某散貨碼頭堆場承載能力評估研究

任曉亮 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，碼頭的吞吐量快速增長，碼頭后方堆場資源寶貴[1-2]，通過對堆場現(xiàn)狀承載能力進(jìn)行評估論證，充分挖掘發(fā)揮堆場的堆存能力，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本文以粵西沿海某散貨堆場為例，依據(jù)地質(zhì)勘察資料，簡化計(jì)算邊界條件，采用不同的堆料高度進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，對該散貨堆場承載能力進(jìn)行評估，同時(shí)計(jì)算評估堆場未來達(dá)到各級荷載的加載時(shí)間以及沉降量。對類似項(xiàng)目評估具有較好的借鑒意義。

1.工程概況

粵西沿海某散貨堆場，長度為1330m，寬度為96m。堆場南北側(cè)為斗輪機(jī)軌道梁基礎(chǔ)，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基加固，南北側(cè)邊界有加固體約束作用，堆礦寬度約86m。堆場區(qū)域原由疏浚土吹填后經(jīng)地基處理形成陸域，堆場目前處于運(yùn)營狀態(tài)。根據(jù)勘察檢測結(jié)果對該堆場能力提升進(jìn)行核算、評估及論證。

2.計(jì)算依據(jù)

勘察斷面沿堆場長度方向200m間距布置，每個(gè)勘察斷面布置一個(gè)靜力觸探孔和一個(gè)原狀土孔（鉆孔編號ZK21～ZK27）和兩個(gè)十字板剪切孔。

2.1 地質(zhì)條件

圖1 堆場平面示意圖

圖2 堆場典型斷面圖

表1 土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察資料，土層自上而下主要為①素填土，②1淤質(zhì)粉質(zhì)粘土，②1-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土混砂，②2粉細(xì)砂，②3中粗砂，③2中粗砂，③4粉質(zhì)黏土，④1黏土，④2黏土，其中軟土層厚度在5～6m。

2.2 邊界簡化條件

地基穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，按平面問題考慮。進(jìn)行現(xiàn)狀承載能力分析時(shí)，沿縱向方向不考慮邊界加固體約束作用，均按地基原狀土層考慮；進(jìn)行運(yùn)營期分級堆高方案分析時(shí)，以沿堆場縱向進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3 地基土強(qiáng)度增長理論[4]

對于正常固結(jié)的黏性土，地基土強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算:

式中：

cuk―地基或土層的強(qiáng)度增量的標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

Urz―地基或土層的平均應(yīng)力固結(jié)度;

σzk―地基或土層垂直附加應(yīng)力平均值標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土增長后抗剪強(qiáng)度采用原位十字板強(qiáng)度加上抗剪強(qiáng)度增量值。粉質(zhì)黏土及黏土采用直剪快剪指標(biāo)，將抗剪強(qiáng)度增量近似作為粘聚力增長，摩擦角不變。

2.4 穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)

地基土采用十字板強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，地基穩(wěn)定安全系數(shù)要求達(dá)到1.1～1.3以上[3]。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，對堆場地基穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)要求：不小于1.1。

3.論證評估

3.1 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

圖3 不同堆載高度的穩(wěn)定系數(shù)圖

圖4 現(xiàn)狀堆高12m時(shí)反壓護(hù)道尺度示意圖（平臺寬度 16m）

采用邊坡穩(wěn)定分析軟件slide進(jìn)行堆場地基穩(wěn)定二維計(jì)算分析，采用瑞典簡單條分法進(jìn)行地基穩(wěn)定性計(jì)算，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土采用十字板強(qiáng)度指標(biāo)，其余土層采用直剪快剪指標(biāo)。通過對堆場對應(yīng)勘察檢測斷面（鉆孔ZK21～ZK27）進(jìn)行地基穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)穩(wěn)定安全系數(shù)綜合評判堆場現(xiàn)狀堆載能力。堆場地基穩(wěn)定性安全系數(shù)如圖3。

由上述理論計(jì)算結(jié)果可知，堆場現(xiàn)狀所有區(qū)域可滿足堆高9m（荷載225kPa）的承載能力，部分區(qū)域滿足堆高10m（荷載250kPa）的承載能力。個(gè)別鉆孔計(jì)算結(jié)果顯示堆載能力較大，考慮到地質(zhì)不均勻，該勘察檢測斷面不具完全代表性，局部區(qū)域承載能力較高時(shí)按相鄰區(qū)域相對較低承載能力確定。

3.2 分級堆載分析

采用代表性鉆孔進(jìn)行分級堆載分析，假定表層素填土仍具有良好排水功能，堆場現(xiàn)狀分級加載采用每2～3m為一個(gè)荷載級別結(jié)合反壓護(hù)道的方式實(shí)施，以下計(jì)算滑動(dòng)方向沿堆場縱向方向，暫不考慮橫向方向的影響。

1）不考慮塑料排水板作用，按土層豎向單向排水計(jì)算。從9m堆高至滿足12m堆高，采用反壓護(hù)道的方式（反壓護(hù)道平臺寬度16m，高度9m，穩(wěn)定安全系數(shù)1.137），地基固結(jié)度達(dá)到96.8%時(shí)，十字板強(qiáng)度增長10.7kPa，十字板強(qiáng)度為76.2kPa，對應(yīng)粉質(zhì)粘土固結(jié)度51.5%，抗剪強(qiáng)度增長6.5kPa；此時(shí)安全系數(shù)大于1.1，采用固結(jié)理論[4]計(jì)算，12m堆高滿載結(jié)合反壓護(hù)道所需有效堆存時(shí)間約4000天。

從12m堆高至滿足14m堆高，采用反壓護(hù)道的方式，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)度達(dá)到97.5%，十字板強(qiáng)度為87.1kPa；粉質(zhì)粘土固結(jié)度64.7%，抗剪強(qiáng)度增長16.3kPa；④1粘土固結(jié)度27.7%，抗剪強(qiáng)度增長6.6kPa；此時(shí)安全系數(shù)大于1.1，采用固結(jié)理論[4]計(jì)算，14m堆高滿載結(jié)合反壓護(hù)道所需有效堆存時(shí)間3500天。

因此，當(dāng)不考慮塑料排水板作用時(shí)，堆場區(qū)域現(xiàn)狀繼續(xù)采用運(yùn)營期分級逐步堆高方案，滿足14m高礦石荷載（350kPa）的承載能力要求，理想狀態(tài)下需要7500天以上，且需采用設(shè)置反壓護(hù)道的方式進(jìn)行堆高。

2）考慮塑料排水板正常使用。從10m堆高至滿足12m堆高，采用反壓護(hù)道的方式（反壓護(hù)道平臺寬度13m，高度10m，穩(wěn)定安全系數(shù)1.108），淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)度需達(dá)到96.8%，十字板強(qiáng)度為76.2kPa；粉質(zhì)粘土固結(jié)度51.4%，抗剪強(qiáng)度增長6.5kPa；安全系數(shù)大于1.1，采用固結(jié)理論[4]計(jì)算，10m堆高滿載結(jié)合反壓護(hù)道所需有效堆存時(shí)間約120天。

從12m堆高至滿足14m堆高，采用反壓護(hù)道的方式，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)度達(dá)到99.7%，十字板強(qiáng)度為87.6kPa；粉質(zhì)粘土固結(jié)度70%，抗剪強(qiáng)度增長17.7kPa；④1粘土固結(jié)度5%，抗剪強(qiáng)度增長1.2kPa；此時(shí)安全系數(shù)大于1.1，采用固結(jié)理論[4]計(jì)算，14m堆高滿載結(jié)合反壓護(hù)道所需有效堆存時(shí)間180天。

因此，當(dāng)考慮塑料排水板正常使用時(shí)，堆場區(qū)域現(xiàn)狀繼續(xù)采用運(yùn)營期分級逐步堆高方案，滿足14m高礦石荷載（350kPa）的承載能力要求，理想狀態(tài)下需要300天以上（考慮分級連續(xù)加載，中途不卸載，暫不考慮堆載時(shí)沉降速率過快的限制），且需采用設(shè)置反壓護(hù)道的方式進(jìn)行堆高。

3）根據(jù)對代表性鉆孔分級堆高計(jì)算，在現(xiàn)狀承載能力基礎(chǔ)上進(jìn)行分級堆高，基本需要20年左右（有效堆存時(shí)間，即滿載壓載時(shí)間），地基土強(qiáng)度增長緩慢；如果現(xiàn)狀地基排水系統(tǒng)良好，排水固結(jié)所需時(shí)間相對較短，基本需要1年左右（有效堆存時(shí)間，即滿載壓載時(shí)間）。根據(jù)堆場頻繁加卸載的使用特點(diǎn)，有效堆存時(shí)間難以準(zhǔn)確計(jì)量，同時(shí)存在空載期和欠載期，實(shí)際需要的時(shí)間將更長。

3.3 滿足14m高礦石荷載（350kPa）的承載能力堆場沉降量[4]

堆場使用荷載較大，地基沉降計(jì)算主要對象為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和④1 黏土，④2 黏土為硬塑狀態(tài)，對沉降影響小，忽略不計(jì)。

由于堆場寬度和縱向長度較大，不考慮上部使用荷載沿深度折減。采用e-lgp 曲線（壓縮指數(shù)CC）計(jì)算主固結(jié)沉降量。

經(jīng)計(jì)算，在增加的附加應(yīng)力作用下，主要的地基土層固結(jié)度和主固結(jié)沉降量如下：

②1 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)度97.5%，主固結(jié)沉降量 0.112m；

③4 粉質(zhì)粘土固結(jié)度 64.7%，主固結(jié)沉降量 0.027m；

④1 粘土固結(jié)度 27.7%，主固結(jié)沉降量 0.019m；

加載至 35t/m2荷載承載能力時(shí)總沉降量為（1）+（2）+（3）=0.157m。地基永久總沉降量為0.23m。

由于沉降計(jì)算屬于理論計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際發(fā)生可能存在一定偏差，以實(shí)測沉降值為準(zhǔn)。可見，按現(xiàn)狀繼續(xù)堆高，使用期堆場還將發(fā)生沉降，需結(jié)合堆場現(xiàn)狀沉降情況和作業(yè)需要，必要時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

4.結(jié)語

（1）通過穩(wěn)定性計(jì)算分析，13#堆場現(xiàn)狀所有區(qū)域可滿足堆高9 m（荷載225kPa）的承載能力，部分區(qū)域滿足堆高10m（荷載250kPa）的承載能力。

（2）根據(jù)對代表性鉆孔分級堆高計(jì)算，堆場在現(xiàn)狀承載能力基礎(chǔ)上進(jìn)行分級堆高，滿足14m高礦石荷載（350kPa）的承載能力，基本需要20年左右（有效堆存時(shí)間，即滿載壓載時(shí)間），地基土強(qiáng)度增長緩慢；如果現(xiàn)狀地基排水系統(tǒng)良好，排水固結(jié)所需時(shí)間相對較短，基本需要1年左右（有效堆存時(shí)間，即滿載壓載時(shí)間）。

（3）由計(jì)算分析可知，軟土地基打設(shè)塑料排水板，能夠有效減少土體的固結(jié)時(shí)間。

（4）按現(xiàn)狀繼續(xù)堆高，使用期堆場還將發(fā)生沉降，地基永久總沉降量0.23m，需結(jié)合堆場現(xiàn)狀沉降情況和作業(yè)需要，必要時(shí)進(jìn)行修復(fù)。