基于有限元計算的自動化堆場軌道基礎方案

廖晨彥，岑學徐，喬 梁

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州，510290)

自動化集裝箱碼頭堆場通常采用ARMG作業，其作業特點是沿固定軌道行駛、自動化程度高，而軌道基礎正是保障RMG平穩高效作業的關鍵，目前國內運用成熟的軌道基礎類型主要有樁基軌道梁基礎、復合地基軌道梁基礎和軌枕道砟式基礎等3種類型[1-3]。隨著國內港口自動化、智能化的發展，軌道基礎的沉降控制標準越來越高，如何在高要求和經濟性之間取得平衡成為了設計的一大難題。本文基于欽州港大欖坪港區7#～10#泊位自動化碼頭項目，對軌道梁基礎方案進行分析，并提出了一種基于有限元計算分析的優化思路。

1 項目概況

欽州港大欖坪港區自動化碼頭工程位于欽州保稅港區南端，陸域總面積約63.2萬m2，根據總平面和工藝設計，自動化集裝箱堆場相對于碼頭前沿呈U形垂直分布，采用ARMG作業，跨距37 m，每個支腿6個輪，共4個支腿，工作狀態輪壓300 kN、非工作狀態最大輪壓400 kN。

根據鉆孔資料顯示，場地土層自上而下依次為①填土(主要為中砂)、②1淤泥、②2淤泥質土、②3砂混淤泥(或細砂)、③黏性土、④中粗砂、④1細砂、侏羅系基巖層。其中軟土層的時空分布不均勻，厚度在0～12.1 m不等?；谲浲翆拥暮穸炔煌?，在不同區域采取了強夯振沖、插板、堆載預壓等方式進行組合處理，處理后交工面承載力能夠達到150 kPa，工后沉降20 cm。

2 軌道基礎設計方案

為滿足ARMG高精度作業的需求，軌道基礎的差異沉降應控制在0.1%以內[4]。由于軟土的分布不均勻且厚度較大，差異沉降難以通過強夯、振沖等常規地基處理方式消除，因此常規的軌枕道砟軌道基礎和彈性軌道梁擴大基礎在本項目中均不適用，后期的差異沉降會導致頻繁的維護和檢修，同時也會對作業安全帶來隱患。經過綜合考慮，在項目初步設計階段，軌道基礎方案主要考慮PHC樁基軌道梁和復合地基軌道梁兩種方案。

2.1 PHC樁基軌道梁基礎方案

PHC樁基軌道梁基礎采用直徑0.6 m的AB型PHC樁，間距4.5 m布置，見圖1，軌道梁采用矩形截面梁，寬高尺寸為1.0 m×1.6 m。上部軌道梁與下部樁基通過樁芯現澆連接在一起，形成整體結構。其中PHC樁深入基巖，在為軌道梁提供足夠豎向承載力的同時，通過整體式的結構也為軌道梁提供了強大的抗水平力，有效避免了軌道基礎在使用過程中發生的水平位移。由于不考慮樁間土的共同作用，樁基軌道梁的截面彎矩比彈性地基梁更大一些，因此截面配筋率也隨之增加。

圖1 PHC樁基軌道基礎方案(單位：mm)

2.2 復合地基軌道梁基礎方案

根據鉆孔資料，場地軟土層厚度及分布雖然不均勻，但深度均在20 m以內，可以采用水泥攪拌樁對軌道基礎范圍進行二次處理，局部提高地基承載力、有效減少工后沉降。

復合地基采用樁徑0.6 m的水泥攪拌樁垂直于軌道方向相切布置3根，間距0.6 m，沿軌道梁方向樁間距1.2 m；軌道梁兩側擴大處理的3～5排攪拌樁，間距1.4 m×1.4 m，正方形布置。樁體無側限抗壓28 d齡期強度不小于1.0 MPa。軌道梁結構采用彈性地基梁，倒T形截面(上頂寬×下底寬×高=0.8 m×1.7 m×1.5 m)，在軌道梁下設置10 cm C15素混凝土墊層、20 cm水穩基層和30 cm的級配碎石底基層，形成3層擴大基礎，進一步減少由軌道傳遞的豎向壓力，提高結構的穩定性，見圖2。

圖2 復合地基軌道基礎方案(單位：mm)

2.3 方案比選

針對初設階段提出的兩種可行方案，從施工工期、質量以及沉降控制和造價等方面進行了定性和定量的比較[5]，見表1。

表1 初設階段方案比選

考慮到該項目施工工期緊、對質量要求高，為保障項目按期完工和后期的順利運營，最終選擇PHC樁基軌道梁基礎方案作為設計方案。

3 PHC樁基軌道梁基礎方案優化

3.1 方案優化思路

由于方案造價較高，為了縮減項目成本，進一步優化PHC樁基軌道梁方案，主要從PHC樁的樁徑、樁距以及軌道梁截面3個方面，通過不同的組合比選得到最優方案?？紤]PHC樁的持力層位于中風化巖層，樁徑確定情況下樁基的承載力是確定的，因此通過比較不同組合下樁基承載力的利用率，可以得到以樁基承載力利用率最大為目標的最優組合。優化思路見圖3。

圖3 優化流程

3.2 SAP2000有限元建模分析

以軌道梁29 m的標準段為例，采用SAP2000軟件進行有限元建模分析，根據優化思路和中間成果，建立了圖4所示的模型。軌道梁基礎組合建模方案見表2。

圖4 PHC樁基軌道基礎有限元模型

表2 軌道梁基礎組合建模方案

選取場地內具有代表性的鉆孔數據分別計算不同樁徑PHC樁的承載力特征值，結果見表3。

表3 PHC樁基設計承載力特征值

分別計算承載力極限狀態和正常使用極限狀態下各組合方案的軌道梁及樁基內力，結果見表4。

表4 內力計算結果

3.3 優化方案分析

3.3.1樁徑的確定

通過比較組合1和組合2軌道梁標準段模型的內力(圖5、6，表3)可知，采用800PHC樁后，樁間距擴大到了6 m，從而每標準段軌道梁可減少1根樁基，樁基抗壓承載力也從2 263 kN顯著提升到3 516 kN，但承載力的利用率卻從94.1%下降至76.4%，說明樁基承載力有較大富余，如果進一步擴大樁間距，軌道梁承受的彎矩也會相應增加，則原截面將無法滿足。經過概算比較每標準段軌道梁造價，組合1仍要高出1 000元左右，因此在承載力足夠的前提下，采用600PHC樁是更優選擇。

圖5 組合1軌道基礎內力

3.3.2樁距的確定

在確定了樁徑后，通過比較組合2、3方案確定樁間距。內力計算結果見圖6、7及表4。原方案采用的4.5 m樁間距相對保守，當間距擴大到5.0 m時，樁基數量即可減少1根，但如果需要進一步減少樁基數量，則樁間距需要擴大至6.0 m以上，會對梁截面彎矩產生較大影響，且通過組合1可知，6.0 m樁間距時的樁軸力將超過600PHC樁的特征值，因此只對4.5 m和5.0 m樁間距進行比較。分析組合2與組合3方案標準段軌道梁模型的計算結果可知，樁間距擴大到5.0 m是能夠滿足設計要求的，且樁基承載力仍有一定富余。

圖6 組合2軌道基礎內力

圖7 組合3軌道基礎內力

3.3.3軌道梁截面優化

考慮到600PHC樁在5.0 m間距布置的情況下樁基承載力仍有一定富余，且無法通過擴大樁間距實現樁基數量的優化，因此在此基礎上對軌道梁截面進行優化比選。由于軌道可調式基座的寬度要求不小于400 mm，因此軌道梁寬度1 m是比較合理的，調整優化的空間不大，通過組合2、4、5、6，比較梁寬不變情況下減少梁高能否滿足設計要求是主要的優化方向。

比較組合2～6的計算結果(圖6～10，表4)可知，當截面尺寸為1.0 m×1.2 m時，樁基承載力利用率最大，為98.6%，但考慮到場地地質條件的不均勻分布，存在局部區域單樁承載力無法達到設計特征值的情況。因此考慮截面尺寸為1.0 m×1.4 m時，樁基承載力利用率達到96.8%，仍有少量富余，更為合適。

圖8 組合4軌道基礎內力

圖9 組合5軌道基礎內力

圖10 組合6軌道基礎內力

4 結論

1)自動化堆場中軌道基礎是保障ARMG高效安全作業的關鍵，在設計中應結合地質條件和地基處理方案進行多方案比選，最終確定最合理的設計方案。

2)PHC樁基軌道梁方案和復合地基軌道梁方案是自動化堆場中最常用的兩種方案，PHC樁基能夠消除軌道梁基礎的不均勻沉降，而復合地基則更具經濟性。

3)通過SAP2000對PHC樁基軌道梁基礎進行有限元建模分析，能夠準確反映出軌道梁與PHC樁基在ARMG動荷載作用下的共同受力狀態，從而有效指導方案的優化設計。

4)本文提出了一種PHC樁基軌道梁基礎的優化思路，并通過SAP2000進行有限元建模計算，最終比選優化得到適用于本項目的最優樁徑、樁距和軌道截面組合。