重力式碼頭結構基底應力的優化分析

摘 要：本文借助實際工程為例，對重力式碼頭結構基底應力進行了分析。提出了減小基底應力的措施，主要包括調整前趾長度、改變墻后回填料、調整基床厚度，并逐一分析其對基底應力的影響趨勢。通過對計算結果的分析，得出結論，所得分析結果可供工程設計中參考與應用。

關鍵詞：重力式碼頭；基底應力

1、前言

在我國內河及沿海碼頭設計中，重力式碼頭是一種使用較多的結構形式。該結構堅固耐用，抗凍性和穩定性良好，能承受較大的上部地面載荷以及船舶載荷，對較大的集中載荷以及裝卸工藝變化適應性強，施工簡單、維修費用小。

重力式碼頭主要靠結構的自身重量來保證其抗滑和傾倒穩定性的擋土建筑物，因為重力式碼頭自重大，所以對地基承載力要求較高，而在內河碼頭中，重力式結構底板多坐落在粘性土、粉質黏土等承載力較低的土層上，地基承載力達不到重力式碼頭基底應力的設計要求，設計中，常常需要進行地基處理，方能滿足結構使用要求。常見的地基處理方式有多種，如水泥攪拌樁加固地基、水泥粉煤灰碎石復合地基、樁基加固、換填塊石等，地基處理費用較高，如果能對上部結構進行優化設計，則可節省不少投資。本文重點論述重力式碼頭結構地基應力的優化設計分析，以期對實際工程設計提供一定的參考和借鑒意義。

2、減小基底應力的措施分析

以江蘇常州某碼頭為例，分別采用調整前趾長度、改變墻后回填料、調整基床厚度三種方法進行基底應力計算分析。碼頭結構斷面如圖1。

3.1 調整前趾長度

重力式碼頭結構基底應力分布特點：受水平土壓力及上部荷載的影響，結構底板處于偏心受壓狀態。通過調整前趾長度（即調整偏心距），來降低前趾的最大基底應力是結構設計中常采用的方法之一。

本文給出5個前趾長度（分別為1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm），分別進行基底應力的計算，結果見表1、表2。

從計算結果可以看出，前趾的加長使得重力式結構前趾基底應力減小，同時，后踵基底應力增加，但結構前趾長度的增加不會引起基底總應力的變化，即σ=σmin+σmax是“定值”（忽略增加部分前趾長度的自身影響）。

本工程重力式結構基底應力最大出現在地震期低水位工況（前趾）和完建期工況（后踵），統計基底應力最大值做出趨勢線比較如圖2。

圖中可以看出，基底應力與前趾長度呈線性關系，前趾長度小于1240mm時，基底應力的大值出現在前趾，大于1240mm時，基底應力的大值轉移到后踵。

圖中前趾應力和后踵應力趨勢線的交點，即為結構前趾的“最優長度”，該長度所對應的基底應力為結構最大基底應力的極小值。前趾與后踵的應力變化類似于“蹺蹺板”，調整前趾長度并不能影響總應力的變化，只調整了基底應力的均勻性。

3.2 改變墻后回填料

正如前文所述，重力式碼頭結構受水平土壓力的影響，導致前趾應力較大。將墻后回填土改為拋石，可以有效降低墻后土壓力，減小偏心距，從而減小前趾應力。

本文分別計算墻后回填土與回填拋石后的基底應力，比較結果見表3。

通過改變墻后回填料，基底應力最大值由137kPa降低到111kPa。

3.3 調整基床厚度

重力式碼頭結構設計中，當地基土為軟土或承載力不能滿足設計要求時，經常通過設置拋石基床來達到設計目的。一方面拋石基床可以置換掉上層部分軟土，另一方面，拋石基床可以將結構底板的壓力分布到較大的面積上，可以有效的降低基底應力，從而滿足地基承載力的要求。

本文給出6個基床厚度（分別為0m、0.4m、0.5m、1m、1.5m、2m），分別進行基底應力的計算，結果見表4、表5。

從計算結果可以看出，相比于后踵，基床厚度對前趾最大應力影響更為明顯。

本工程重力式結構基底應力最大出現在地震期低水位工況（前趾）和完建期工況（后踵），統計基底應力最大值做出趨勢線比較如圖3。

從圖中看出隨著基床厚度的增加基底應力逐漸減小，并且趨于一個定值。基床厚度在1m以內，對應力影響較為明顯。根據計算點分布擬合關系方程如下：

前趾：y = 6.597x2 - 31.40x + 148.7 R2= 0.999 ymin=111 kPa

后踵：y = 4.841x2 - 18.54x + 100.8 R2= 0.999 ymin=83 kPa

根據擬合方程計算，通過調整基床厚度得到的前趾應力最小值為111kPa，后踵應力最小值為83kPa。

4、結語

本研究通過借助實際工程，對重力式碼頭結構的基底應力進行計算分析，得出以下結論：

1）通過調整前趾長度，可以有效地降低基底最大應力。

2）采用拋石代替回填土能取得較好效果，但拋石造價相對較大。設計中應根據實際情況選擇合適的設計方案。

3）隨著基床厚度的增加基底應力逐漸減小，但會趨于定值。

4）如果最大應力出現在完建期，可以通過合理安排施工工序，達到降低基底應力的目的，墻后回填料不要一次性回填至設計標高，采用先回填至一定標高后，開堰放水，再進行剩余部分的回填施工。

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作者簡介：

張玉彬（1986-），畢業于大連理工大學，工程師，從事水運、水利行業設計.