基于均勻設(shè)計(jì)的沉箱重力式碼頭抗滑抗傾設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

鄭世武 趙京 天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)港口建設(shè)的要求越來(lái)越高，港口建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大、建設(shè)速度也逐漸加快。重力式沉箱結(jié)構(gòu)的碼頭在港口建設(shè)中占據(jù)相當(dāng)大的比重。沉箱結(jié)構(gòu)具有一次性出水、施工速度快、水下作業(yè)量少、碼頭整體穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，沉箱結(jié)構(gòu)是重力式碼頭的主要結(jié)構(gòu)形式，為了保持沉箱結(jié)構(gòu)在施工階段和后期的穩(wěn)定運(yùn)行，重力式沉箱碼頭施工的關(guān)鍵工序是沉箱的預(yù)制、出運(yùn)和安裝。隨著沉箱的規(guī)模化發(fā)展，碼頭施工不斷涌現(xiàn)出新技術(shù)、新工藝。對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算就顯得特別重要。本文以一個(gè)工程實(shí)例介紹重力碼頭的穩(wěn)定性計(jì)算。

1.項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于北方某港口，建設(shè)3個(gè)5萬(wàn)噸級(jí)一般泊位(水工結(jié)構(gòu)按10萬(wàn)噸級(jí)設(shè)計(jì))，岸線總長(zhǎng)891m，其中碼頭岸線長(zhǎng)769 m，垂直岸線墻長(zhǎng)122m。主體結(jié)構(gòu)采用重力沉箱式，后軌軌道基礎(chǔ)作用于沉箱，為鋼筋混凝土軌梁結(jié)構(gòu)型式。沉箱長(zhǎng)18.77米，寬12.65米，高14.0米，共有12個(gè)隔間，單重約1567噸。箱體內(nèi)回填中粗砂，縱向接縫處設(shè)置鋼筋混凝土嵌板和混合礫石過(guò)濾體。沉箱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，沉箱后側(cè)基床后肩頂依次鋪設(shè)0.8m厚二片層墊層、0.8m厚混合倒濾層和二層非織造土工布（400g/m2），在碼頭胸墻和沉箱接縫處布置混合碎石倒濾體，并在其表面鋪設(shè)二層非織造土工布。碼頭后方回填中粗砂（?≥32°、含泥量<5%，振沖密實(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)N≥15）。

2.設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)水位

高程基準(zhǔn)面為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗ＴO(shè)計(jì)高水位為1.21m；設(shè)計(jì)低水位為-1.50m；極端高水位為2.38m；極端低水位為-2.12m。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)項(xiàng)目勘察單位提供的勘探報(bào)告揭露，地基土按照自上而下的順序分為以下幾層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粗砂、粉質(zhì)粘土、中砂、粉質(zhì)粘土、粗砂、粉質(zhì)粘土、礫砂、含角礫粘土等。

勘察區(qū)范圍內(nèi)沒(méi)有滑坡、泥石流、地裂、崩塌等災(zāi)害隱患，區(qū)內(nèi)不存在易發(fā)生滑移、坍塌、垮塌崩岸等地質(zhì)問(wèn)題。經(jīng)判斷場(chǎng)地內(nèi)土類型屬于中軟場(chǎng)地土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，廠區(qū)內(nèi)沒(méi)有液化地層的存在。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)穩(wěn)定性較好，適合進(jìn)行工程建設(shè)。

2.3 設(shè)計(jì)荷載

（1）堆貨荷載。碼頭前沿作業(yè)地帶按均載q1=30kPa。

（2）裝卸機(jī)械荷載。采用2臺(tái)軌距為10.5m的40t-35m多用途門(mén)機(jī)；鋼軌型號(hào)：QU80。門(mén)機(jī)軌道最大荷載按40t-35m多用途門(mén)機(jī)控制，其主要參數(shù)最大輪壓300KN；軌距10.5米；基距10.5米；8個(gè)輪/支腿，兩門(mén)機(jī)之間最小距離1.5米，輪距約0.765米,兩臺(tái)機(jī)之間最小輪距：1.5米。

（3）流動(dòng)機(jī)械荷載。流動(dòng)荷載主要為40t集裝箱平板掛車(chē)、80t拖掛車(chē)、50t輪胎吊。50t輪胎吊主要性能參數(shù)有最大起重量為50t；輪距為2.4m；軸距為3.175m（前、中橋）、1.45m（中、后橋）；支腿橫向間距為6.4m、支腿縱向間距為7.0m；一對(duì)輪胎的極限反力230kN、一個(gè)支腿的極限反力550kN。

3.碼頭抗傾抗滑穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用豐海港口工程計(jì)算系統(tǒng)（版本號(hào)：ver1.09.0420）進(jìn)行，對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)抗滑、抗傾、地基承載力及整體穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。

3.1 驗(yàn)算公式

（1）抗滑抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算。抗滑、抗頃穩(wěn)定驗(yàn)算采用《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS167-2-2009）以下2個(gè)公式。

a、抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

波浪力為主導(dǎo)可變作用時(shí)：

b、抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算

波浪力為主導(dǎo)可變作用時(shí)：

以上兩個(gè)公式中：

γ0——結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，取1.0

γE——土壓力分項(xiàng)系數(shù)，取1.35（1.25）

γP——波浪力水平力分項(xiàng)系數(shù)，取1.30

3.2 驗(yàn)算結(jié)果

在各種水位條件下分別進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算和抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算均滿足要求（見(jiàn)表1）。

表1 承載能力極限狀態(tài)抗傾抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

4.重力式碼頭整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)勘察報(bào)告，碼頭地基為硬塑粉質(zhì)粘土及強(qiáng)風(fēng)化巖，碼頭整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如下，最小抗力分項(xiàng)系數(shù)滿足規(guī)范要求。計(jì)算沉箱的穩(wěn)定性是保證沉箱施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不發(fā)生傾覆的重要依據(jù)。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及碼頭的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行穩(wěn)定分析，計(jì)算難度不大，但相對(duì)較繁瑣。在改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的時(shí)候需要重新計(jì)算，工程量比較大，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已能實(shí)現(xiàn)對(duì)沉箱的模擬分析，特別是在分析不同工況、壓載條件下的浮游穩(wěn)定性，十分方便高效。可實(shí)現(xiàn)三維可視化，使計(jì)算結(jié)果更加形象生動(dòng)。

5.小結(jié)

沉箱結(jié)構(gòu)是一種非常常見(jiàn)的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式，本文以實(shí)際工程為例，對(duì)沉箱碼頭的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算分析，對(duì)照現(xiàn)行規(guī)范滿足穩(wěn)定性要求，并對(duì)穩(wěn)定性驗(yàn)算進(jìn)行了分析，為類似項(xiàng)目提供參考。