鋪的混凝土應做抗壓、彎拉和劈裂抗拉強度試驗，混凝土面層在冬季和夏季施工時還應有相應的覆蓋措施。高強聯鎖塊面層采用預制塊體，預制塊應滿足抗壓強度、抗凍性、厚度、邊長等設計要求，聯鎖塊直接運送至現場進行鋪設，采取分區分段鋪筑法，施工工藝和質量控制相對簡便。

對于集裝箱堆場，如果采用混凝土面層結構，由于箱角基礎、填檔區和集裝箱運輸通道的基面層形式和結構層厚度各不相同，各使用區域結構層的銜接比較復雜，施工難度較大，施工進度相應較慢。如果采用高強聯鎖塊面層結構，按照目前常用的滿堂式鋪設工藝，采用統一的基墊層結構和厚度，可以大大地簡化施工工藝，加快施工進度。

5 使用效果

現澆混凝土面層具有較高的抗壓強度、抗彎強度、抗磨耗能力，有較好的水穩性、熱穩性和耐久性，能承受頻繁交通，但對地基不均勻沉降適應性較差，一旦發生不均勻沉降，面層會出現開裂現象，在使用過程中養護費用少，但發生破壞后修復困難，因此，如果采用混凝土面層，對地基和基礎處理的要求較高，地基在使用期的殘余沉降量應控制在30 cm以內。

高強混凝土聯鎖塊的主要特點是對地基不均勻沉降適應性強，在使用過程中易于維修，地基在使用期的殘余沉降量可控制在50 cm以內。此外，根據近幾年國內外集裝箱流量的數據分析，很多集裝箱港和專用堆場的實際堆存量都超過了設計負荷要求，如果采用混凝土面板結構，很難對其原有配置的結構強度厚度等進行調整，在臨時超負荷作用下產生的破損也較難修復，而聯鎖塊結構易拆除更換，適應堆載工藝的變化，即使產生壓裂等現象，也可以迅速維修或更換，保證生產的正常進行。

對比國內幾個典型港區道路堆場面層使用效果分析，上海的一些老港區以及新建的外高橋等港區的堆場道路均采用了現澆混凝土面層結構，這些港區的地質條件均較好，混凝土結構的使用效果比較理想，但在一些地質條件較差的港區，混凝土面層在使用了幾年后即出現凹曲、破損等現象，由于使用期殘余沉降較大，局部的堆場面層標高低于排水或電纜溝等構筑物的標高，且無法很好修復，暴露出混凝土面層結構的缺陷。在一些工程中采用了高強聯鎖塊的面層形式，在地質較差、使用荷載較大的情況下，聯鎖塊采用滿堂式布置，使用至今無論堆場表面平整性、塊體耐久性等指標均正常，期間由于集裝箱量的增大，使聯鎖塊的負重有所增加，雖然造成局部箱角處塊體的破裂，但及時予以更換維修，體現了聯鎖塊結構的諸多優點。

6 經濟比較

表1為典型集裝箱堆場工程選用面層結構的造價比較。

表1 集裝箱堆場面層結構造價比較Table 1 Pavementstructure cost com parison of container yard

表1顯示，一般聯鎖塊面層結構的造價略低于混凝土面層結構的造價。造價比較時應注意以下幾點：

1）表1中聯鎖塊基層采用貧混凝土，很多工程亦可采用水泥穩定層，要求水泥穩定層的彈性模量能滿足計算彎沉值在規范控制值內，造價會有所下降。

2）聯鎖塊面層在結構整體強度方面較混凝土結構稍差，在使用過程中的維修頻率也略高于混凝土面層，因此還應視工程實際情況適當計入維修調整費用。

3）當選用非統一形式的聯鎖塊結構時，造價會進一步下降。

7 結語

高強聯鎖塊面層結構具有結構設計簡便合理、施工工藝成熟可靠、對地基沉降適應性強、使用期易調整維修、使用效果佳和工程造價較低等優點，是近年來集裝箱港口和專用場地普遍采用的面層結構形式，對加快施工進度、節省工程投資以及適應將來堆場工藝的調整，無疑是非常有利的。在具備材料來源、地質及施工條件和使用要求的前提下，建議應盡可能選用高強聯鎖塊結構，這也是適應了集裝箱堆場建設的發展方向。

今后應對高強聯鎖塊在計算理論、材料和施工等方面再作深入研究和優化調整，使之功能和適用性得到進一步增強。例如對聯鎖塊聯鎖效果的改進，通過優化塊體形狀或在塊體間增加連桿等措施，增強大面積聯鎖塊結構的整體性；聯鎖塊施工工藝中，除了傳統的人工鋪塊外，考慮成片的、機械化施工的新工藝等。

[1] 翟曉鵬，楊賀.白色混凝土路面的破壞形式與設計標準[J].黑龍江交通科技，2008（11）：48-49.ZHAIXiao-peng,YANGHe.Failuremode and design standard of white concrete pavement[J].Communications Scienceand Technology Heilongjiang,2008(11)：48-49.

[2] 清華大學港工科研組.高強聯鎖塊鋪面結構分析軟件SAPBPTH94[M].北京：清華大學，1994.Port Engineering Team of Tsinghua University.High-strength interlocking blocks pavement structure analysis software SAPBPTH94[M].Beijing：Tsinghua University,1994.

[3] 孫立軍.現代聯鎖塊鋪面[M].上海：同濟大學出版社，2000.SUN Li-jun.Modern interlocking block pavement[M].Shanghai：TongjiUniversity Press,2000.