复杂软基条件下沉箱出运坡道加固设计研究.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 21 期 2023 年 11 月Vol.54 No.21 Nov.20232590沿海城市是我国与其他国家交流的重要枢纽，也是经济发展不可忽视的一环。随着港口输入和输出量的增加，新建港口越来越多，且原有港口的改建、扩建工程也一直没有停下12。这种现象造成目前大吨位起吊船使用量不断增加，因为大吨位起吊船的船期有限，越来越多的港口建设受到了影响，最主要的是因为在海边进行建设，工期一旦延误将导致整个项目进度严重受损，所以沉箱由坡道出运的建设方式受到了广泛的关注34。海边港口的建设一直以来都存在着软弱地基处理的问题，如何在软弱地基上建设能符合沉箱出运条件的坡道，需要通过不断优化设计，根据项目的实际地质条件、水文条件进行判断45。如何加固坡道，使其能够满足要求，成为当下治理此问题的关键。根据项目实际情况使用 midas CIVIL 有限元软件对坡道的加固设计建立模型，得到满足要求的加固 设计56。此研究参考港口 F 的建设工程，因计划船期变化，需要改变原沉箱出运计划，由船用改为坡道出运，沉箱共两种形式，最大重量为 520 t。项目地下有厚层淤泥，承载能力较弱，所以在坡道正式建设前需要对坡道的地下部分进行换填，换填使用城市建设废料，主要包括建设砖渣。回填后建设的出运坡道仍需要进行加固处理，加固部分的施工措施需要根据实际情况完成受力分析，从安全性、经济性和工复杂软基条件下沉箱出运坡道加固设计研究张树彬，张洪涛（中交广州航道局有限公司，510000，广州）摘要：根据港口 F 地区的软弱地基情况，结合项目坡道设计需求，探讨了几种沉箱外运坡道的设计形式，并针对软弱地基进行坡道的加固设计，然后使用 MIDASCIVIL 对几种不同的加固方式分别建立模型，根据模型计算结果对比分析实际计算结果，完成坡道加固分析。结果表明：软弱地基上坡道的承载力与坡道加固设计的厚度不完全呈线性关系，坡道加固不仅要提升厚度，还要考虑变形的连续和施工组织，选择合适的加固方案；考虑潮汐变化按区域设置碎石层、水稳层和混凝土层的加固方式，提高了坡道的承载力，保证坡道的稳定。关键词：高压旋喷桩；复合地基；基床系数；荷载试验；抗压刚度中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)21259005stuDy on reinforcement Design of heavy caisson transportation ramp unDer complex soft founDation conDitions ZhaNG Shu-bin,ZhaNG hong-tao(CCCCGuangzhouDredgingCo.,Ltd.,510000,Guangzhou,China)abstract:This study mainly discusses the design forms of several caisson outbound ramps according to the soft foundation conditions in Port F area and the ramp design requirements of the project,and carries out the ramp reinforcement design for the soft foundation,and then uses Midascivil to build models for several different reinforcement methods,and compares and analyzes the actual calculation results according to the model calculation results,and completes the ramp reinforcement analysis.The results show as following.The bearing capacity of the ramp on the soft foundation is not completely linear with the thickness of the ramp reinforcement design,which means that the reinforcement of the ramp is not only to increase the thickness,but also to consider the continuity of deformation and construction organization,and select the appropriate reinforcement scheme.Considering the change of tide,the reinforcement methods of gravel layer,water stabilized layer and this layer are set according to the region,which improves the bearing capacity of the ramp and ensures the stability of the ramp.Keywords:port engineering;soft foundation;caisson shipment;ramp reinforcement;finite element analysis收稿日期：20230925作者简介：张树彬（1985），男，浙江遂昌人，高级工程师，email:.2591张树彬，等：复杂软基条件下沉箱出运坡道加固设计研究程效率 3 个方面确定最终的加固方案。1 工程概况1.1 工程地点及范围该项目 F 沉箱预制场位于场区东侧空地，共两块场地，第一块场地长约 144 m，宽 44 m，占地面积约 6 336 m2；第二块场地紧邻第一块场地的北侧，尺寸长 92 m，宽 28 m，占地面积 2 576 m2，总计8 912 m2。沉箱预制场位置如图 1 所示。滩涂项目范围海蓝码头沉箱预制场位置占地面积约8 912 m2港池图 1 沉箱预制场位置1.2 水域条件港池内水深为 6.03.0 m；预制场前沿设计水深约为 1.5 m，。沉箱安装现场原南护岸开挖基槽外侧为滩涂，长约 6070 m，标高为+3.000+4.000 m，原西护岸开挖基槽外侧至原旧堤间全部为滩涂，标高为+3.000+4.000 m。在沉箱安装期间，应禁止渔船出行及砂船进入港池内。预制场前沿紧邻海监码头，码头上停靠海监执法船舶，需要提前与海监相关部门协调沟通，沉箱安装期间做好船舶避让。1.3 地质条件据地面调查及野外钻孔揭露，土层自上而下分布见表 1。表 1 图层分布土层序号土层名称土层特点厚度/m工程性质1杂填土粘性土，分布不均匀1.808.60差2淤泥局部相变为淤泥质土，灰黑、深灰色0.204.80差3粉质粘土局部相变为粘土1.106.50一般4粗砂矿物成分为石英，级配较差0.704.80一般59残积质粘土 花岗岩残积砂质粘性土及不同风化等级花岗岩0.916.3较好2 沉箱外运工艺及坡道加固设计2.1 沉箱外运工艺本项目原沉箱出运、安装施工采用 600 t 起重船靠预制场前沿水域直接起吊沉箱并吊运至现场进行安装的工艺，原定的 600 t 变幅式起重船因其他重点项目需求，临时改变船期，无法按原计划进场施工，适合本项目的大型起重船均无船期进行本项目沉箱安装施工，为加快推进本项目施工，需要及时调整沉箱出运和安装工艺。具体调整工艺如下：调整沉箱出运方式，在护岸后方陆域新建沉箱出运坡道，坡度根据场地情况选取 4%及 5%，采用气囊工艺将沉箱由预制场移运至南护岸后方岸坡平台上。调整沉箱吊运方式，沉箱在平台上等待高潮时借助浮力由 200 t 起重船进行助浮吊运。2.2 坡道加固设计本工程新建外运坡道由 5 个部分组成：碎石加固层、水稳加固层、沉箱存放平台、混凝土加固层、坡道放坡加固。第一个沉箱存放平台之前的坡道称为主坡道，两个沉箱存放平台之间的称为副坡道。坡道的总长度不变，完成区域划分后提出几种不同的加固方式。这几个部分的详细加固措施如下。方案一和方案二：外运坡道全段使用 20 cm 或30 cm 厚 C25 混凝土浇筑。方案三和方案四：沉箱存放平台使用 20 cm 厚C25 混凝土浇筑，其他外运阶段均使用 20 cm 或30 cm 厚碎石加固层。方案五和方案六：沉箱存放平台使用 20 cm 厚C25 混凝土浇筑，其他外运阶段均使用 20 cm 或30 cm 厚水稳加固层。方案七和方案八：沉箱存放平台使用 20 cm 厚C25 混凝土浇筑，初始外运段使用 20 cm 或 30 cm厚碎石加固层、长 80 m；20 cm 或 30 cm 厚水稳加固层，长 50 m；最后在两个沉箱存放平台之间使用20 cm 或 30 cm 厚 C25 混凝土加固层。外运坡道加固设计示意如图 2 图 9 所示。20 cm 厚混凝土层加固20 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 2 坡道加固设计方案一示意3 模型建立3.1 截面定义因研究建模为异形截面，所以此次研究使用建 筑 技 术第 54 卷第 21 期259220 cm 厚碎石层加固20 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 3 坡道加固设计方案二示意20 cm 厚水稳层加固20 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 4 坡道加固设计方案三示意20 cm 厚混凝土层加固20 cm 厚水稳层加固20 cm 厚碎石层加固20 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 5 坡道加固设计方案四示意30 cm 厚混凝土层加固30 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 6 坡道加固设计方案五示意30 cm 厚碎石层加固30 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 7 坡道加固设计方案六示意30 cm 厚水稳层加固30 cm 厚碎石层加固30 cm 厚混凝土沉箱存放平台30 cm 厚混凝土层加固图 8 坡道加固设计方案七示意30 cm 厚水稳层加固30 cm 厚混凝土沉箱存放平台图 9 坡道加固设计方案八示意midas CIVIL自带的SPC截面定义功能78，建立模型的主界面，因高差的存在，主界面设置为一种有坡度的变截面，类似于变化的梯形截面（沉箱存放平台高差不变），截面标高最高为+9.500 m，最低为+1.200 m，坡度为4%和5%。外运坡道周边采用自然放坡，比例为12。外运坡道共20 m宽，中间12 m为加固层，两边各预留了4 m的车道。其他的土层使用规则的矩形建立，材料定义数据使用现场勘测数据。截面示意如图10所示。+9.54.8 m1212加固层4 m4 m+1.21.5 m12图 10 外运坡道截面示意3.2 材料定义此次模型的建立涉及多种土层结构，其主要材料参数设置参考现场勘察报告和国家规范，具体选用结果如下。（1）淤 泥：重 度 为 16.2 kN/m3，压 缩 系 数1.3 MPa1，压缩模量 2.0 MPa。（2）粉质粘土：重度为 19.4 kN/m3，压缩系数0.3 MPa1，压缩模量 5.6 MPa。（3）粗砂：重度为 19 kN/m3，压缩模量 5 MPa。（4）残积砂质粘性土：重度为 18.4kn/m3，压缩系数 0.4 MPa1，压缩模量 5.1 MPa。（5）全风化花岗岩：重度为 20 kN/m3。（6）砂土状强风化花岗岩：重度为 20.5 kN/m3（7）碎块状强风化花岗岩：重度为 22 kN/m3。（8）中风化花岗岩：重度为 25 kN/m3。3.3 荷载输入此模型的主要荷载来源为：结构自重、沉箱移动荷载。气囊的荷载在此次建模中可以与移动荷载月11年20232593张树彬，等：复杂软基条件下沉箱出运坡道加固设计研究融合输入910。提前设定移动荷载的形式路径。最后建立的模型如图 11 所示。图 11 midas CIVIL 模型示意 4 坡道受力分析4.1 主坡道受力分析 对主坡道和副坡道在不同的加固设计下进行有限元计算，将计算得到的坡道竖向受力、竖向位移进行分析，有限元计算结果示意如图 12 所示，因场地换填后地基下陷变形影响深度减少，为方便显示，图中只表达前两个土层的受力情况，如图 13 所示。图 12 主坡道有限元计算示意 20 40 60 80 100 120沉箱距起点距离/m20 厚混凝土20 厚碎石层20 厚水稳层20 厚碎石+20 厚水温3.53.02.52.01.51.00.5最大位移绝对值/cm（a）最大位移绝对值/cm3.02.52.01.51.00.50.0 20 40 60 80 100 120沉箱距起点距离/m30 厚混凝土30 厚碎石层30 厚水稳层30 厚碎石+30 厚水温（b）图 13 主坡道 20 cm、30 cm 厚加固设计最大沉降（a）20 cm；（b）30 cm根据图 13 可知，当加固厚度相同而使用材料不同时，发生的位移不同。在沉箱距起点距离 60 m 左右发生最大负位移沉降，符合力学基本特点。且由于混凝土材料、碎石材料和水稳层材料的弹性特性不同，相较于混凝土材料，碎石材料和水稳层材料的弹性更大，相同荷载下产生的变形更大。在 20 cm 厚加固层的支持下，水稳加固层的弹性形变最大，比碎石层高 40%左右，是混凝土加固层弹性变形的 2 倍左右，这些数据相差较大，是因为在局部受压环境下，20 cm 厚的加固层已经满足要求，并且力的大小并没有满足弹性材料最大弹性变形的条件，所以弹性材料的变形格外明显。为满足变形要求和连续施工要求，建议主坡道的前 80 m 使用碎石层，后 50 m 使用水稳层，这样变形连续且满足要求，施工组织清晰。在 30 cm 加固条件下，主坡道的形变更小，特别是在混凝土加固层，弹性形变基本可以忽略不计，因为材料厚度的增加，弹性材料的弹性极限被提升，受力范围更广，允许的受力变形也有所增加。30 cm厚加固条件下，水稳层的弹性变形比碎石层高了20%，是混凝土加固层形变的 1.5 倍，即 30 cm 加固层的设计不仅能满足沉箱外运要求，在主坡道变形上有更大的余量。4.2 副坡道受力分析副坡道的有限元计算结果示意如图 14 所示。图 14 副坡道有限元计算示意根据图 15 可知，虽然沉箱的重量没有发生变化，但是沉箱在副坡道的运输过程中产生的变形要比在主坡道产生的变形平均减少了 0.21 倍，这是因为副坡道的长度较小，坡度较缓，所产生的弯矩比主坡道要小。与主坡道一样，副坡道的沉箱外运同样是不同加固材料拥有不同形变，但与主坡道不同的是，副坡道的形变曲线无论是 20 cm 厚的加固层还是 30 cm厚的加固层，都比主坡道更加平缓，更贴近平滑曲线。副坡道加固层形变数据变化规律与主坡道不同，但其相同厚度、不同材料产生的数据比值相似，这建 筑 技 术第 54 卷第 21 期25940 6 12 18 24 30 36沉箱距起点距离/m20 厚混凝土20 厚碎石层20 厚水稳层3.53.02.52.01.51.00.50.0最大位移绝对值/cm（a）30 厚混凝土30 厚碎石层30 厚水稳层0 6 12 18 24 30 36沉箱距起点距离/m最大位移绝对值/cm1.41.21.00.80.60.40.20.0（b）图 15 副坡道 20 cm、30 cm 厚加固设计最大沉降（a）20 cm；（b）30 cm符合客观规律。从图 15 中可以得到，副坡道 30 cm 厚的加固层变形较小，在工程中基本可以忽略，特别是在使用气囊外运后，这种变形基本不会对外运造成较大的影响。副坡道的两端都是沉箱存放台，建议副坡道使用与沉箱存放台相同材料加固，满足连续施工和连续变形的条件。另一方面，考虑工程经济特性和施工条件后，在满足沉箱外运条件下，应使用经济条件更好的方案。综上所述，最后使用的加固方案如下。（1）碎石加固层：该段坡道坡度取 5%，长度为 80 m。（2）水 稳 加 固 层：出 运 坡 道 标 高+2.500+5.000 m 位于水位变动区，该段坡道坡度取 5%，长度为 50 m。（3）沉箱存放平台：沉箱出运至+2.5 m 存放平台后，存放平台混凝土厚度取 30 cm，尺寸为20 m20 m。（4）混 凝 土 加 固 层：出 运 坡 道 标 高+1.500+2.500 m 位于水位变动区，采用浇筑 20 cm C25 混凝土进行硬化，该段坡道坡度取 4%，长度36 m。（5）坡道放坡加固：根据现场实际开挖土质，对出运坡道两侧进行放坡，坡比拟采用 1 2，同时对边坡喷射砂浆进行防护。5 结论此次研究是对港口 F 项目因大吨位起重船没有船期，但仍需要保证项目进度的情况下，设计一种沉箱外运坡道的研究，研究提出了几种不同的加固方案，使用有限元模拟软件模拟实际施工，并综合考虑经济、施工的情况下，选择适用性更佳的外运坡道加固方案，研究结果如下。（1）在 20 cm 厚加固层下，水稳加固层的弹性形变最大，比碎石层高 40%，是混凝土加固层弹性变形的 2 倍，这是因为材料受压没有满足弹性材料最大弹性变形的条件所导致。为了满足变形要求和连续施工的要求，主坡道分区域使用碎石层和水稳层进行加固；副坡道因为两端都是沉箱存放平台，所以要使用与存放平台一致的材料来满足变形要求和连续施工的要求。（2）30 cm 厚加固层产生的变形更小，有更多的结构形变余量，但考虑施工的经济性和海边施工要求，只在转运平台上使用 30 cm 厚混凝土加固层。（3）最后的加固设计是碎石层、水稳层、混凝土层分段设计、灵活变动，最大程度地满足工程、经济要求。参考文献1 盛仁声.上海地区新建试车场软土路基加固与沉降观测实例分析J.岩土力学,2003(S2):475480.2 阿斯哈,周长东.复合加固圆形木柱轴心受压承载力计算 J.工程科学与技术,2021,53(5):9.3 任伟,黄平明,李晓路,等.预应力 TRM 加固混凝土梁最优预应力计算方法 J.中国公路学报,2022,35(9):311320.4 钟聪明,朱岩松,王福安.京广中心加固改造设计 J.建筑结构,2014,44(24):8994.5 张洪源,田砾,陈静茹,等.某超市火灾后结构的鉴定及加固 J.工业建筑,2014,44(3):169172.6 张勇,付信根,陈密.某人行天桥加固方案探析 J.铁道建筑,2009(3):3841.7 王永宝,毛敏,刘志华,等.体外预应力加固预应力混凝土梁的静力试验 J.建筑结构,2022,52(S1):21072113.8 刘俊鹏,司金艳,赵佳成,等.重载铁路桥梁抗剪加固措施 J.铁道建筑,2022,62(5):9498.9 苏新,孟二从,袁军,等.蜂窝钢柱抗震加固有限元分析 J.工程抗震与加固改造,2022,44(2):141150.10 崔光耀,麻建飞,宁茂权,等.超大矩形顶管盾构隧道近接下穿高铁施工加固方案对比分析 J.岩土力学,2022,43(S2):414424.