砂性地基自動化集裝箱堆場ARMG基礎分段長度

閆笑銘，張 斌

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

當自動化集裝箱堆場的裝卸設備采用ARMG時，設計中常用的軌道基礎主要有樁基軌道梁、軌枕道砟和彈性地基梁3種結構形式。自動化集裝箱堆場追求高效率作業，并且ARMG對基礎的差異沉降要求較高，因此在運營期間應盡量避免調軌。雖然樁基軌道梁可以通過樁基深入地基持力層達到減小或者消除差異沉降的目的[1]，但是樁基軌道梁工期長、造價高，且ARMG軌道和箱區間產生的不均勻沉降不利于自動化作業。道砟是一種散粒結構，在ARMG循環荷載作用下容易發生變形，與軌枕共同形成ARMG的基礎，在運營期可以通過調整道砟的厚度來調節差異沉降，但調軌的次數相對較頻繁，會極大地影響自動化堆場的作業效率。彈性地基梁作為一種連續性基礎，在較好的砂性地基條件下，具備施工速度快、工藝簡單、造價低、調軌次數少等優點。本文在此背景下，探討彈性地基梁作為ARMG基礎時的分段長度問題。

1 彈性地基梁的計算模型和特點

1.1 彈性地基梁的計算模型

彈性地基梁是一種擱置在彈性地基上的結構，梁與地基接觸，整個體系是超靜定的。彈性地基梁的計算涉及地基土的模型，目前主流的地基土模型主要有文克爾地基模型和均質彈性半空間模型。文克爾假設建筑物底面任一點的接觸應力數值與該點的沉降成線性關系，在這個假設前提下，計算地基梁時可根據計算精度將地基簡化成一系列剛性支撐上獨立的彈簧，見圖1，每個彈簧都有一定的剛度，剛度的大小反映了地基條件的好壞。雖然文克爾模型不能完全反映地基的實際情況，但是對于砂性地基下的集裝箱堆場ARMG軌道梁等淺基礎而言，采用文克爾地基模型計算的結果還是比較滿意的[2]。

圖1 文克爾地基梁簡化計算模型

彈簧剛度系數Kv計算公式為：

Kv=kbl

(1)

式中：k為地基反力系數；b為地基梁寬度；l為彈簧間距。

1.2 彈性地基梁的分段布置

彈性地基梁作為ARMG基礎，需要分段布置。相鄰兩分段之間設置脹縫，并用傳力桿連接，以提高彈性地基梁在ARMG集中荷載作用下的整體變形協調能力，見圖2。脹縫內接縫板可用瀝青纖維板或者泡沫橡膠板，縫表面采用聚氨酯或硅酮類密封[3]。傳力桿采用光圓鋼筋，其中一端須刷二度瀝青涂層防腐，并設置PVC套管，內填麻絲等彈性材料[4]。

圖2 脹縫示意圖(單位：mm)

1.3 地基梁受力特點

地基梁是鋼筋混凝土結構，其剛度系數遠大于地基土。在荷載作用下，地基梁截面的彎矩和其分段長度密切相關。當地基均勻時，地基梁分段較長，則梁截面彎矩較大；分段長度較短時，截面彎矩也相對比較小。但當地基產生不均勻沉降時，局部地基土剛度系數降低，則地基梁相應的截面處彎矩會增大，但對長梁和短梁的影響是不同的。和短梁相比，當流動荷載經過地基沉降段時，長梁由于具有更多的彈性支撐點，因此抵抗變形的能力也更強。另一方面，如果沉降發生在接縫處附近時，傳力桿承受的剪力變大，這對傳力桿是不利的。而長梁接縫少，對地基不均勻沉降適應性更好。

2 工程實例分析

2.1 工程建設條件

2.1.1工程概況

該工程位于中東某地區，陸域總面積約70萬m2。項目所在地地基為密實砂基，計劃建成一個吞吐量為250萬TEU的自動化集裝箱堆場，包括主堆場和生產輔助區等。主堆場平行碼頭岸線布置，東西長1 200 m，南北長389 m。堆場從海側到陸側共布置32條ARMG作業線，每條作業線配置1臺軌距為34 m的單懸臂ARMG，整個堆場ARMG基礎總長約18.3 km。整個項目計劃建設工期是22個月，其中16條作業線要在16個月內開港運營，整個項目的建設工期十分緊張。

2.1.2工程地質條件

工程所在區域在天然地基上吹填海砂形成。天然地基土層發育情況及工程地質特征自上而下分述如下：

①松散狀中密的夾雜海洋貝殼碎片和微量砂屑灰巖的海砂，該層厚度0～2.3 m，實測標貫擊數5～45擊，表明該層一般為中密-密實。

②層主要由輕微風化、中度弱鈣質巖石組成，也可稱為灰屑巖，頂板高程一般為海床下0～2.3 m，厚度為14～24 m。在一些區域，灰屑巖中有極弱的粉砂巖或泥巖夾層。個別鉆孔還發現了厚度為1～5 m的微風化、中弱砂巖層。

③在灰屑巖和砂巖下存在細晶巖。細晶巖主要由非常弱到弱、高度破碎的鈣質粉屑巖和灰泥巖混合粉土和黏土填充。鈣質粉屑巖和灰泥巖頂板高程為海床下14～24 m，厚度為1～13 m。部分區域存在弱風化，非常弱到弱的粉砂巖和黏土巖，厚度為2～5 m。在其他區域，微風化中強石膏層存在于③下，頂板高程為海床以下25～28 m。

綜上，吹填砂層平均厚度約12 m，吹填層以砂、礫為主，細粒土含量低。吹填砂表層6～8 m范圍經過振沖或強夯加固，處于密實狀態，承載力特征值達到150 kPa以上。經過振動碾壓后，表層30 cm以內砂土地基壓實度可達95%。

2.1.3工程氣溫條件

該項目所在地氣候為典型的沙漠氣候，年平均氣溫在25 ℃以上。全年分為兩季：5—10月為熱季，天氣炎熱潮濕，白天氣溫可達45 ℃以上；11月—翌年4月為涼季，氣候相對溫和晴朗，氣溫一般在15～35 ℃。平均地表溫度和地表以下1 m處溫差可達5 ℃。

2.1.4ARMG荷載

該工程ARMG設備軌距為34 m，基距為17 m，每個支腿有4輪，最大豎向輪壓340 kN。單條軌道上輪壓分布見圖3。軌道型號為MRS87A，質量87 kgm。

圖3 單軌ARMG輪壓分布(單位：mm)

2.2 有限元模型的建立

ARMG基礎采用鋼筋混凝土結構，斷面為倒T型，下設素混凝土找平層和級配碎石層，以擴散上部設備傳遞的荷載，基礎典型斷面見圖4。

圖4 ARMG基礎斷面(單位：mm)

2.2.1模型幾何尺寸和材料參數

本文利用Autodesk Robot Structural Analysis軟件建立不同分段長度的ARMG基礎有限元模型，用桿單元模擬地基梁，用彈性約束模擬砂性地基，見圖5。

圖5 彈性地基梁模型結構

模型中彈性地基梁截面底寬2.2 m，頂寬0.9 m，梁高0.83 m，采用C40鋼筋混凝土。模型材料參數見表1。

表1 模型材料參數

地基土采用彈簧模擬，間距為1 m。地基反力系數k可用式(2)計算。

(2)

式中:Ec為混凝土的彈性模量；Es為砂土的彈性模量；μ0為土的泊松比；b為地基梁底寬；J為梁橫截面慣性矩。根據式(1)、(2)可得，彈簧剛度系數Kv=33 MNm。

2.2.2模型約束和荷載條件

由于RMG側向力對梁的豎向彎矩影響較小，因此模型中不考慮土的側向支撐和ARMG的水平荷載。軟件中默認桿單元為固定連接，但由于相鄰段的地基梁采用傳力桿連接，并不傳遞彎矩，因此在模型中需要釋放約束，采用鉸接-鉸接的桿連接方式。模型中考慮軌道自重和地基梁上填土荷載，ARMG豎向輪壓采用流動荷載方式，步長1 m。

2.3 不均勻沉降的敏感性分析

本文根據ARMG輪壓，分別按照均勻地基和局部發生沉降的地基條件，建立了不同長度的地基梁模型，得到梁截面最大正彎矩和接縫處剪力值隨梁長變化的趨勢。本文以局部彈簧剛度系數減半來模擬地基的不均勻沉降。

從圖6可以看出，當地基梁分段長度小于10 m時，其最大正彎矩值隨分段長度的增加而增大，最大值為1 463.4 kN·m。當分段長度超過10 m后，最大正彎矩值趨于穩定。同樣，當地基局部發生沉降時也有類似的趨勢，且此時彎矩值大于連續地基時的彎矩值，但是不同長度的地基梁對局部沉降的敏感性是不一樣的。從圖7可以看出，當地基局部發生沉降時，地基梁的正彎矩值增大，但增幅隨著分段長度的增加而變小。當分段長度小于10 m時，彎矩增幅較大；當分段長度大于10 m時，彎矩增長幅度只有5 m分段增幅的一半，并且彎矩增幅隨著梁分段長度的增加而趨于穩定。

從圖8可以看出，當地基梁分段長度小于8 m時，其接縫處最大剪力值隨分段長度的增加而增大。當分段長度超過10 m后，其剪力值趨于穩定。同樣，當接縫處附近發生局部沉降時也有類似的趨勢，且剪力值大于連續地基時的剪力值，但不同長度的地基梁對接縫附近發生沉降的敏感性不同。從圖9可以看出，當接縫處附近地基發生沉降時，接縫處的剪力值增大，但增幅隨著分段長度的增加而變小。當分段長度小于8 m時，剪力增幅較大；當分段長度達到20 m時，與5 m分段相比其剪力值增幅下降了約28%，并且增幅隨著梁分段長度的增加而趨于穩定。

圖6 最大彎矩與地基梁分段長度的關系

圖7 地基局部沉降引起的彎矩增長

圖8 接縫處最大剪力與地基梁分段長度的關系

圖9 接縫附近地基局部沉降引起的剪力增長

2.4 溫度的影響

考慮晝夜溫差，梁頂比梁底溫度高5 ℃，此時混凝土拉應力出現在降溫側[5]。本文同樣建立了與上節對應的不同分段長度的地基梁模型，并僅施加溫度荷載，模型見圖10。

隨著地基梁分段長度的增加，梁底正彎矩值逐漸變大。從圖11的計算結果可知，當地基梁分段長度從5 m逐漸增加到25 m時，晝夜溫差產生的最大彎矩值逐漸增大，最大值為164.66 kN·m，占梁總彎矩的10%，而后隨著分段長度的繼續增加，最大彎矩值趨于穩定。從彎矩相對值來看，隨著地基梁分段長度的變化，溫度對地基梁的總體影響并不大。

圖10 地基梁溫度荷載

圖11 溫度應力下最大正彎矩與地基梁長度的關系

3 地基梁分段長度的確定

根據以上計算結果，為了適應地基不均勻沉降，采用分段長度大于10 m的地基梁是有利的。當梁分段長大于10 m時，最大正彎矩值和接縫處剪力值逐漸穩定，具體的分段長度可根據工程的實際情況確定。

本工程工期十分緊張，要求混凝土從制備完成到運輸至現場澆筑完畢總時長不能超過90 min，為縮短罐車移位和銜接準備的時間，提高混凝土澆筑工效，工程選用的方案是30 m一個分段；地基梁的斷面是標準的，施工采用鋼模板，30 m梁的模板安裝時間大約需要6 h，不僅大大減少了施工現場模板的數量，同時也縮短了模板安裝的時間。另外，當地采購的標準鋼筋長度是一根12 m，考慮鋼筋的搭接，一段30 m長的ARMG基礎縱向鋼筋正好由3根鋼筋組成，也避免了末段鋼筋因切割造成的浪費。目前，該工程竣工運營近1 a時間，長梁結構穩定，表觀狀態良好，未出現不均勻裂縫。

4 結論

1)砂性地基條件下采用彈性地基梁作為ARMG基礎時，分段長度10 m以上的地基梁適應地基不均勻沉降的能力更強，可以為ARMG提供穩定的基礎。

2)在ARMG荷載下，當地基梁分段長度超過10 m時，梁最大正彎矩和接縫處最大剪力均趨于穩定，在施工條件允許的情況下，地基梁可以選擇更長的分段形式。