重力式码头基床水下锤夯有效加固深度的分析

■林同钦

(福建省交通建设质量安全监督局，福州350001)

重力式码头基床水下锤夯有效加固深度的分析

■林同钦

(福建省交通建设质量安全监督局，福州350001)

本文结合某码头工程，运用有限元数值模拟计算得到重锤夯实过程中，基床底部的瞬时应力以及沉降值大小。分析探讨重夯锤、大落距对基床深处的应力及沉降值的影响。从瞬时应力以及沉降值大小方面，探讨基床夯实分层厚度加大的可行性，为今后类似工程提供借鉴。

重力式码头水下锤夯加固深度有限元

1 前言

重力式码头是一种常用的码头结构形式，目前大部分重力式码头基础采用抛石基床。水下抛石基床的密实方法中，锤夯法和爆夯法是最常用的两种方法，各自的优缺点为：锤夯法施工机动灵活，对周边建筑物产生的地震效应影响小，施工干扰小，但施工成本高、施工速度慢；爆夯法施工成本低，施工速度快，但对周边环境（建筑物等）产生的地震效应明显，受周边环境的制约，如距离相临码头或村庄太近时无法采用爆夯工艺，或者施工海域有国家级保护动物等将制约爆夯施工。

本研究依据码头工程所属项目于2008年开工建设，为重力式沉箱结构。码头基床设计顶标高-17.0m，基床厚度从14～17m不等，基床顶宽为21.3m，底宽约38m。工程临近周边村庄和油库，且工程施工水域是国家一级保护动物——中华白海豚活动的核心区域，基床夯实采用爆夯工艺存在较大难度和风险。考虑以上因素，该工程抛石基床夯实采用锤夯法。根据《重力式码头设计与施工规范》（JTS 167-2-2009）规定，采用锤夯法“每层厚度宜基本相等，夯实后厚度不宜大于2m”。对于该工程中达14～17m厚的基床而言，如果按照规范推荐的2m/层的分层锤夯工艺，基床夯实必将花费大量的时间，施工效率低，施工成本也将显著提高。为此，进行水下超厚基床重锤夯实技术研究，通过增加单位夯击能量和基床分层厚度，运用有限元数值模拟计算得到重锤夯实过程中，基床底部的瞬时应力以及沉降值大小，分析探讨采用15t重的夯锤，落距为4m，对基床4m深处的应力及沉降值的影响，探讨将该工程部分段基床（其余段基床夯实分层厚度仍采用规范推荐的2m）夯实分层厚度由规范所推荐的2m加大至4m的可行性，有助于降低施工成本，提高施工效率。

2 分析方法

通过有限元数值模拟计算，得到重锤夯实过程中，基床底部的瞬时应力以及沉降值大小。设定两种工况，工况一为15t重的夯锤，落距为4m产生的夯击能进行重锤夯实，计算得到基床4m深处的应力及沉降值；工况二为按规范所推荐的能量进行重锤夯实，计算得到基床2m深处的应力及沉降值；经过对两种工况计算结果的比较，验证该码头工程中拟采用的大夯击能的方法能对4m厚的基床进行有效加固的可行性。

3 有限元建模

取基床的长、宽、高各为10m进行分析。考虑到长、宽方向的对称性，为了减少节点及单元数，加快计算速度，长、宽方向各取一半，即取模型的1/4进行计算。有限元模型示意图如图1所示。其中边界条件如下：对基床底面进行z向位移约束，对侧面进行x向或y向位移约束。

图1 有限元模型（立体示意图和平面示意图）

4 计算结果分析

4.1 工况一计算结果

按15t重的夯锤，落距为4m产生的夯击能进行重锤夯击。计算得到的沉降云图如图2和3所示。

图2 沉降云图

图3 沉降云图

截取z=6，即基床4m深处的截面，其沉降云图如图4所示，该深度中心点的沉降值为1.38cm。

图4 基床4m深处沉降云图

应力方面，取最接近4m深的645号节点（深度为4.33m），作出应力-时间曲线如图5所示。

从图5可见，在0.0715s时，该节点达到最大应力，为107.38kPa，扣除掉该节点重力荷载47.63kPa，得附加应力为59.75kPa。

4.2 工况二计算结果

按规范所规定的能量进行重锤夯击，计算得到基床2m深处的应力及沉降值。

根据《重力式码头设计与施工规范》规定：夯锤不计浮力、阻力等影响时，每夯的冲击能不宜小于120kJ/m2。对于本工程所采用的重量为15t，底面积为1.77m2的夯锤，当锤落距为1.5m时，不计浮力、阻力等影响时每夯的冲击能为127kJ/m2，满足规范要求。因此计算中选取夯锤落距为1.5m进行计算。计算得到的沉降云图如图6和7所示。

图5 应力-时间曲线

图6 沉降云图

图7 沉降云图

其中，基床2m深处中心点的沉降值为0.73cm，小于工况一中4m深处的沉降值1.38cm。

另外，提取最接近2m深的节点（深度为1.92m），作出应力-时间曲线如图8所示。

从图8可见，该节点最大竖向应力σzz为76.59kPa，扣除掉该节点的重力荷载21.13kPa，得附加应力为55.46kPa。

4.3 计算结果比较

为了便于比较，将工况一、二的计算结果汇总于表1中。

表1 计算结果比较

从表1可见，无论是从夯击时的瞬时附加应力大小对比，还是从基床底部夯沉量对比来看，采用夯锤夯实4m厚基床的密实效果都是可以得到保证的。

5 实施效果

5.1 施工期沉箱沉降观测

抛石基床夯实效果的好坏，将直接决定沉箱在安装放置、箱内回填、后方回填棱体以及胸墙浇筑等施工时该段沉箱沉降值的大小，对沉箱沉降的观测，可用以检验抛石基床的夯实效果。本工程共计安装33件沉箱，在沉箱安放、箱内回填、后方回填、胸墙浇筑等四个阶段，抛石基床均会受到荷载而发生一定的压缩沉降，因此在施工过程中，尤其是在这四个阶段，对沉箱进行严密的沉降观测。如图9所示，1号沉箱所在位置的基床采用分层厚度为2m进行锤夯。为了对比抛石基床不同分层厚度的夯实效果，另选取26号沉箱的沉降观测资料进行对比分析，该沉箱所在位置的抛石基床所有分层均采用重锤夯实法进行密实施工（即基床分层厚度为4m）。由图9可知，26号沉箱的沉降观测结果所反映的规律与1号沉箱基本一致。

图8 应力-时间曲线

图9 1号沉箱与26号沉箱沉降观测结果对比

表2给出1号、26号两件沉箱在各个施工阶段的沉降值对比：

表2 沉箱沉降值对比表

可见，采用分层厚度增加之后的重锤夯实法进行抛石基床密实施工，其夯实效果与采用规范推荐的分层厚度锤夯施工的效果相当。

5.2 完工后沉降位移观测

本工程于2015年9月28日完工，从2015年10月开始委托第三方监测机构实施监测。至2016年12月，根据观测结果，1号沉箱（基床厚度约6m）最近位置码头观测点累积沉降量16mm，位移累积量5mm；26号沉箱（基床厚度约17m）最近位置码头观测点累积沉降量15mm，位移累积量7mm，基床夯实效果良好。

6 结论

通过有限元数值模拟计算，得到重锤夯实过程中，基床底部的瞬时应力以及沉降值大小，对两种工况计算结果的比较，可知采用15t重夯锤、落距4m产生的夯击能足以对4m厚抛石基床进行有效夯实。经过工程实体验证，本研究中的码头工程采用的提升夯击能的方法可行，能对分层厚度4m的基床进行有效加固。综上，在重力式码头施工中，通过加大夯锤重量、适当增加夯锤落距，提升夯击能的方式，水下抛石基床夯实分层厚度可适当增加，其夯实效果与《重力式码头设计与施工规范》所推荐夯击能、分层厚度的夯实效果相当。