板樁碼頭安全性檢測(cè)評(píng)估及其有限元分析方法

李賽峰，張 飛，朱翃宇

（1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，寧波315000；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

板樁碼頭安全性檢測(cè)評(píng)估及其有限元分析方法

李賽峰1，張 飛2，朱翃宇2

（1.寧波市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，寧波315000；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

老舊碼頭通過(guò)檢測(cè)、評(píng)估可以幫助其安全投入生產(chǎn)、挖掘潛力和提高港口吞吐能力。針對(duì)某已建20 a的板樁碼頭，在外觀劣化調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)整體變形、板樁完整性等性能指標(biāo)的檢測(cè)，綜合分析了碼頭所處的技術(shù)狀況，并對(duì)安全性做出評(píng)估，為碼頭的加固維修與升級(jí)改造提供理論依據(jù)。

老舊板樁碼頭；檢測(cè)；評(píng)估

圖2 擴(kuò)建碼頭斷面圖（mm）Fig.2 Extension wharf section

一部分老舊碼頭長(zhǎng)期缺少維護(hù)，使用超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限，致使構(gòu)件破損較嚴(yán)重，安全性得不到有效保證。在復(fù)雜的荷載工況下，碼頭構(gòu)件會(huì)因過(guò)載、疲勞、碰撞等出現(xiàn)局部劣化，影響結(jié)構(gòu)的耐久性與承載能力［1-5］。本文通過(guò)對(duì)某港區(qū)板樁碼頭混凝土物理力學(xué)性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)整體的變位變形、板樁完整性等多方面的檢測(cè)，分析碼頭損壞的原因，借助有限元計(jì)算軟件對(duì)其安全性進(jìn)行驗(yàn)算分析并做出評(píng)估，為碼頭后期的維修加固與升級(jí)改造提供了理論依據(jù)，可為類似碼頭的檢測(cè)評(píng)估提供借鑒。

1 工程概況

某港區(qū)鋼筋混凝土板樁碼頭于1993年建成投入使用，泊位總長(zhǎng)度246 m，按照竣工圖紙的標(biāo)注分為西側(cè)臨時(shí)碼頭和東側(cè)擴(kuò)建碼頭兩部分，分別長(zhǎng)100 m和146 m。該泊位為非生產(chǎn)性泊位，用于?？客陷啞＝陙?lái)，輪駁公司由于修船企業(yè)搬遷，計(jì)劃在該泊位進(jìn)行臨時(shí)修船作業(yè)并在碼頭面堆放材料設(shè)備。考慮到該碼頭建成使用至今已超過(guò)20 a，為充分了解水工結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀是否安全，需要進(jìn)行專業(yè)的檢測(cè)評(píng)估以排查隱患，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)和復(fù)核計(jì)算，確定碼頭面均布荷載，必要時(shí)提出維修或維護(hù)方案。對(duì)碼頭構(gòu)件編號(hào)作如下規(guī)定：1）臨時(shí)碼頭板樁自西向東編號(hào)，依次編為1#樁、2#樁……，檢測(cè)位置按照板樁編號(hào)定位；2）擴(kuò)建碼頭系船柱自西向東編號(hào)，依次編為1#系船柱、2#系船柱……，檢測(cè)位置按照系船柱編號(hào)定位。臨時(shí)碼頭和擴(kuò)建碼頭斷面如圖1、圖2所示。

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1 構(gòu)件外觀檢查

構(gòu)件外觀檢測(cè)分為水上和水下部分。水上檢查主要采取目測(cè)、攝影、攝像、敲擊、尺量等方法，全面描述碼頭水面以上構(gòu)件的外觀缺陷，詳細(xì)記錄并描述構(gòu)件的裂縫、表面缺陷、混凝土起鼓、剝落露筋等情況，采用表格記錄上述破損類型的數(shù)量、部位與范圍，描述構(gòu)件的現(xiàn)狀。水下檢查主要采用潛水員水下探摸的方法檢查板樁表面缺陷和損傷情況。

存在的主要問(wèn)題有：1）胸墻平整度較差，少數(shù)部位有裂縫和明顯碰損，變形縫兩側(cè)有混凝土擠壓；2）臨時(shí)碼頭部分板樁（低潮時(shí)能露出水面部分）樁頂部存在裂縫、劈角等混凝土破損，板樁與上部導(dǎo)梁間銜接較差，銜接處混凝土破損較為嚴(yán)重；3）臨時(shí)碼頭部分混凝土擋板開裂，擋板后方部分拋填料有被掏蝕的情況；4）擴(kuò)建碼頭面層破損主要集中在碼頭前沿，特別是在系船柱和堆載重物的區(qū)域周圍裂縫廣布，臨時(shí)碼頭面層混凝土麻面破損較為普遍，面層不均勻沉降現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

碼頭各混凝土構(gòu)件外觀劣化度分級(jí)統(tǒng)計(jì)見表1。

2.2 結(jié)構(gòu)整體變位與變形測(cè)量

水平位移檢測(cè)方法：利用港區(qū)高等級(jí)GPS點(diǎn)作為起算點(diǎn)，對(duì)首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行測(cè)設(shè)。首級(jí)控制網(wǎng)采用三等電磁波測(cè)距導(dǎo)線觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。以首級(jí)控制網(wǎng)各點(diǎn)作為已知點(diǎn)，采用四等電磁波測(cè)距導(dǎo)線觀測(cè)各變形觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)，用全站儀角度觀測(cè)8測(cè)回；距離采用全站儀往返觀測(cè)或用不同時(shí)段觀測(cè)代替往返觀測(cè)，每次4測(cè)回，每測(cè)回4次讀數(shù)，距離附加儀器加、乘常數(shù)改正和氣象改正。經(jīng)檢查各項(xiàng)精度指標(biāo)及限差符合規(guī)范要求后，采用條件平差法計(jì)算出各變形點(diǎn)的坐標(biāo)。首期觀測(cè)成果為基本觀測(cè)值，以后各期觀測(cè)值與它進(jìn)行比較，兩者差值即為水平位移量。

垂直位移檢測(cè)方法：觀測(cè)開始前，對(duì)港區(qū)高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，以使起始點(diǎn)成果可靠。新埋設(shè)的沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，須先從港區(qū)高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)以二等的精度進(jìn)行聯(lián)測(cè)，從而把監(jiān)測(cè)的高程系統(tǒng)統(tǒng)一到連云港水尺零點(diǎn)上。從港區(qū)高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)或沉降基準(zhǔn)點(diǎn)向形變控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)一條二等水準(zhǔn)閉合環(huán)，求出每個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程值。為消除潮汐對(duì)碼頭高程的影響，水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)，均選擇在高潮位時(shí)進(jìn)行。首期觀測(cè)成果為基本觀測(cè)值，以后各觀測(cè)值與它進(jìn)行比較即為沉降量。為消除系統(tǒng)誤差的影響，每期觀測(cè)應(yīng)盡量固定觀測(cè)人員和儀器設(shè)備，采用相同的觀測(cè)路線和觀測(cè)方法。

通過(guò)本次觀測(cè)與歷史數(shù)據(jù)比對(duì)得到碼頭變形量，觀測(cè)結(jié)果見表2。其中X為東西方向的位移，以東為正，Y為南北方向的位移，以北為正。

2.3 胸墻及板樁傾斜檢測(cè)

對(duì)碼頭胸墻的傾斜檢測(cè)采用抽檢的方式進(jìn)行，利用LS160-60型數(shù)顯激光角度尺測(cè)試胸墻的斜度。該角度尺角度測(cè)試范圍360°，精度±0.1°。該泊位的胸墻及板樁傾斜測(cè)量共抽測(cè)30處，碼頭胸墻及板樁傾斜抽檢結(jié)果見表3。

表1 碼頭構(gòu)件完好率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Integrity rate of wharf structures

表2 碼頭變形觀測(cè)Tab.2 Wharf deformation observation

表3 碼頭胸墻及板樁傾斜抽檢結(jié)果Tab.3 Inclination sampling results of wharf crest walls and foundation piles

從表3可知，臨時(shí)碼頭胸墻的垂直度在1.6°～7.4°，板樁垂直度在4.6°～15.6°；擴(kuò)建碼頭胸墻的垂直度在2.4°～9.7°。從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，碼頭整體的垂直度均較大，尤其是臨時(shí)碼頭的板樁傾斜度與原設(shè)計(jì)值存在較大偏差。

2.4 板樁完整性檢測(cè)

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)采用低應(yīng)變檢測(cè)方法檢測(cè)樁身的完整性。選擇樁頂以下1.0 m左右處鑿出一個(gè)小窗口，檢測(cè)時(shí)以該點(diǎn)作為發(fā)射點(diǎn)，將速度傳感器安裝在樁身上作為接收點(diǎn)。在樁身側(cè)向安裝傳感器，然后在樁身切口進(jìn)行垂直激振。激振產(chǎn)生的彈性波沿樁身向下傳播，當(dāng)樁身存在明顯波阻抗差異的界面（如樁底、斷樁和嚴(yán)重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮徑或擴(kuò)徑）部位，將產(chǎn)生反射波。經(jīng)接收放大、濾波等數(shù)據(jù)處理，可識(shí)別來(lái)自樁身不同部位的反射信息，據(jù)此計(jì)算樁身波速，以判斷樁身完整性，還可根據(jù)波速和樁底反射波到達(dá)時(shí)間對(duì)樁的實(shí)際長(zhǎng)度加以核對(duì)。依據(jù)波列圖中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達(dá)時(shí)間等特征參數(shù)，推定單樁的完整性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，抽取臨時(shí)碼頭15根板樁和擴(kuò)建碼頭5根板樁進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)表明，只有兩根臨時(shí)碼頭板樁頂以下4.5 m附近有輕微混凝土破損，對(duì)結(jié)構(gòu)完整性沒有很大影響，其余板樁樁身結(jié)構(gòu)完整未發(fā)現(xiàn)破損或質(zhì)量缺陷。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕情況檢測(cè)

銹蝕檢測(cè)采用CYGNUS 1型水下超聲波金屬厚度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試。首先清除待測(cè)鋼構(gòu)件表面的海生物及銹蝕物，然后將水下測(cè)厚儀探頭頂住待測(cè)表面，直接在探頭上施加一定壓力（20～30 N），在儀器上讀取厚度值。

臨時(shí)碼頭鋼導(dǎo)梁完整無(wú)缺失，無(wú)局部損壞或銹斷等情況；錨拉桿外露端頭普遍有銹蝕，碼頭前沿低潮時(shí)能露出的部分無(wú)斷裂現(xiàn)象。臨時(shí)碼頭鋼導(dǎo)梁及錨拉桿端頭現(xiàn)狀見圖3、圖4。抽取5個(gè)部位檢測(cè)臨時(shí)碼頭鋼導(dǎo)梁構(gòu)件壁厚與錨桿直徑，鋼導(dǎo)梁構(gòu)件壁厚平均值為8.7 mm，錨桿直徑平均值為58.9 mm，與原設(shè)計(jì)相比鋼構(gòu)件截面積銹蝕損失較小。

2.6 ?？看胺雷o(hù)設(shè)施檢查

通過(guò)目測(cè)檢查系船柱及其緊固件的外觀銹蝕情況。護(hù)舷及護(hù)輪坎的檢查也以目測(cè)法為主，檢查碼頭護(hù)舷的缺失和損壞情況，記錄缺失數(shù)量和位置，以圖表及文字形式描述其損壞情況，記錄護(hù)輪坎混凝土結(jié)構(gòu)的破損和鋼筋銹蝕情況，記錄裂縫的數(shù)量、位置、走向、長(zhǎng)度、深度及裂縫是否貫穿等情況。

碼頭前沿護(hù)輪坎混凝土露筋破損嚴(yán)重。

2.7 基礎(chǔ)的沖刷、掏空檢測(cè)

采用水下探摸的方式，檢測(cè)基礎(chǔ)的沖刷、掏空情況。通過(guò)潛水員水下目測(cè)的方法觀察擋板間的回填料情況，發(fā)現(xiàn)回填料的石頭等參差不齊，臨時(shí)碼頭部分區(qū)域有大塊石頭交疊；臨時(shí)碼頭從61#～65#樁間泥面以上1.2 m左右沒有混凝土擋板，擋板內(nèi)部分拋填料被掏蝕，引起上部擋板的不均勻沉降，對(duì)結(jié)構(gòu)總體的穩(wěn)定有一定的影響。

圖3 導(dǎo)梁完整無(wú)缺失Fig.3 Launching nose

圖4 錨拉桿外露部分普遍銹蝕Fig.4 Corrosion position of exposed parts of anchor bars

表4 碼頭水深測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Wharf water depth

表5 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.5 Result of the whole stability calculation

表6 前墻穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.6 Result of the front wall stability calculation

表7 錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.7 Result of the anchorage stability calculation

2.8 碼頭前沿水深和沖淤變化

采用單波束測(cè)深儀對(duì)碼頭前沿20 m范圍的水域水深和沖淤變化進(jìn)行檢測(cè)，并按10 m一個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)斷面4 m一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)水深測(cè)量結(jié)果，結(jié)合水下探摸檢查情況，確定碼頭前沿的沖淤變化。碼頭前沿至碼頭前沿外20 m范圍內(nèi)測(cè)試的水深測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4所示。

從水深測(cè)量數(shù)據(jù)和表4可見，碼頭前沿有淤積，平均泥面標(biāo)高高于設(shè)計(jì)水深1.64 m；前沿12 m及20 m處高于設(shè)計(jì)水深0.61m和0.71m?？梢娍拷a頭前沿處淤積情況較嚴(yán)重，遠(yuǎn)離碼頭前沿淤積情況較輕。

3 碼頭安全性評(píng)估

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和碼頭水工竣工圖，結(jié)合實(shí)際情況，本次碼頭評(píng)估驗(yàn)算內(nèi)容包括：板樁碼頭整體穩(wěn)定性；前墻、錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；前墻、錨碇結(jié)構(gòu)承載力；拉桿的承載能力。

3.1 碼頭整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

板樁碼頭整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定。選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行碼頭整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，整體穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)考慮滑動(dòng)面過(guò)板樁樁尖情況，樁尖以下附近有軟土層時(shí)，尚應(yīng)驗(yàn)算滑動(dòng)面通過(guò)軟土層的情況；等滑動(dòng)面從樁尖上附近軟土層中通過(guò)時(shí)，可不計(jì)截樁力的影響；當(dāng)滑動(dòng)面在錨碇結(jié)構(gòu)前通過(guò)時(shí)，可不計(jì)拉桿拉力對(duì)穩(wěn)定性的影響［4］。采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行驗(yàn)算。碼頭頂面施加29 kPa、30 kPa均布荷載時(shí)的計(jì)算結(jié)果如表5所示，滿足要求。

3.2 前墻、錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

對(duì)于臨時(shí)碼頭和擴(kuò)建碼頭，作用效應(yīng)組合按承載能力極限狀態(tài)下的持久效應(yīng)組合。前墻踢腳穩(wěn)定性和錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別見表6、表7。

3.3 前墻、錨碇結(jié)構(gòu)承載力

不同均布荷載時(shí)的前墻總應(yīng)力如圖5～圖8所示，前墻、錨碇結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算結(jié)果如表8、表9所示。當(dāng)碼頭頂面施加30 kPa均布荷載時(shí)，臨時(shí)碼頭的前墻承載力不滿足規(guī)范要求。

3.4 拉桿承載力驗(yàn)算

拉桿承載力計(jì)算結(jié)果見表10，滿足規(guī)范要求。

由現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際檢測(cè)可知，其碼頭主體結(jié)構(gòu)完整，因此由安全性驗(yàn)算結(jié)果可知，在碼頭結(jié)構(gòu)是完整的情況下，對(duì)碼頭頂面施加29 kPa均布荷載：板樁碼頭整體穩(wěn)定性；前墻、錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；前墻、錨碇結(jié)構(gòu)承載力；拉桿的承載能力均滿足規(guī)范要求，具有足夠的承載能力。但臨時(shí)碼頭從61#～65#樁間部分拋填料被掏蝕，引起上部擋板的不均勻沉降，部分板樁樁頂混凝土碎裂，樁與導(dǎo)梁間有錯(cuò)位，顯著影響58#～65#樁間碼頭的承載能力，其安全性不符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)鋼筋銹蝕的情況與混凝土破損的情況，得到現(xiàn)情況下碼頭的承載能力，且該碼頭的原設(shè)計(jì)均布荷載值為20 kPa，因此建議把碼頭均布荷載限定為20 kPa。

圖5 臨時(shí)碼頭前墻總應(yīng)力Fig.5 Total stress of front wall of temporary wharf

圖6 擴(kuò)建碼頭前墻總應(yīng)力Fig.6 Total stress of front wall of extension wharf

圖7 臨時(shí)碼頭前墻總應(yīng)力Fig.7 Total stress of front wall of temporary wharf

圖8 擴(kuò)建碼頭前墻總應(yīng)力Fig.8 Total stress of front wall of extension wharf

表8 前墻承載力驗(yàn)算結(jié)果Tab.8 Calculation results of bearing capacity of front walls

表9 錨碇結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算結(jié)果Tab.9 Calculation results of bearing capacity of anchorages

表10 拉桿承載力驗(yàn)算結(jié)果Tab.10 Calculation results of bearing capacity of tension bolts

4 結(jié)語(yǔ)

在一些港區(qū)存在個(gè)別的老舊碼頭，由于其建設(shè)年代久遠(yuǎn)和管理不善，其碼頭結(jié)構(gòu)檔案資料不完整，加之碼頭長(zhǎng)期缺少維護(hù)，超載使用等原因，致使構(gòu)件破損嚴(yán)重，安全性得不到有效保證，碼頭在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題越來(lái)越突出。本文通過(guò)對(duì)某港區(qū)老舊板樁碼頭結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的檢測(cè)結(jié)果分析，介紹了其有關(guān)檢測(cè)方法，并利用有限元分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了驗(yàn)算評(píng)估，指出了碼頭存在的安全隱患，給出了碼頭繼續(xù)使用的限定條件，可為類似碼頭開展檢測(cè)評(píng)估提供借鑒。

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Finite element analysis method of sheet pile wharf safety assessment

LI Sai?feng1,ZHANG Fei2,ZHU Hong?yu2
（1.Ningbo Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Station,Ningbo 315000,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin 300456，China）

Detection and assessment of old wharf is not only the need of safety in production,but also the need of the further development.On the basis of investigation and analysis of the appearance,and combining with the de?tection of physical and mechanical properties of concrete,structural deformation and pile integrity,the current tech?nical condition and safety assessment for a 20 years′sheet pile wharf were analyzed in this paper.The results can serve as a theoretical basis for maintenance and upgrading of the wharf.

old sheet pile wharf；detection；assessment

U 656.1+12

A

1005-8443（2017）02-0168-05

2016-06-03；

2017-03-10

李賽峰（1971-），男，浙江省寧波人，高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)工程質(zhì)量監(jiān)督和項(xiàng)目管理工作。

Biography：LI Sai?feng（1971-），male，senior engineer.