水上高桩码头桩基安全性评价

张瑞霞

(上海同济建设工程质量检测站，上海 200092)

水上高桩码头桩基安全性评价

张瑞霞

(上海同济建设工程质量检测站，上海 200092)

对于运营期的高桩码头承台桩基，在保障码头正常运营的前提下，承台桩基检测手段比较有限。某车渡码头承台出现明显位移变形，经现场考察，推测原因为桥墩承台上系船柱受船舶的长期连续系缆力作用所致，本文针对此种情况进行了三维有限元数值模拟分析，并进行了多种荷载工况下的计算对比，对桩基承载力进行了检算。通过计算分析，结合现场实际情况，对承台目前的偏移情况下桩基的承载力进行检算，得出原有桩体的承载力在目前桥座墩位移的情况下仍能满足要求的结论。同时分析了港口码头桩基可能发生的病害类型，给出了处理建议，可供类似工程参考。

高桩码头 桩基 承载力 有限元 检测 位移

1 工程概况

某车渡码头结构采用钻孔灌注高桩形式，桩基为直径1 000 mm的圆桩，桩长约33 m，桩嵌入中等风化岩2.5 m以上，承台厚1 m，承台及高桩的详细尺寸及桩位等见图1。于2004年建成并投入运营，2007年发现承台出现明显位移，位移最大处达3～4 cm。经现场考察估计原因是桥墩承台上系船柱受船舶的长期连续系缆力作用所致［1-3］。

图1 码头剖面(单位：mm)

本文首先对桥墩桩基检测可行性进行了讨论，然后基于数值计算方法对桩基的安全性进行数值分析，并结合本工程的特点对桩基的耐久性和可能病害及其处理给出了建议。

2 三维有限元计算分析

目前桩基质量检测方法主要包括：低应变法、高应变法、声波法和钻芯法等。由于码头承台还在使用中，且承台为钢筋混凝土结构，敲击在承台上的冲击激振力无法沿高桩传递，而且也不能拆除承台进行检测，因此不宜采用低应变法和高应变法;码头已在运营阶段，没有预先在承台中预埋声测管，因此也无法采用声波透射法检测;钻芯法需要较高的技术水平和良好的钻具才能保证质量，而且钻芯法作为一种有损检测的手段，必然对整个桩基带来破坏，不宜采用。经过现场考察认为，该平台基桩发生断桩的可能性不大，且无有效的检测手段，故采用三维数值模拟方法对该平台进行安全性评价。根据该码头的设计图纸和地勘资料，对码头桥座墩平台及高桩进行三维有限元数值模拟，并对桩基的安全性进行评价分析［4］。

2.1 有限元模型建立

初始地应力场由有限元程序直接求得，计算中主要考虑土体自重、结构自重、钢板桥传递及系缆力，承台分为两层，如图2所示。

图2 承台结构(长度单位：mm;高程单位：m)

分析中所有结构和土体材料等均采用线弹性本构模型，桩周土体采用莫尔库伦(MC)弹塑性模型。建模时承台适当简化，只模拟下部的承台平板，上部结构自重以及承重荷载通过4根横梁以线荷载的形式传递给下部承台板，具体线荷载数值如图3所示。土层参数见表1。

图3 承台板荷载示意

表1 土层参数

由设计资料可知，该码头设计高水位高程为1.42 m，设计低水位为－1.58 m。考虑到低水位时失去水压作用，比高水位时的情况偏不安全，因此以设计低水位为例进行建模。所有分析不考虑水的动力作用。

考虑系缆力的作用大小及作用方向，并考虑到目前承台的最大位移3～4 cm，主要考虑了以下5个工况，各工况系缆力见图4。

①工况一：Nx= －700 kN，Nz=700 kN，Ny=700 kN;②工况二：Nx=－700 kN，Nz=700 kN;③工况三：Nx= －700 kN，Ny=700 kN;④工况四：Nz=700 kN，Ny=700 kN;⑤工况五：Nx= －500 kN，Nz=500 kN，Ny=500 kN。

2.2 计算结果分析

2.2.1 三维有限元计算结果

1)工况一

计算结果见图5。由计算结果知：承台板的最大位移Utot=42.95 mm;承台板的x方向最大位移Ux=30.04 mm;承台板的z方向最大位移Uz=30.70 mm;承台板的y方向最大位移Uy=5.13 mm。

2)工况二

由计算结果知：承台板的最大位移Utot=44.15 mm;承台板的x方向最大位移Ux=30.85 mm;承台板的z方向最大位移Uz=31.48 mm;承台板的y方向最大位移Uy=7.83 mm。

3)工况三

由计算结果知：承台板的最大位移Utot=50.27 mm;承台板的x方向最大位移Ux=46.40 mm;承台板的z方向最大位移Uz=19.13 mm;承台板的y方向最大位移Uy=4.11 mm。

4)工况四

由计算结果知：承台板的最大位移Utot=50.75 mm;承台板的x方向最大位移Ux=16.95 mm;承台板的z方向最大位移Uz=48.03 mm;承台板的y方向最大位移Uy=2.58 mm。

5)工况五

由计算结果知：承台板的最大位移Utot=30.81 mm;承台板的x方向最大位移Ux=21.69 mm;承台板的z方向最大位移Uz=21.87 mm;承台板的y方向最大位移Uy=4.02 mm。

2.2.2 桩的承载力验算

由计算结果知，工况一承台板的最大总位移Utot=42.95 mm，x方向最大水平位移Ux=30.04 mm，z方向最大水平位移Uz=30.70 mm，最接近实际情况，因此以工况一为例对桩的承载力进行验算［5-6］。

桩在水平力作用下的桩身内力和变形根据《港口工程桩基规范》(JTJ 254—98)§4.3水平力作用下桩的承载力计算，采用NL法进行计算。位移最大的桩为离系船柱最近的桩，最大位移42.9 mm。将此桩采用同济曙光正分析软件以弹性地基梁进行模拟，由最大位移量反算桩的内力。当集中荷载F=34.4 kN时，最大位移为u=0.042 9 m。桩基的反弯点(弯矩最大部位)位置为承台以下12.3 m，反弯点内力为：弯矩Mmax=177.5 kN·m，轴力 N=252.4 kN，剪力 Q=0。

桩的正截面承载力计算中，轴向压力设计值N=252.4 kN，Mx=177.5 kN·m，构件的计算长度 L=33 000 mm。圆形截面的直径d=1 000 mm;混凝土的强度等级为C30，轴心抗压强度设计值 fc=14.33 N/mm，钢筋抗拉强度设计值fy=300 N/mm，抗压强度设计值fy'=300 N/mm，弹性模量 Es=200 000 N/mm，相对界限受压区高度ζb=0.550。纵筋的混凝土保护层厚度c=70 mm，全部纵筋最小配筋率ρmin=0.60%。

通过轴心受压构件验算和正截面偏心受压承载力计算，在目前桥座墩位移的情况下，原有桩体的承载力仍能满足要求。

3 桩基病害分析及处治

我国《港口工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ 275—2000)对码头工程的耐久性做了一些规定，但是由于耐久性研究在国内还不够深入，很多工作需要继续开展。码头桩基混凝土建筑物应把结构强度设计与结构耐久性设计并重，设计文件与竣工验收都应制定具体的耐久性检验指标［7］。

经过多年对海工钢筋混凝土建筑物的观测与研究，一般认为建筑物的材料性能是保证耐久性的主要内在因素，而海水环境中氯离子的浸入是造成构筑物破坏的主要外在因素。钢筋混凝土构件的耐久性，取决于混凝土对钢筋的保护程度。混凝土是以水泥为基本胶结材料的多种材料硬化固结体，其多孔性，决定了它容易被有害气体和溶于水中的有害离子渗入。由于海水中有丰富的氯离子通过混凝土保护层，渗透到钢筋周围达到一定的浓度，具有极强的阳极活化作用，就会破坏钢筋钝化膜，使钢筋发生电化学腐蚀。

桩基工程是港口工程混凝土结构受侵蚀最严重的结构。桩基往往随着运营期年份的增加而承载力有所降低，桩基的轻微移位，在桩基承载力较设计值降低的基础上有可能出现桩身裂缝等情况。海水环境必然加速桩基裂缝部位的化学腐蚀程度，其耐久性尤其值得关注。

4 结论与建议

4.1 结论

1)对于港口工程中的桩基工程，桩基随着运营期年份的增加而承载力有所降低，加之港口特殊环境等因素的影响，桩基产生轻微移位，并可能产生裂缝等比较严重的病害。

2)对于运营期的高桩承台，目前缺乏对桩基的有效检测手段。

3)总体而言，不考虑海水对桩基的侵蚀等不良影响，在高桩承台目前的偏移情况下，桩基的承载力仍能满足要求。

4.2 建议

1)港口环境特殊，需要保证码头在设计允许的环境下正常使用，避免船舶的长期连续系缆力超过设计标准。

2)因本工程为高桩码头工程，受潮水影响大，可采用桩间土压密注浆的方法进行加固，通过压入水泥浆液改良土体参数，提高塑性区土体的抗力，以控制类似环境下桩基位移的进一步发展。

3)对于桩基可能产生的裂缝，一般情况下，若不影响受力性能，采用“包裹法”处理封闭裂缝即可。也可采用涂刷化学涂料、强喷高强砂浆、粘贴碳纤维布等方法。对于宽深缝，要以压力注浆修复为好。

高桩码头结构一般在浪溅区附近锈蚀、破损最为严重，可在退潮时针对浪溅区采用环氧涂层钢筋及混凝土内渗阻锈剂进行修复，以增强钢筋的抗锈能力和混凝土的阻锈能力。对于本工程，根据分析结果，桩基的反弯点(弯矩最大部位)位置为承台以下12.3 m(土层以下0.4 m)，也是桩基的裂缝最可能发生的部位。码头地基以砂性土为主，可采用压力注浆进行处理，一方面可以提高塑性区土体的抗力，另一方面也可以封闭裂缝。

［1］桩基工程手册编委会．桩基工程手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，1995：241-270．

［2］童保全，王硕威．浙江沿海水工钢筋混凝土建筑物钢筋腐蚀破坏调查与分析［R］．南京：河海大学，1984．

［3］王广德，张强，郑峰勇．天津港码头结构及构件现状调查［R］．天津：交通部天津水运工程科学研究所，1999．

［4］廖雄华．岸坡开挖扰动对天津港高桩码头结构安全性影响的数值分析［J］．中国港湾建设，2002(2)：33-38．

［5］宰金珉，陆舟，黄广龙．按单桩极限承载力设计复合桩基方法的可靠度分析［J］．岩土力学，2004，25(9)：1483-1486．

［6］李田，刘西拉．混凝土耐久性分析与设计［M］．北京：科学出版社，1999．

［7］中华人民共和国交通部．JTJ 275—2000 港口工程混凝土结构防腐蚀技术规范［S］．北京：人民交通出版社，2001．

U655.54+4.1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2012．10-12

1003-1995(2012)10-0036-04

2012-05-04;

2012-07-19

张瑞霞(1979— )，女，山东莱芜人，工程师，硕士。

(责任审编 王 红)