鋼板樁式接岸結構銹損與加固研究

朱崇誠，王崇宇

（1.交通部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，長沙410008）

高樁碼頭通常由高樁承臺和接岸結構兩大部分組成，而碼頭結構安全的“生命線”是接岸處的整體穩(wěn)定性，它又決定著高樁承臺的寬度［1］。接岸結構主要是銜接碼頭與陸域、減小碼頭結構的寬度并起到擋土作用。與其他部分相比，其構造相對較復雜，破壞后維修加固比較困難、費用也高。我國正在服役的大量高樁碼頭中，以重力式擋土墻接岸和鋼板樁接岸居多。隨著碼頭使用年限的增長和碼頭裝卸負荷的增加，接岸結構出現(xiàn)變形、破損的情況越來越多，逐漸成為高樁碼頭結構安全的關注重點。

重力式擋土墻接岸結構不良變化以變形過大為主。在較大的堆貨荷載作用下，擋土墻下岸坡土體發(fā)生明顯的向海側位移，擋土墻傾斜，靠近擋土墻的基樁在岸坡土體前移推動和上部結構的限位作用下，發(fā)生樁頂斷裂、樁帽與橫梁間相對錯位、橫梁擱置長度不足等破壞現(xiàn)象。這類破壞現(xiàn)象在天津港多個老碼頭中出現(xiàn)，尤其是位于突堤和順岸連接部位的碼頭轉角處，這種現(xiàn)象更多。重力式擋土墻接岸結構的破壞特點與加固方法已有一些研究成果［2-4］。

鋼板樁式接岸中的鋼板樁被打入深層土體，其擋土作用比重力式擋土墻接岸要好，其不良變化有斜頂樁樁頂開裂、鋼板樁銹損等。對于前者，工程上創(chuàng)造了鉸接樁帽方式，成功地解決了這一問題，而對后者的相關研究和工程實例還不多。本文結合高樁碼頭工程實例，對接岸結構鋼板樁銹損及其加固方法進行研究。

1 依托工程概況

依托工程為1978年竣工的3個高樁碼頭泊位［5］。泊位總長530 m，裝卸貨種為件雜貨，靠泊能力為3個萬t級泊位，可同時?？?艘150 m及1艘160 m長的船舶。碼頭結構型式為高樁梁板式，分為前后承臺。前方承臺寬13.53 m，上部結構由橫梁、門機梁、火車板和靠船構件等組成，梁均為預應力連續(xù)梁，板為預應力連續(xù)板，共有86個排架，分為10個結構段；后方承臺寬27.10 m，上部結構由預應力簡支橫梁和預應力空心簡支大板等構件組成，共有84個排架，分為10個結構段。碼頭的接岸結構型式為“鋼板樁+斜頂樁+帽梁”型式，板樁墻和斜頂樁的連接型式為固接，板樁樁尖打至-15.5 m，斜頂樁樁尖打至-22.0 m，相鄰斜頂樁間距為2.33 m。接岸結構鋼板樁為鞍IV型，其寬度W=400 mm，高度h=180 mm，腹板厚度t1=15.5 mm，勒板厚度t2=10.5 mm，斷面積A=99.14 cm2，重量G=777.3 N/m，慣性矩I=4 025 cm4。鞍IV型鋼板樁斷面圖見圖1。

圖1 鋼板樁斷面圖Fig.1 Sectional drawing of steel sheet pile

2 鋼板樁工作環(huán)境和腐蝕介質(zhì)調(diào)查

鋼板樁工作環(huán)境調(diào)查內(nèi)容包括潮汐、氣溫、濕度、降水、波浪、海流、工程地質(zhì)等。腐蝕介質(zhì)調(diào)查內(nèi)容包括海水中氯離子含量、含鹽量、pH值、電阻率、水污染情況和周邊其他環(huán)境侵蝕介質(zhì)等。

該海區(qū)海水pH值為7.60～7.95，Cl-濃度為18 733 mg/L。含鹽量為3.31%，主要鹽分為NaCl、MgCl2、CaSO4等，海水的腐蝕性高。海水的電導率為4.03×10-2s/cm。天津近海岸屬于泥灘，海水濁度一般都在40 NTU左右，但港區(qū)內(nèi)的水域一定程度上受到煤炭、礦石粉、油等的污染，海水水質(zhì)較混濁。根據(jù)《海水水質(zhì)標準》（GB3097-1997），渤海近海岸海水屬于四類水體，主要污染物為有機物、膠體物質(zhì)、懸浮物質(zhì)等。

3 鋼板樁銹損檢測

經(jīng)檢測，碼頭接岸結構有77根鋼板樁發(fā)生銹蝕破損現(xiàn)象，接岸結構存在安全隱患。

3.1 鋼板樁銹損特點

（1）鋼板樁局部破損形態(tài)包括外觀紅褐色銹跡、銹破成洞等。大部分局部銹蝕表現(xiàn)為銹破成洞，鋼板樁銹洞大小不等，銹洞面積大多在50 mm×50 mm～300 mm×500 mm。典型銹洞情況見圖2，圖中單位為cm。

圖2 鋼板樁銹洞立面圖Fig.2 Elevation drawing of corrosion on steel sheet pile

從銹洞形狀可見，銹洞底邊與鋼板樁正面寬度幾乎相等，銹洞口上邊緣呈不規(guī)則曲線。鋼板樁鎖口所在的側面厚度均相對較大，如圖2中A處為15 mm、E處為14.5 mm，銹蝕主要發(fā)生在鋼板樁的中間位置。由于長年的腐蝕，銹洞上部的鋼板樁銹蝕嚴重，形成了一層層的黑褐色銹片，用鐵錘擊打鋼板樁銹洞上部，容易擴大洞口面積，銹洞上部100 mm高的鋼板已經(jīng)失效。

（2）鋼板樁銹洞均出現(xiàn)在鋼板樁凸向海側表面（凸面），而陸側表面（凹面）和鎖口所在面（側面）尚未發(fā)現(xiàn)銹洞現(xiàn)象。

（3）為了解鋼板樁泥面以下銹蝕情況，現(xiàn)場對鋼板樁前面進行了開挖，開挖深度為泥面以下1.0 m。開挖后發(fā)現(xiàn)，鋼板樁銹洞前的回填料或堆積物為砂子、碎石、煤渣等，而泥面以下鋼板樁也存在一定的銹蝕情況，表層覆蓋了一層銹蝕層，采用錘擊敲掉表層銹蝕，露出了銀白色的鋼板，強度較高，從上至下鋼板樁厚度逐漸增加，其中洞口處鋼板樁有效厚度約為6.0 mm，往下延伸可達12 mm。

（4）在高度位置上，鋼板樁銹蝕均位于潮差段。由于鋼板樁上部為帽梁結構，下部插入地基中，露出部分高度在0.5～1.5 m。該部分鋼板樁在低水位時完全暴露在空氣中，高水位時則完全浸泡在海水中。

（5）鋼板樁上可見的排水孔還在排水，有的鋼板樁銹洞就是由排水孔擴大而來的。落潮時，銹洞向外排水，墻后回填料部分露出。

（6）現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)鋼板樁鎖口相對錯動現(xiàn)象，說明破損鋼板樁尚無明顯不均勻沉降變形。

（7）現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)鋼板樁明顯傾斜或局部鼓肚現(xiàn)象，說明泥面線附近的鋼板樁尚無明顯的水平受力變形特征。

3.2 鋼板樁自腐蝕電位檢測

為了解鋼板樁的腐蝕狀態(tài)，采用Ag/AgCl參比電極和萬用表檢測了鋼板樁不同位置的自腐蝕電位。鋼板樁泥面線以上的自腐蝕電位分布在-580～-622 mV，在泥面線以下自腐蝕電位約為-550 mV，鋼板樁的自腐蝕電位分布較均勻，處于未受保護的自然腐蝕狀態(tài)。

3.3 鋼板樁取樣分析

現(xiàn)場采用切割機進行了切割取樣，對樣品進行成分分析。原鋼板樁和現(xiàn)鋼板樁樣品化學成分見表1。

表1 鋼板樁化學成分含量Tab.1 Chemical compositions and relative contents of steel sheet pile （%）

將銹蝕鋼板樁與完好鋼板樁化學成分進行比較可知，銹蝕鋼板樁C的成分含量為0.43%，已遠遠超過未銹蝕條件下的含量0.13%，S的成分0.35%也是未銹蝕條件下的10倍左右，Si和P的含量變化不大，Mn的含量有所減少，Cu的含量僅為0.023%。C和S含量的增加會影響鋼板樁的強度，可見鋼板樁受到了嚴重腐蝕，并且自身的耐腐蝕性能和強度均有降低。

4 鋼板樁銹蝕破損機理分析

4.1 電化學腐蝕

鋼板樁的最大缺點是易銹蝕，銹蝕破損將縮短其使用年限。鋼材的銹蝕主要源于其表面產(chǎn)生局部電位差形成的腐蝕電流，或是由于水和氧氣引起的化學反應。影響鋼板樁銹蝕的因素有：鋼材的化學成份、與其接觸的水體和土中的有害物質(zhì)的含量、干濕交替、動力和生物的作用等。鋼材的化學成份是內(nèi)因，其余為外因。

鋼板樁在海水中的電化學腐蝕過程可用如下化學式表示

4.2 潮差區(qū)段的影響

該港區(qū)的年平均低潮位為+1.34 m，鋼板樁暴露部位在帽梁底和泥面之間，帽梁底標高為+2.2 m，由于沉積物的影響，板樁墻前泥面標高多數(shù)部位略高于設計泥面標高+0.2 m，所以鋼板樁銹蝕部位高度位于潮差區(qū)，在年平均低潮位附近。

有關研究表明，鋼結構物在海洋環(huán)境中的腐蝕狀態(tài)因高程不同而異，其中浪濺區(qū)和緊接平均低潮位以下2個區(qū)域都出現(xiàn)腐蝕峰值，尤以浪濺區(qū)的腐蝕最為嚴重。在這2個區(qū)域中，鋼材往往會出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象。

在潮差區(qū)段，鋼結構始終處于干濕交替的周期間浸狀態(tài)，鋼結構表面每天至少有一段時間與海水接觸，氧供應較充分，鋼表面的溫度同時受大氣和海水溫度的影響。因此鋼結構腐蝕較嚴重，且腐蝕不均勻，局部腐蝕嚴重，尤其是在高潮位和低潮位附近，不僅腐蝕速度很快，而且點蝕和空蝕嚴重，是需要重點保護的部位。

4.3 水流沖蝕的影響

由于風、潮汐、船舶運動等因素的影響，作用在鋼板樁的水流流速很大，使其暴露部分長期承受墻前水流的沖擊，海水液體在金屬表面的流動，促進了腐蝕性成份的循環(huán)，加速了氧的擴散，同時也除去了附著在金屬表面上的腐蝕生成物，加快了鋼的腐蝕速度。另外墻前淤積物材質(zhì)為砂子、碎石、煤渣等，有空氣泡且高速流動的海水可引起沖擊腐蝕，當氣泡破裂時可引起空泡腐蝕，夾帶泥沙的海水可引起磨蝕，導致鋼板樁局部腐蝕嚴重。

4.4 海洋生物的影響

海蠣子、藤壺和海藻等海生物能在鋼結構表面上附著寄生，有時雖能起到一定的保護作用，但在海生物附著層部分發(fā)生脫落時，金屬表面上生物體所覆蓋的部分由于氧的供給受到控制成為陽極，未被生物覆蓋的部分成為陰極，形成濃差電池從而加速局部腐蝕。

綜上所述，接岸結構鋼板樁在泥面附近局部腐蝕的主要原因是電化學腐蝕，同時水流沖蝕、空泡腐蝕、砂石磨蝕等也是重要影響因素。

5 鋼板樁銹蝕程度評估

鋼板樁使用期平均腐蝕速度可按下式計算

式中：V0為鋼結構腐蝕速度，mm/a；Di為鋼結構原始厚度，mm，鞍IV型鋼板樁正面厚度Di=15.5 mm；Df為檢測時鋼結構平均厚度，mm，被測鋼板樁已產(chǎn)生銹洞，銹洞處Df=0，銹洞下部位Df=12 mm；ts為檢測時鋼結構已使用的時間，a，被測碼頭于1978年建成，使用至2006年發(fā)現(xiàn)銹洞，ts=28 a。計算得鋼板樁銹洞處平均腐蝕速度V0=0.55 mm/a?？梢婁摪鍢朵P洞處的年平均腐蝕速度是非常大的。

鋼結構使用年限可根據(jù)腐蝕情況檢測結果按下式計算

式中：te為鋼結構使用年限，a；ts為檢測時鋼結構已使用的年限，a，ts=28 a；Df為檢測時鋼結構的平均厚度，mm，鋼板樁銹洞處Df=0 mm，銹洞下部位Df=12 mm；Dt為按承載能力極限狀態(tài)計算得出的鋼結構厚度，mm；V為鋼結構腐蝕速度，mm/a。由于鋼板樁上已出現(xiàn)目視可見的銹洞，所以te≤28 a，有銹洞的鋼板樁存在很大安全隱患，不應繼續(xù)使用。

鋼板樁是接岸結構的最基本組成部分，其下部打入地基構成連續(xù)墻，起擋土作用并作為接岸結構的直立墻面，承擔墻后土壓力，防止變形過大，維持岸坡整體穩(wěn)定。鋼板樁在泥面附近出現(xiàn)局部銹蝕破損后，其與上部帽梁結構的整體性逐漸被破壞，板樁上部的水平支撐被破壞，帽梁的垂直支撐也被弱化，斜頂式板樁結構由下端嵌固的超靜定結構逐漸轉變?yōu)闊o錨板樁結構。在較大的上部荷載或墻后土壓力作用下，板樁結構可能出現(xiàn)前傾、鼓肚、踢腳失穩(wěn)、岸坡整體失去穩(wěn)定性等破壞形態(tài)，使高樁碼頭—岸坡體系產(chǎn)生各種破壞現(xiàn)象或留下巨大安全隱患。因此接岸結構鋼板樁銹損可能帶來嚴重的后果。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范［6］要求，對鋼板樁式接岸結構按碼頭結構段劃分為評估單元，根據(jù)鋼板樁的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，II～VII結構段對應位置的鋼板樁泥面附近局部銹蝕嚴重，有77根鋼板樁發(fā)生上述銹洞形態(tài)的破損，腐蝕已嚴重影響承載能力，導致接岸結構的安全處于不確定狀態(tài)，碼頭鋼板樁耐久性評估等級為D級，不滿足設計使用年限要求，應視條件立即采取修復、補強措施。

6 鋼板樁銹蝕及破損情況的有限元分析

在現(xiàn)場檢測結果的基礎上，建立了鋼板樁接岸結構與岸坡相互作用的有限元模型，分別進行了鋼板樁完好情況、銹蝕情況和局部破損情況的計算，并分別對接岸結構及土體變形特征、鋼板樁受力特征和斜頂樁及帽梁應力進行了分析。鋼板樁銹洞情況按現(xiàn)場實際檢測數(shù)據(jù)的模擬見圖2。計算結果表明：鋼板樁在完好情況下，接岸結構能夠較好的實現(xiàn)其結構性能，能較好的阻擋土體變形和承擔上部荷載，其強度也滿足要求；鋼板樁在銹蝕后殘余80%厚度（原厚度為15 mm，80%殘余厚度為12 mm）的情況下，鋼板樁接岸結構性能有所降低，在樁身泥面線以下位置的鋼板樁將無法滿足強度要求，該位置的最大拉應力值367 MPa超過了鋼板樁設計抗拉強度215 MPa，土體變形明顯增大，接岸結構處于較危險的狀態(tài)；在局部破壞銹蝕成洞的現(xiàn)狀下，鋼板樁存在海側凸面銹洞，其銹洞位置拉應力最大值為233 MPa，超過了設計值，使得鋼板樁整體作用性能降低，因此土體變形增大，并且對接岸結構本身的穩(wěn)定也造成了影響，對帽梁后部的沉降影響較大，帽梁與斜頂樁連接可能出現(xiàn)破損，導致接岸結構中斜頂樁和鋼板樁的共同作用無法實現(xiàn)。

7 鋼板樁銹損加固方法

在充分分析結構特點、預測加固效果和施工可行性的基礎上，針對鋼板樁銹蝕特征，提出了帽板加固法、局部外包法和地連墻替代法3種加固方案，并分別建立數(shù)值模型進行了計算分析。綜合計算分析結果表明：帽板加固法可以將泥面以下的鋼板樁與斜頂樁和帽梁連接起來，重新實現(xiàn)接岸結構的功能，但是斜頂樁樁帽位置加固體的受力較大；地連墻替代加固方案，實際上形成剩余鋼板樁與地連墻綜合作用作為接岸結構，使接岸結構前方碼頭及岸坡的變形受到限制，接岸結構的力學性能也得到大大改善，但是其施工難度和工程量都較大；局部外包法是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置采用鋼筋混凝土外包，計算接岸結構變形特征，分析結果表明，其加固效果基本可以達到鋼板樁完好情況的水平，鋼板樁及結構的受力也均能滿足要求。綜合以上加固方案的特點及數(shù)值分析結果，推薦在鋼板樁產(chǎn)生銹洞位置采用局部外包法對鋼板樁進行加固，該方案施工難度相對較低，工程量較小，且加固后接岸結構的變形和受力均可以滿足要求。

局部外包法加固方案要點包括：用鋼筋混凝土板加固鋼板樁銹蝕破損部分，類似夾板法接骨處理；在鋼板樁破損上下焊接錨筋生根，使其與外包體形成整體作用，共同受力；在鋼板樁原排水孔位置，依然預留排水孔；加固體底部，可按極端低水位-1.29 m設計；如采用干法施工，需局部掀開碼頭后承臺一跨面板，進行深層支護施工，清泥形成施工作業(yè)面，然后進行鋼筋混凝土加固體施工。局部外包法方案如圖3所示，圖中尺寸單位為cm，高程單位為m。

圖3 局部外包法方案圖Fig.3 Scheme for local reinforcement with reinforced concrete

8 結語

結合工程實例，利用現(xiàn)場檢測、室內(nèi)試驗和有限元分析等技術手段對接岸結構鋼板樁銹損破壞的環(huán)境條件、破損特點、形成機理、影響程度和加固方法進行研究，得出：

（1）鋼板樁工作環(huán)境為海水，其pH值為7.60～7.95，Cl-濃度為18 733 mg/L，含鹽量為3.31%，主要鹽分為NaCl、MgCl2、CaSO4，電導率為 4.03×10-2s/cm，海水的腐蝕性高。

（2）接岸結構鋼板樁在泥面附近局部腐蝕的主要原因是電化學腐蝕，同時水流沖蝕、空泡腐蝕、砂石磨蝕等也是重要影響因素。

（3）鋼板樁銹損形態(tài)主要表現(xiàn)為局部銹破成洞，銹洞面積在50 mm×50 mm～300 mm×500 mm，洞口上部100 mm高的鋼板已經(jīng)失效，洞口下部有效厚度為6.0 mm，往下延伸厚度可達12 mm。沒有發(fā)現(xiàn)鋼板樁明顯傾斜、局部鼓肚或鎖口相對錯動現(xiàn)象，泥面線附近的鋼板樁沒有明顯的水平受力變形特征和不均勻沉降變形特征。

（4）鋼板樁在局部銹蝕成洞的現(xiàn)狀下，銹洞位置鋼板樁拉應力最大值為233 MPa，超過了設計值，可能導致接岸結構中斜頂樁和鋼板樁的共同作用無法實現(xiàn)，鋼板樁銹損造成接岸結構的安全隱患，應視條件立即采取修復補強措施。

（5）推薦采用局部外包法對接岸結構鋼板樁銹損破壞進行加固。該方案是在鋼板樁產(chǎn)生銹洞的位置采用鋼筋混凝土外包，施工難度較低、工程量較小，加固后接岸結構的變形和受力均可滿足要求。

［1］郭蓮清.天津港碼頭結構綜述［J］.港工技術，2001（12）：64-71.GUO L Q.General Descriptions on Wharf Structures of Tianjin Port［J］.Port Engineering Technology，2001（12）：64-71.

［2］李越松，張勇，王笑難.天津港突堤轉角處高樁碼頭后承臺構件相對錯位破損原因［J］.中國港灣建設，2007（3）：17-20.LI Y S，ZHANG Y，WANG X N.Causes of Damage Resulted from Relative Displacement of Bearing Platform of Piled Wharfs at Corners of Piers in Tianjin Port［J］.China Harbour Engineering，2007（3）：17-20.

［3］朱崇誠，李越松，王笑難.灌注樁在碼頭結構加固中的應用［J］.水道港口，2008（5）：358-361.ZHU C C，LI Y S，WANG X N.Application of filling pile in reinforcement of wharf structure［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008（5）：358-361.

［4］張強，劉現(xiàn)鵬，劉娜.岸坡土體變形對天津港高樁碼頭的危害［J］.水道港口，2005（4）：241-243.ZHANG Q，LIU X P，LIU N.Damage from bank soil deformation high-pile wharf［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005（4）：241-243.

［5］天津港務局，交通部天津水運工程科學研究所.天津港水工設施圖集［R］.天津：天津港務局，1997.

［6］JTJ302-2006，港口水工建筑物檢測與評估技術規(guī)范［S］.