散货堆场堆取料机轨道基础设计方法探讨

李倩 广东省航道测绘中心（广东省航道技术保障中心）

1.前言

大型散货堆场主要采用堆取料机进行装卸作业，堆取料机轨道基础采用桩基+轨道梁是常用的一种结构形式，具有占地面积小，地基沉降适应性好，施工方便快捷等优点。大型散货堆场一般承受较大堆货荷载且荷载面积大，软弱地基易产生变形和不均匀沉降，土层压的缩沉降产生桩侧负摩阻力，从而引起对桩基的下拉荷载。结合工程实例，探讨软弱地基堆取料机轨道基础计算方法。

2.工程概况

某工程位于长江下游，工程拟建设1个散货泊位、2个件杂货泊位以及港口陆域配套设施。港区后方布置有散货堆场，采用堆取料机作业，共布置2条堆取料机运输线，每条堆取料机基础长310m，基础顶面高于地面2.0m。

2.1 工艺荷载

（1）堆取料机：轨距：10 m，堆取料机轮数：20×2 个，轮距：0.85m，最大轮压：300kN，轨道型号QU100。

（2）散货堆场均载200kPa。

2.2 工程地质

堆场区域覆盖层厚度大，土层主要分布如下：①1人工填土：杂色，松散状，稍湿；②1淤泥及淤泥质粉质黏土：褐灰色、灰褐色，流塑～软塑状；②2粉质黏土：褐灰色，流塑～可塑状，很湿～饱和；③粉细砂：灰色、灰绿色，饱和，稍密～中密状、局部松散状；③1粉质黏土：灰黄色、褐黄色、灰绿色，可塑状；④粉细砂：灰黄色、褐黄色，饱和，呈中密～密实状；④1粉质黏土：灰黄色、灰绿色、灰色，可塑～硬塑；⑤1粉细砂：灰黄色、灰色，饱和，中密～密实状。地质剖面图见图1。

图1 地质剖面图

2.3 堆取料机基础结构形式

根据工程地质资料分析，堆场区域20 m 厚范围内土层标准贯入击数较低，多在2～15击，散货堆场区荷载较大，对地基承载力及沉降要求较高，而堆场区域淤泥质粉质黏土及粉质黏土层属于较高压缩性土，在堆载不均匀的情况下容易产生变形及不均匀沉降，基础结构宜采用桩基结构形式。根据工艺要求轨道梁基础顶面高于地面2.0m，故堆取料机基础结构采用高桩梁板式结构。轨道梁截面为倒T 型，梁外侧设置T 型悬挑板，两根轨道梁之间由横撑、面板组成一个架空式结构，轨道梁下部采用直径为0.7m的PHC桩作为基础，桩间距为3.5m。因堆场区堆载离桩基很近，为了抵抗单侧堆场产生的侧压力，保证轨道梁的横向稳定，在轨道中间增加斜桩，每7m设置1根斜桩。轨道基础断面图见图2。

图2 轨道基础断面图

3.轨道基础计算

3.1 轨道基础计算方法

轨道基础可看作是搁置在地基上与地基紧密相贴的梁，可按温克尔弹性地基梁进行分析计算。温克尔弹性地基梁是把地基模拟为刚性底座上无限多个各自孤立的弹簧，地基上单位面积受到的压力P与地基表面的沉降w成正比，由于弹簧是彼此独立的，故各点的沉降只在该点局部产生，其他地方不产生任何沉降。温克尔假设忽略了地基变形整体性与连续性，不能全面的反应地基的变形情况，地基表面某点承受压力，实际上沉降不仅发生在该点产生，也发生在压力作用点以外的地方。虽然这个假设在理论上有一定的缺陷，但是它考虑到了梁与地基间的相对刚度的影响，选用合适的地基系数其计算结果能满足工程上的要求，并且温克尔假设计算较方便，故获得广泛使用。

轨道基础采用易工CAD多跨连续梁软件进行分析，轨道基础分段布置，用竖向的弹性支承约束模拟地基，地基基床反力系数K=10000kN/m，桩基支撑处设置竖向弹性支撑，竖向弹性支撑为530000kN/m。弹性地基梁模型图见图3。轨道基础计算结果见表1。

图3 弹性地基梁模型图

表1 轨道基础计算结果

3.2 桩基负摩阻力计算

当桩基周围存在软弱土层，邻近桩侧地面承受较大的长期堆货荷载时，要考虑土层沉降对桩侧引起的负摩阻力。当桩穿越厚度为lo的高压缩士层，桩端设置于较坚硬的持力层时，在桩的某一深度ln以上，土的沉降大于桩的沉降，在该段桩长内，桩侧产生负摩阻力；ln深度以下的可压缩土层，土的沉降小于桩的沉降，土对桩产生正摩阻力，在ln深度处，桩土相对位移为零，既没有负摩阻力，又没有正摩阻力，习惯上称为中性点。

负摩阻力的计算在水运工程相关规范中并未提到，可参考《建筑桩基技术规范》进行计算。计算方法如下：

中性点以上单桩桩周第i层土负摩阻力标准值可按下式计算：

当地面分布大面积荷载时：式中：q—第i层土桩侧负摩阻力标准值，当按式（1）计算值大于正摩阻力标准值时，取正摩阻力标准值进行设计；ε—桩周第i 层土负侧摩阻力系数（饱和软土取0.15～0.25；粘性土、粉土取0.25～0.40；砂土取0.35～0.5；自重湿陷性黄土取0.20～035）；σ'—桩周第i层土平均竖向有效应力；σ'—由土自重引起的桩周第i层土平均竖向有效应力；γ、γ—分别为第i计算土层和其上第e土层的重度，地下水位以下取浮重度；Δz、Δz——第i层土、第e层土的厚度；P—地面均布荷载。

一般来说，随着沉降趋于稳定，中性点也将稳定在某一固定的深度ln处。中性点深度ln见表2。

表2 中性点深度ln

注：①ln、lo——分别为自桩顶算起的中性点深度和桩周软弱土层下限深度；

②桩穿过自重湿陷性黄土时，ln可按表列值增大10%（持力层为基岩除外）；

③当桩周土层固结与桩基固结沉降同时完成时，取ln=0；

④当桩周土层计算沉降量小于20 mm 时，l n 应按表列值乘以0.4～0.8折减。

根据以上公式计算桩周各土层负摩阻力标准值均大于正摩阻力标准值，取正摩阻力标准值进行设计。按摩擦桩计算中性点以上的下拉荷载，中性点以上下拉荷载计算值见表3。

表3 中性点以上下拉荷载计算值

3.3 桩基轴向承载力设计值

对于桩基轴向承载力设计，应考虑中性点（按桩端持力层性质取值）以上负摩阻力产生的下拉荷载，桩基竖向承载力设计值应大于桩基轴向力和负摩阻力引起的下拉荷载之和。即：桩基竖向承载力设计值（Q）＞桩基轴力（Nk）+负摩阻力引起的下拉荷载（Q）。本工程竖向承载力设计值为3505KN，3505＞2351+1029=3380。

4.结论

轨道基础在软弱土层且地面承受较大的长期散货堆载情况下，土层沉降产生的作用于桩侧的负摩阻力不容忽视。作为一种简化，中性点以上产生负摩阻力，负摩阻力引起桩基下拉荷载。负摩阻力计算方法可参考建筑桩基技术规范，桩基承载力也应考虑负摩阻力引起的桩基下拉荷载。