一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型的制作方法

1.本发明涉及港口工程领域，具体为一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型。


背景技术：

2.重力式码头是一种常用的码头结构，随着船舶大型化，重力式码头的水深也越来越大，在地基土承载力较低的情况下，重力式码头抛石基床的厚度就要求较大，在码头使用时期随着抛石基床内的应力增加，抛石基床的块石会出现棱角破碎和块石整体破碎，引起沉降变形。由于块石的破碎具有较大的随机性，从而码头出现不均匀沉降，给码头装卸机械的安全作业带来危害。
3.当抛石基床的厚度较小，并且施工时进行了反复夯实，在码头使用期的沉降计算中，抛石基床的变形通常可忽略不计。对于基床较厚的重力式码头结构，即使基槽开挖至基岩上，工程实测资料发现，码头后期沉降量仍然较大，由此可见对于基床较厚的重力式码头结构，抛石基床的变形是导致码头结构后期产生沉降变形的主要原因。
4.重力式码头的沉降主要是由地基基础和抛石基床产生的，关于地基基础的沉降量计算有成熟的方法，但关于抛石基床的沉降量计算，现行《码头结构设计规范》(jts167-2018)中未作要求，也没有相应的计算方法。因此工程中关于重力式码头抛石基床的沉降量计算是一空白。


技术实现要素：

5.为了完善重力式码头的沉降量计算,本发明提供一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，利用该模型可对重力式码头抛石基床的沉降量进行计算。
6.为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，用来描述抛石基床中竖向应力与竖向应变之间的关系，抛石基床的竖向应力与竖向应变关系由多个直线段组成，直线段的斜率为抛石基床的加载压缩模量，根据荷载作用次数的不同，加载时分三种压缩模量，即第一次加载压缩模量e1、第二次加载压缩模量e2和多次加载压缩模量em，卸载时抛石基床无回弹；根据抛石基床上荷载施加过程，以荷载作用次数为依据，寻找不同作用次数下的历史最大应力值，将各个历史最大应力作为应力-应变曲线的分段点，结合加载和卸载过程，将各分段点间通过直线连接，直线斜率根据加载次数取对应的变形模量，就构成了抛石基床的竖向应力与竖向应变的关系曲线。
7.上述的第一次加载压缩模量e1取值范围为5～20mpa、第二次加载压缩模量e2取值范围为100～150mpa、多次加载压缩模量em取值范围为150～200mpa。
8.本发明的优越性在于：该模型中的参数少，结合码头在施工和使用期抛石基床中的应力状态，能很方便地计算出码头的总沉降量以及任何阶段之间的相对沉降量。
附图说明
9.图1为本发明的抛石基床的竖向应力与竖向应变的关系曲线示意图。
具体实施方式
10.本发明一个实施例如下：如图1所示的一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，用来描述抛石基床中竖向应力与竖向应变之间的关系，抛石基床的竖向应力与竖向应变关系由多个直线段组成，直线段的斜率为抛石基床的加载压缩模量，根据荷载作用次数的不同，加载时分三种压缩模量，即第一次加载压缩模量e1、第二次加载压缩模量e2和多次加载压缩模量em，卸载时抛石基床无回弹；根据抛石基床上荷载施加过程，以荷载作用次数为依据，寻找不同作用次数下的历史最大应力值，将各个历史最大应力作为应力-应变曲线的分段点，结合加载和卸载过程，将各分段点间通过直线连接，直线斜率根据加载次数取对应的变形模量，就构成了抛石基床的竖向应力与竖向应变的关系曲线。
11.重力式码头施工期和建成后的使用过程中，抛石基床经历了下述几个加卸载过程：
12.(1)抛石基床分层抛填和夯实，可当作一次加载和卸载过程；
13.(2)上部结构安装和建造(沉箱安装、后方回填、胸墙和码头面层施工)，为多次加载过程；
14.(3)使用期施加使用荷载，为多次加载和卸载过程。
15.图1中，oa段表示抛石基床分层抛填和夯实，其斜率为第一次加载压缩模量e1，a点代表抛石基床夯实过程中施加的最大应力；ab段表示夯实卸载，该线段为垂直线，表示停止夯实时，抛石基床无回弹变形量；bcd段表示上部结构安装和建造(具体包括沉箱安装、后方回填、胸墙和码头面层施工)，c点的应力值与a点相同，bc段的应力没有超过a点的，该段为第二次加载，故其斜率为第二次加载压缩模量e2，cd段的应力超过了a点的，该应力状态为第一次加载，其斜率为第一次加载压缩模量e1；de段表示码头顶面第一次施加使用荷载，其斜率也为e1，ef段表示卸去码头顶面施加的使用荷载，为垂直线；fg段表示码头顶面再次施加使用荷载，其斜率为e2；g点之后，表示码头面多次进行卸载和加载，加载段的斜率为多次加载压缩模量em。
16.a点的应力值表示抛石基床夯实时所受到的等效静态夯实应力σa，室内锤夯试验测试得到的最大夯实应力约为280～380kpa。抛石基床的分层厚度、夯实方式、夯实能量、夯击遍数等都会对该参数产生影响。
17.d点的应力值表示码头建成后抛石基床内的附加应力值，e点的应力值表示码头面上使用荷载作用后的附加应力值。f点、h点、j点的应力值不低于d点的应力值。这些应力值均可按码头设计规范进行计算。
18.图1中，ob段对应的沉降量在抛石基床的施工中已经完成和消除，bd段对应的沉降量是上部结构安装和建造施工时产生的，defg段对应的沉降量是码头使用时产生的。后两部分沉降量需要合理估算，并在抛石基床施工中预留。
19.根据试验测试，上述的第一次加载压缩模量ei取值范围为5～20mpa、第二次加载压缩模量es取值范围为100～150mpa、多次加载压缩模量em取值范围为150～200mpa。
20.利用本发明的模型，可按下述方法对抛石基床的沉降量进行计算：
21.抛石基床内的附加应力随着埋深的加大会因为扩散而减小，抛石基床的厚度较大时，需要分层计算其附加应力和沉降量。抛石基床上层的附加应力大，层厚应小些，底层的附加应力小，层厚可以大些。
22.对于第i层，厚度为hi，按重力式码头设计规范计算出码头荷载作用下(可以是施工期，也可以是使用期)该层顶面附加应力的最大值为σ
imax
。
23.如果σ
imax
位于图1所示模型的bc段，即σ
imax
≤σa，则该层抛石基床的沉降量为
[0024][0025]
如果σ
imax
位于模型的cde段，即σ
imax
》σa，则该层抛石基床的沉降量为
[0026][0027]
如果σ
imax
位于模型的fg段，可以先计算出e点对应的沉降量δ
ei
，然后再计算沉降量的增量δδ
fgi
，即
[0028][0029]
如果σ
imax
位于模型的hi段，可以先计算出g点对应的沉降量δ
gi
，然后再计算沉降量的增量δδ
hii
，即
[0030][0031]
hi段之后的沉降量很小了，基本上可以忽略。
[0032]
将各层的沉降量叠加，得到抛石基床的总沉降量
[0033]
δ＝∑δiꢀꢀꢀ
(5)
[0034]
上述式中的σ
ai
、σ
ei
、σ
fi
、σ
hi
为模型中a、e、f、h点对应的抛石基床中的分层附加应力值。
[0035]
图1中，dd’为码头施工完成界线，ef’为第一次施加使用荷载后的界线，重力式码头抛石基床的沉降量主要发生在bf’段，该段对应的沉降量叠加地基的沉降量，可作为抛石基床的预留沉降量。
[0036]
某重力式沉箱码头工程，码头顶面标高+9.5m，基槽开挖底高程-35.0～-51.5m，基槽抛石厚度23.6～40.1m，平均抛石厚度达31.5m，是典型的深基槽重力式码头结构。该工程基槽均开挖至强风化的花岗岩或者岩基上，码头沉降主要由抛石基床压缩变形导致。在工程建设期间持续对码头进行了沉降观测，沉箱后方回填后，多个沉箱的平均沉降量为82mm，码头面层施工完成后，多个沉箱的平均总沉降量为254mm(从沉箱安装后起算)。
[0037]
该码头抛石基床分4层抛填，采用爆夯夯实。e2和em可取室内试验的测试值，分别为150mpa和184mpa。现已知从沉箱安放后到沉箱后方回填沉降稳定后的沉降增量为82mm，从沉箱安放后到码头面施工完成沉降基本稳定后的沉降增量为254mm(从沉箱后方回填到码头面施工完成的沉降增量为254-82＝172mm)。根据这两个现场观测的阶段平均沉降量，利用本发明模型进行计算，得到爆夯的平均等效静态夯实应力σa＝225kpa、第一次压缩模量e1＝7.55mpa时，计算沉降量与观测沉降量相等。利用本发明模型可方便地计算出的码头在各阶段时的沉降量。
[0038]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的
技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，用来描述抛石基床中竖向应力与竖向应变之间的关系，其特征在于：抛石基床的竖向应力与竖向应变关系由多个直线段组成，直线段的斜率为抛石基床的加载压缩模量，根据荷载作用次数的不同，加载时分三种压缩模量，即第一次加载压缩模量e1、第二次加载压缩模量e2和多次加载压缩模量e
m
，卸载时抛石基床无回弹；根据抛石基床上荷载施加过程，以荷载作用次数为依据，寻找不同作用次数下的历史最大应力值，将各个历史最大应力作为应力-应变曲线的分段点，结合加载和卸载过程，将各分段点间通过直线连接，直线斜率根据加载次数取对应的变形模量，就构成了抛石基床的竖向应力与竖向应变的关系曲线。2.根据权利要求1所述的一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，其特征在于，上述的第一次加载压缩模量e1取值范围为5～20mpa、第二次加载压缩模量e2取值范围为100～150mpa、多次加载压缩模量e
m
取值范围为150～200mpa。

技术总结
本发明公开了一种重力式码头抛石基床的沉降量计算模型，用来描述抛石基床中竖向应力与竖向应变之间的关系，该应力-应变关系由多个直线段组成，直线段的斜率为抛石基床的压缩模量，加载时分三种压缩模量，即第一次、第二次和多次加载压缩模量；根据抛石基床上荷载施加过程，以荷载作用次数为依据，寻找不同作用次数下的历史最大应力值，将各个历史最大应力作为应力-应变曲线的分段点，将各分段点间通过直线连接，直线斜率根据加载次数取对应的变形模量，就构成了抛石基床的竖向应力与竖向应变的关系曲线。该模型中的参数少，结合码头在施工和使用期抛石基床中的应力状态，能很方便地计算出抛石基床的总沉降量以及任何阶段之间的相对沉降量。的相对沉降量。的相对沉降量。


技术研发人员：寇军 张炜煌 林明臻 郑清松 别社安 黄彬 陈长泰 黄泽宪 陈阵阵 程李凯 林积大 唐晖 罗松华 叶少锋 王兴 关若愚 吴敬崇
受保护的技术使用者：福建省交通规划设计院有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8