重力式码头结构基底应力的优化分析

摘 要：本文借助实际工程为例，对重力式码头结构基底应力进行了分析。提出了减小基底应力的措施，主要包括调整前趾长度、改变墙后回填料、调整基床厚度，并逐一分析其对基底应力的影响趋势。通过对计算结果的分析，得出结论，所得分析结果可供工程设计中参考与应用。

关键词：重力式码头；基底应力

1、前言

在我国内河及沿海码头设计中，重力式码头是一种使用较多的结构形式。该结构坚固耐用，抗冻性和稳定性良好，能承受较大的上部地面载荷以及船舶载荷，对较大的集中载荷以及装卸工艺变化适应性强，施工简单、维修费用小。

重力式码头主要靠结构的自身重量来保证其抗滑和倾倒稳定性的挡土建筑物，因为重力式码头自重大，所以对地基承载力要求较高，而在内河码头中，重力式结构底板多坐落在粘性土、粉质黏土等承载力较低的土层上，地基承载力达不到重力式码头基底应力的设计要求，设计中，常常需要进行地基处理，方能满足结构使用要求。常见的地基处理方式有多种，如水泥搅拌桩加固地基、水泥粉煤灰碎石复合地基、桩基加固、换填块石等，地基处理费用较高，如果能对上部结构进行优化设计，则可节省不少投资。本文重点论述重力式码头结构地基应力的优化设计分析，以期对实际工程设计提供一定的参考和借鉴意义。

2、减小基底应力的措施分析

以江苏常州某码头为例，分别采用调整前趾长度、改变墙后回填料、调整基床厚度三种方法进行基底应力计算分析。码头结构断面如图1。

3.1 调整前趾长度

重力式码头结构基底应力分布特点：受水平土压力及上部荷载的影响，结构底板处于偏心受压状态。通过调整前趾长度（即调整偏心距），来降低前趾的最大基底应力是结构设计中常采用的方法之一。

本文给出5个前趾长度（分别为1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm），分别进行基底应力的计算，结果见表1、表2。

从计算结果可以看出，前趾的加长使得重力式结构前趾基底应力减小，同时，后踵基底应力增加，但结构前趾长度的增加不会引起基底总应力的变化，即σ=σmin+σmax是“定值”（忽略增加部分前趾长度的自身影响）。

本工程重力式结构基底应力最大出现在地震期低水位工况（前趾）和完建期工况（后踵），统计基底应力最大值做出趋势线比较如图2。

图中可以看出，基底应力与前趾长度呈线性关系，前趾长度小于1240mm时，基底应力的大值出现在前趾，大于1240mm时，基底应力的大值转移到后踵。

图中前趾应力和后踵应力趋势线的交点，即为结构前趾的“最优长度”，该长度所对应的基底应力为结构最大基底应力的极小值。前趾与后踵的应力变化类似于“跷跷板”，调整前趾长度并不能影响总应力的变化，只调整了基底应力的均匀性。

3.2 改变墙后回填料

正如前文所述，重力式码头结构受水平土压力的影响，导致前趾应力较大。将墙后回填土改为抛石，可以有效降低墙后土压力，减小偏心距，从而减小前趾应力。

本文分别计算墙后回填土与回填抛石后的基底应力，比较结果见表3。

通过改变墙后回填料，基底应力最大值由137kPa降低到111kPa。

3.3 调整基床厚度

重力式码头結构设计中，当地基土为软土或承载力不能满足设计要求时，经常通过设置抛石基床来达到设计目的。一方面抛石基床可以置换掉上层部分软土，另一方面，抛石基床可以将结构底板的压力分布到较大的面积上，可以有效的降低基底应力，从而满足地基承载力的要求。

本文给出6个基床厚度（分别为0m、0.4m、0.5m、1m、1.5m、2m），分别进行基底应力的计算，结果见表4、表5。

从计算结果可以看出，相比于后踵，基床厚度对前趾最大应力影响更为明显。

本工程重力式结构基底应力最大出现在地震期低水位工况（前趾）和完建期工况（后踵），统计基底应力最大值做出趋势线比较如图3。

从图中看出随着基床厚度的增加基底应力逐渐减小，并且趋于一个定值。基床厚度在1m以内，对应力影响较为明显。根据计算点分布拟合关系方程如下：

前趾：y = 6.597x2 - 31.40x + 148.7 R2= 0.999 ymin=111 kPa

后踵：y = 4.841x2 - 18.54x + 100.8 R2= 0.999 ymin=83 kPa

根据拟合方程计算，通过调整基床厚度得到的前趾应力最小值为111kPa，后踵应力最小值为83kPa。

4、结语

本研究通过借助实际工程，对重力式码头结构的基底应力进行计算分析，得出以下结论：

1）通过调整前趾长度，可以有效地降低基底最大应力。

2）采用抛石代替回填土能取得较好效果，但抛石造价相对较大。设计中应根据实际情况选择合适的设计方案。

3）随着基床厚度的增加基底应力逐渐减小，但会趋于定值。

4）如果最大应力出现在完建期，可以通过合理安排施工工序，达到降低基底应力的目的，墙后回填料不要一次性回填至设计标高，采用先回填至一定标高后，开堰放水，再进行剩余部分的回填施工。

参考文献：

[1] 陈栋梁，党进谦. 重力式挡土墙的截面优化设计研究[J]. 岩土力学，2007，（09）：1969-1973.

[2] 李巨文，王翀，梁永朵，冯震. 挡土墙后粘性填土的主动土压力计算[J]. 岩土工程学报，2006，（05）：650-652.

[3] 秦川，别社安. 重力式码头抛石基床应力分析[J]. 水运工程，2014，（03）：88-93.

[4] 王卫华. 重力式、悬臂式、扶壁式挡土墙结构优化设计与选型[D].兰州理工大学，2005.

[5] 贺雪菲. 施工回填方式对挡土墙基底应力的影响[J]. 东北水利水电，2016，34（11）：47-48+57.

[6] 重力式码头设计与施工规范[S]. 中华人民共和国交通运输部发布， 2009.

作者简介：

张玉彬（1986-），毕业于大连理工大学，工程师，从事水运、水利行业设计.