高桩码头修复加固工程关键技术研究与实践

2023-03-13俞梅欣张燕洪德序张圩王怿之

中国水运 2023年2期

俞梅欣，张燕，洪德序，张圩，王怿之

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200093；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200093）

高桩码头是国内外沿海、沿江码头的主要结构型式之一，被广泛应用，在所有码头工程建设数量中占有较大比重。该结构型式具有施工便捷、造价经济的特点，但也有耐久性不如重力式码头等缺点。随着已建高桩码头的频繁使用，以及自然气候、海洋环境等外部因素的不断变化，建成多年的现状码头经过长期服役，将会出现一定的耐久性、适用性、安全性方面的隐患。尤其是那些缺乏日常维护和检测的功能性码头，相应的修复和加固亟需提升日程。

本文以浙江省中东部某沿海港区高桩码头为例，开展修复与加固工程关键技术的研究，并将相应的分析结果应用于实践，既达到了恢复码头使用功能、提高安全性能的目的，也能为今后类似工程的设计和关键技术研究提供参考。

1 项目概况

本项目码头工程全长400 m，宽24 m，前沿设计泥面标高-12 m，面标高5.0 m（当地理论深度基准面为起算面）。码头共设6 个结构分段，排架间距7m。码头与陆域之间设两座长约120 m、宽11 m 的引桥。码头及采用高桩梁板式结构，标准排架下设7 根600 mm×600 mm 预应力钢筋混凝土空心方桩（5 根直桩和1 根叉桩，图1），每个结构段端排架处设8 根桩基（4根直桩直和2 根叉桩）。

图1 码头标准横断面图

码头建成于2000年，设计使用年限为50年，至今已投入使用近20 余年，期间进行过间歇性维护，但未开展过结构大修，码头前沿有维护性疏浚但后方未曾清淤。

2 自然条件

2.1 水文

本工程设计高水位为3.45 m，设计低水位0.15 m，极端高水位为4.53 m，极端低水位为-0.82 m。

港区潮汐属不规则半日潮港，涨、落潮历时不等。潮流运动主要表现为往复流，码头前沿处涨潮时潮流指向西南西，落潮时潮流指向东北东，流速值在2 kn 以下。

码头位于天然港区内，四面环岛，波浪较小，最大波高0.7 m，年平均波高0.1 m，故本次设计中不考虑波浪作用。

2.2 工程地质

场地地貌单元属浙东丘陵滨海岛屿区，土层自上而下为第四系全新统滨海、浅海相沉积的淤泥、淤泥质粉质粘土；上更新统粉质粘土、残坡积的粉质粘土夹砂砾等；下伏基岩为流纹质晶屑凝灰岩和角砾凝灰岩，微风化岩石致密、坚硬。

2.3 泥沙

码头前沿淤积强度在0.20～0.35 m/a。测区底质中粉砂的含量均在70%左右，其次是粘土，砂含量较小。

2.4 地震

拟建场地的抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第一组。

3 检测评估主要结论

本工程开工前进行了专项检测与评估，结果显示码头结构已出现不同程度的破损，主要表现为：①码头后方及底部淤积严重；②码头第一分段出现水平错位和竖向错台；③钢筋混凝土方桩桩顶出现环形裂缝，尤其第一分段较为普遍；④横梁、纵梁、面板等结构破损；⑤附属构件损坏及缺失。

图2 典型病害现场照片

整体评估结论如表1所示。

表1 码头评估结论

针对以上问题，项目上需根据技术可行、经济合理、施工方便的设计原则，对码头进行修复和加固设计。

4 修复加固方案

本工程修复水工建筑物结构设计安全等级为Ⅱ级。根据委托方要求，耐久性应满足修复后剩余使用年限要求，修复后评估等级要求达到B 级，码头的使用荷载不作改变。

4.1 码头清淤

本次码头清淤主要针对码头后方多年淤积的泥面进行。考虑施工便捷性与经济性，本次清淤不完全按照竣工图所示1:10 坡度进行，而是根据现场十字板试验得到的土层力学参数重新进行边坡稳定验算，以确保码头安全为主，以1:5 坡度进行，中部设置宽5 m 的平台。

4.2 整体加固措施

竣工图显示原码头同一分段的斜桩均采用同一平面扭角，这不满足现行水运抗震规范要求，故本次修复工程立足码头设计年限范围内使用安全、原则上尽量减少大拆大建，确保码头修复效益经济合理的原则，对此进行有限加强。

本方案拟将码头端部1 号轴线处的上部结构全部拆除，对其桩基进行低应变检测，要求全部为Ⅰ、Ⅱ类桩；当出现Ⅳ类桩，应进行补桩处理；当出现Ⅲ类桩时，若缺陷在泥面以上，需外加钢套筒加固，若在泥面下则截桩至泥面并补桩。经通过三维有限元结构模拟计算，需在此轴线横向中部补打4 根叉桩，以增加码头纵向抵抗水平荷载的能力。补桩桩型采用Φ800PHC 桩，平均桩长约45 m，维持原持力层（砾碎石混粘性土）。重新现浇横梁，安装纵向梁系、预制面板，现浇面板，并恢复原上部附属设施。

由于老桩基与横梁连接处出现裂缝、混凝土碎裂等情况，上部结构拆除后需进行桩头处理，暂将下横梁底标高降低500 mm，增设纵梁搁墩，纵梁、叠合板尺寸同原设计。

4.3 桩基修复加固方案

鉴于码头第一分段破损最为严重，每个排架桩基水上部分普遍存在桩顶环向裂缝，叉桩桩顶上方扒开一定距离（严重者脱开）；各排架下横梁顶部沿横梁长度方向普遍锈胀开裂，上横梁局部锈胀露筋；叉桩上部横梁存在斜向（竖向）裂缝：1～4#排架叉桩上方横梁劈裂严重。码头纵梁底部锈迹或者沿纵梁长度方向开裂；纵梁普遍存在3～6 条竖向贯通裂缝。11 和12 轴间的分缝最大处达到21 cm 宽，码头变形已大大超出规范允许的范围。

但根据检测报告，该分段桩基低应变动力检测共完成27 根，占总桩数的33.3%，其中Ⅰ类桩24 根，Ⅱ类桩2 根，Ⅲ类桩1 根，由此反映桩身质量尚可，但这与现场观测到的码头横梁与桩基连接节点多处破损、断裂不是太匹配。初判原因可能为水上进行的低应变检测其桩基检测点位于桩顶下约0.4 m 处，而破损节点在测点上方所致。

对此经多次研究与分析，拟对出现的Ⅲ类桩，增设钢套筒（图3）。钢套筒长度2 m，其与桩之间空隙配筋并浇注C40 水下细石砼，有效隔绝腐蚀环境，恢复桩结构完整性。

图3 增设钢套筒进行桩基修复加固示意图

4.4 桩顶节点修复加固方案

桩与横梁节点出现砼开裂、脱落，且环向裂纹宽1mm 以上且条数多于4 根处，拟将横梁局部落低、加大以包覆破损桩顶（图4）。落地结构平面尺寸在直桩顶为1.6 m×1.2 m、在叉桩顶为1.6 m×2.9 m。结构可能在施工水位以下，为确保质量，修补采用C40 水下不分散砼。环向裂纹宽0.5 mm 以上且多于4 条的，采用环氧树脂灌缝，修补裂缝后增设玻纤套筒。其余裂缝采用环氧树脂灌缝修补。