水上高樁碼頭樁基安全性評(píng)價(jià)

張瑞霞

(上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，上海 200092)

水上高樁碼頭樁基安全性評(píng)價(jià)

張瑞霞

(上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站，上海 200092)

對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的高樁碼頭承臺(tái)樁基，在保障碼頭正常運(yùn)營(yíng)的前提下，承臺(tái)樁基檢測(cè)手段比較有限。某車渡碼頭承臺(tái)出現(xiàn)明顯位移變形，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，推測(cè)原因?yàn)闃蚨粘信_(tái)上系船柱受船舶的長(zhǎng)期連續(xù)系纜力作用所致，本文針對(duì)此種情況進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行了多種荷載工況下的計(jì)算對(duì)比，對(duì)樁基承載力進(jìn)行了檢算。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)承臺(tái)目前的偏移情況下樁基的承載力進(jìn)行檢算，得出原有樁體的承載力在目前橋座墩位移的情況下仍能滿足要求的結(jié)論。同時(shí)分析了港口碼頭樁基可能發(fā)生的病害類型，給出了處理建議，可供類似工程參考。

高樁碼頭 樁基 承載力 有限元 檢測(cè) 位移

1 工程概況

某車渡碼頭結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注高樁形式，樁基為直徑1 000 mm的圓樁，樁長(zhǎng)約33 m，樁嵌入中等風(fēng)化巖2.5 m以上，承臺(tái)厚1 m，承臺(tái)及高樁的詳細(xì)尺寸及樁位等見(jiàn)圖1。于2004年建成并投入運(yùn)營(yíng)，2007年發(fā)現(xiàn)承臺(tái)出現(xiàn)明顯位移，位移最大處達(dá)3～4 cm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察估計(jì)原因是橋墩承臺(tái)上系船柱受船舶的長(zhǎng)期連續(xù)系纜力作用所致［1-3］。

圖1 碼頭剖面(單位：mm)

本文首先對(duì)橋墩樁基檢測(cè)可行性進(jìn)行了討論，然后基于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)樁基的安全性進(jìn)行數(shù)值分析，并結(jié)合本工程的特點(diǎn)對(duì)樁基的耐久性和可能病害及其處理給出了建議。

2 三維有限元計(jì)算分析

目前樁基質(zhì)量檢測(cè)方法主要包括：低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波法和鉆芯法等。由于碼頭承臺(tái)還在使用中，且承臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，敲擊在承臺(tái)上的沖擊激振力無(wú)法沿高樁傳遞，而且也不能拆除承臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，因此不宜采用低應(yīng)變法和高應(yīng)變法;碼頭已在運(yùn)營(yíng)階段，沒(méi)有預(yù)先在承臺(tái)中預(yù)埋聲測(cè)管，因此也無(wú)法采用聲波透射法檢測(cè);鉆芯法需要較高的技術(shù)水平和良好的鉆具才能保證質(zhì)量，而且鉆芯法作為一種有損檢測(cè)的手段，必然對(duì)整個(gè)樁基帶來(lái)破壞，不宜采用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察認(rèn)為，該平臺(tái)基樁發(fā)生斷樁的可能性不大，且無(wú)有效的檢測(cè)手段，故采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。根據(jù)該碼頭的設(shè)計(jì)圖紙和地勘資料，對(duì)碼頭橋座墩平臺(tái)及高樁進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，并對(duì)樁基的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析［4］。

2.1 有限元模型建立

初始地應(yīng)力場(chǎng)由有限元程序直接求得，計(jì)算中主要考慮土體自重、結(jié)構(gòu)自重、鋼板橋傳遞及系纜力，承臺(tái)分為兩層，如圖2所示。

圖2 承臺(tái)結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)度單位：mm;高程單位：m)

分析中所有結(jié)構(gòu)和土體材料等均采用線彈性本構(gòu)模型，樁周土體采用莫爾庫(kù)倫(MC)彈塑性模型。建模時(shí)承臺(tái)適當(dāng)簡(jiǎn)化，只模擬下部的承臺(tái)平板，上部結(jié)構(gòu)自重以及承重荷載通過(guò)4根橫梁以線荷載的形式傳遞給下部承臺(tái)板，具體線荷載數(shù)值如圖3所示。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 承臺(tái)板荷載示意

表1 土層參數(shù)

由設(shè)計(jì)資料可知，該碼頭設(shè)計(jì)高水位高程為1.42 m，設(shè)計(jì)低水位為－1.58 m?？紤]到低水位時(shí)失去水壓作用，比高水位時(shí)的情況偏不安全，因此以設(shè)計(jì)低水位為例進(jìn)行建模。所有分析不考慮水的動(dòng)力作用。

考慮系纜力的作用大小及作用方向，并考慮到目前承臺(tái)的最大位移3～4 cm，主要考慮了以下5個(gè)工況，各工況系纜力見(jiàn)圖4。

①工況一：Nx= －700 kN，Nz=700 kN，Ny=700 kN;②工況二：Nx=－700 kN，Nz=700 kN;③工況三：Nx= －700 kN，Ny=700 kN;④工況四：Nz=700 kN，Ny=700 kN;⑤工況五：Nx= －500 kN，Nz=500 kN，Ny=500 kN。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 三維有限元計(jì)算結(jié)果

1)工況一

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。由計(jì)算結(jié)果知：承臺(tái)板的最大位移Utot=42.95 mm;承臺(tái)板的x方向最大位移Ux=30.04 mm;承臺(tái)板的z方向最大位移Uz=30.70 mm;承臺(tái)板的y方向最大位移Uy=5.13 mm。

2)工況二

由計(jì)算結(jié)果知：承臺(tái)板的最大位移Utot=44.15 mm;承臺(tái)板的x方向最大位移Ux=30.85 mm;承臺(tái)板的z方向最大位移Uz=31.48 mm;承臺(tái)板的y方向最大位移Uy=7.83 mm。

3)工況三

由計(jì)算結(jié)果知：承臺(tái)板的最大位移Utot=50.27 mm;承臺(tái)板的x方向最大位移Ux=46.40 mm;承臺(tái)板的z方向最大位移Uz=19.13 mm;承臺(tái)板的y方向最大位移Uy=4.11 mm。

4)工況四

由計(jì)算結(jié)果知：承臺(tái)板的最大位移Utot=50.75 mm;承臺(tái)板的x方向最大位移Ux=16.95 mm;承臺(tái)板的z方向最大位移Uz=48.03 mm;承臺(tái)板的y方向最大位移Uy=2.58 mm。

5)工況五

由計(jì)算結(jié)果知：承臺(tái)板的最大位移Utot=30.81 mm;承臺(tái)板的x方向最大位移Ux=21.69 mm;承臺(tái)板的z方向最大位移Uz=21.87 mm;承臺(tái)板的y方向最大位移Uy=4.02 mm。

2.2.2 樁的承載力驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果知，工況一承臺(tái)板的最大總位移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，最接近實(shí)際情況，因此以工況一為例對(duì)樁的承載力進(jìn)行驗(yàn)算［5-6］。

樁在水平力作用下的樁身內(nèi)力和變形根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTJ 254—98)§4.3水平力作用下樁的承載力計(jì)算，采用NL法進(jìn)行計(jì)算。位移最大的樁為離系船柱最近的樁，最大位移42.9 mm。將此樁采用同濟(jì)曙光正分析軟件以彈性地基梁進(jìn)行模擬，由最大位移量反算樁的內(nèi)力。當(dāng)集中荷載F=34.4 kN時(shí)，最大位移為u=0.042 9 m。樁基的反彎點(diǎn)(彎矩最大部位)位置為承臺(tái)以下12.3 m，反彎點(diǎn)內(nèi)力為：彎矩Mmax=177.5 kN·m，軸力 N=252.4 kN，剪力 Q=0。

樁的正截面承載力計(jì)算中，軸向壓力設(shè)計(jì)值N=252.4 kN，Mx=177.5 kN·m，構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度 L=33 000 mm。圓形截面的直徑d=1 000 mm;混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc=14.33 N/mm，鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=300 N/mm，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy'=300 N/mm，彈性模量 Es=200 000 N/mm，相對(duì)界限受壓區(qū)高度ζb=0.550。縱筋的混凝土保護(hù)層厚度c=70 mm，全部縱筋最小配筋率ρmin=0.60%。

通過(guò)軸心受壓構(gòu)件驗(yàn)算和正截面偏心受壓承載力計(jì)算，在目前橋座墩位移的情況下，原有樁體的承載力仍能滿足要求。

3 樁基病害分析及處治

我國(guó)《港口工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275—2000)對(duì)碼頭工程的耐久性做了一些規(guī)定，但是由于耐久性研究在國(guó)內(nèi)還不夠深入，很多工作需要繼續(xù)開(kāi)展。碼頭樁基混凝土建筑物應(yīng)把結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)并重，設(shè)計(jì)文件與竣工驗(yàn)收都應(yīng)制定具體的耐久性檢驗(yàn)指標(biāo)［7］。

經(jīng)過(guò)多年對(duì)海工鋼筋混凝土建筑物的觀測(cè)與研究，一般認(rèn)為建筑物的材料性能是保證耐久性的主要內(nèi)在因素，而海水環(huán)境中氯離子的浸入是造成構(gòu)筑物破壞的主要外在因素。鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性，取決于混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)程度?；炷潦且运酁榛灸z結(jié)材料的多種材料硬化固結(jié)體，其多孔性，決定了它容易被有害氣體和溶于水中的有害離子滲入。由于海水中有豐富的氯離子通過(guò)混凝土保護(hù)層，滲透到鋼筋周圍達(dá)到一定的濃度，具有極強(qiáng)的陽(yáng)極活化作用，就會(huì)破壞鋼筋鈍化膜，使鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

樁基工程是港口工程混凝土結(jié)構(gòu)受侵蝕最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)。樁基往往隨著運(yùn)營(yíng)期年份的增加而承載力有所降低，樁基的輕微移位，在樁基承載力較設(shè)計(jì)值降低的基礎(chǔ)上有可能出現(xiàn)樁身裂縫等情況。海水環(huán)境必然加速樁基裂縫部位的化學(xué)腐蝕程度，其耐久性尤其值得關(guān)注。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)對(duì)于港口工程中的樁基工程，樁基隨著運(yùn)營(yíng)期年份的增加而承載力有所降低，加之港口特殊環(huán)境等因素的影響，樁基產(chǎn)生輕微移位，并可能產(chǎn)生裂縫等比較嚴(yán)重的病害。

2)對(duì)于運(yùn)營(yíng)期的高樁承臺(tái)，目前缺乏對(duì)樁基的有效檢測(cè)手段。

3)總體而言，不考慮海水對(duì)樁基的侵蝕等不良影響，在高樁承臺(tái)目前的偏移情況下，樁基的承載力仍能滿足要求。

4.2 建議

1)港口環(huán)境特殊，需要保證碼頭在設(shè)計(jì)允許的環(huán)境下正常使用，避免船舶的長(zhǎng)期連續(xù)系纜力超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2)因本工程為高樁碼頭工程，受潮水影響大，可采用樁間土壓密注漿的方法進(jìn)行加固，通過(guò)壓入水泥漿液改良土體參數(shù)，提高塑性區(qū)土體的抗力，以控制類似環(huán)境下樁基位移的進(jìn)一步發(fā)展。

3)對(duì)于樁基可能產(chǎn)生的裂縫，一般情況下，若不影響受力性能，采用“包裹法”處理封閉裂縫即可。也可采用涂刷化學(xué)涂料、強(qiáng)噴高強(qiáng)砂漿、粘貼碳纖維布等方法。對(duì)于寬深縫，要以壓力注漿修復(fù)為好。

高樁碼頭結(jié)構(gòu)一般在浪濺區(qū)附近銹蝕、破損最為嚴(yán)重，可在退潮時(shí)針對(duì)浪濺區(qū)采用環(huán)氧涂層鋼筋及混凝土內(nèi)滲阻銹劑進(jìn)行修復(fù)，以增強(qiáng)鋼筋的抗銹能力和混凝土的阻銹能力。對(duì)于本工程，根據(jù)分析結(jié)果，樁基的反彎點(diǎn)(彎矩最大部位)位置為承臺(tái)以下12.3 m(土層以下0.4 m)，也是樁基的裂縫最可能發(fā)生的部位。碼頭地基以砂性土為主，可采用壓力注漿進(jìn)行處理，一方面可以提高塑性區(qū)土體的抗力，另一方面也可以封閉裂縫。

［1］樁基工程手冊(cè)編委會(huì)．樁基工程手冊(cè)［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995：241-270．

［2］童保全，王碩威．浙江沿海水工鋼筋混凝土建筑物鋼筋腐蝕破壞調(diào)查與分析［R］．南京：河海大學(xué)，1984．

［3］王廣德，張強(qiáng)，鄭峰勇．天津港碼頭結(jié)構(gòu)及構(gòu)件現(xiàn)狀調(diào)查［R］．天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，1999．

［4］廖雄華．岸坡開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)天津港高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性影響的數(shù)值分析［J］．中國(guó)港灣建設(shè)，2002(2)：33-38．

［5］宰金珉，陸舟，黃廣龍．按單樁極限承載力設(shè)計(jì)復(fù)合樁基方法的可靠度分析［J］．巖土力學(xué)，2004，25(9)：1483-1486．

［6］李田，劉西拉．混凝土耐久性分析與設(shè)計(jì)［M］．北京：科學(xué)出版社，1999．

［7］中華人民共和國(guó)交通部．JTJ 275—2000 港口工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)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

張瑞霞(1979— )，女，山東萊蕪人，工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)