板樁碼頭安全性檢測評估及其有限元分析方法

李賽峰，張 飛，朱翃宇

（1.寧波市交通工程質量安全監督站，寧波315000；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

板樁碼頭安全性檢測評估及其有限元分析方法

李賽峰1，張 飛2，朱翃宇2

（1.寧波市交通工程質量安全監督站，寧波315000；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456）

老舊碼頭通過檢測、評估可以幫助其安全投入生產、挖掘潛力和提高港口吞吐能力。針對某已建20 a的板樁碼頭，在外觀劣化調查分析的基礎上，結合混凝土物理力學性能指標、結構整體變形、板樁完整性等性能指標的檢測，綜合分析了碼頭所處的技術狀況，并對安全性做出評估，為碼頭的加固維修與升級改造提供理論依據。

老舊板樁碼頭；檢測；評估

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

一部分老舊碼頭長期缺少維護，使用超過設計使用年限，致使構件破損較嚴重，安全性得不到有效保證。在復雜的荷載工況下，碼頭構件會因過載、疲勞、碰撞等出現局部劣化，影響結構的耐久性與承載能力［1-5］。本文通過對某港區板樁碼頭混凝土物理力學性能指標、結構整體的變位變形、板樁完整性等多方面的檢測，分析碼頭損壞的原因，借助有限元計算軟件對其安全性進行驗算分析并做出評估，為碼頭后期的維修加固與升級改造提供了理論依據，可為類似碼頭的檢測評估提供借鑒。

1 工程概況

某港區鋼筋混凝土板樁碼頭于1993年建成投入使用，泊位總長度246 m，按照竣工圖紙的標注分為西側臨時碼頭和東側擴建碼頭兩部分，分別長100 m和146 m。該泊位為非生產性泊位，用于停靠拖輪。近年來，輪駁公司由于修船企業搬遷，計劃在該泊位進行臨時修船作業并在碼頭面堆放材料設備。考慮到該碼頭建成使用至今已超過20 a，為充分了解水工結構現狀是否安全，需要進行專業的檢測評估以排查隱患，同時通過檢測和復核計算，確定碼頭面均布荷載，必要時提出維修或維護方案。對碼頭構件編號作如下規定：1）臨時碼頭板樁自西向東編號，依次編為1#樁、2#樁……，檢測位置按照板樁編號定位；2）擴建碼頭系船柱自西向東編號，依次編為1#系船柱、2#系船柱……，檢測位置按照系船柱編號定位。臨時碼頭和擴建碼頭斷面如圖1、圖2所示。

2 檢測結果及分析

2.1 構件外觀檢查

構件外觀檢測分為水上和水下部分。水上檢查主要采取目測、攝影、攝像、敲擊、尺量等方法，全面描述碼頭水面以上構件的外觀缺陷，詳細記錄并描述構件的裂縫、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量、部位與范圍，描述構件的現狀。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。

存在的主要問題有：1）胸墻平整度較差，少數部位有裂縫和明顯碰損，變形縫兩側有混凝土擠壓；2）臨時碼頭部分板樁（低潮時能露出水面部分）樁頂部存在裂縫、劈角等混凝土破損，板樁與上部導梁間銜接較差，銜接處混凝土破損較為嚴重；3）臨時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域周圍裂縫廣布，臨時碼頭面層混凝土麻面破損較為普遍，面層不均勻沉降現象較為嚴重。

碼頭各混凝土構件外觀劣化度分級統計見表1。

2.2 結構整體變位與變形測量

水平位移檢測方法：利用港區高等級GPS點作為起算點，對首級控制網進行測設。首級控制網采用三等電磁波測距導線觀測基準點。以首級控制網各點作為已知點，采用四等電磁波測距導線觀測各變形觀測點。觀測時，用全站儀角度觀測8測回；距離采用全站儀往返觀測或用不同時段觀測代替往返觀測，每次4測回，每測回4次讀數，距離附加儀器加、乘常數改正和氣象改正。經檢查各項精度指標及限差符合規范要求后，采用條件平差法計算出各變形點的坐標。首期觀測成果為基本觀測值，以后各期觀測值與它進行比較，兩者差值即為水平位移量。

垂直位移檢測方法：觀測開始前，對港區高等級水準點進行檢測，以使起始點成果可靠。新埋設的沉降觀測基準點，須先從港區高等級水準點以二等的精度進行聯測，從而把監測的高程系統統一到連云港水尺零點上。從港區高等級水準點或沉降基準點向形變控制點聯測一條二等水準閉合環，求出每個沉降觀測點的高程值。為消除潮汐對碼頭高程的影響，水準觀測時，均選擇在高潮位時進行。首期觀測成果為基本觀測值，以后各觀測值與它進行比較即為沉降量。為消除系統誤差的影響，每期觀測應盡量固定觀測人員和儀器設備，采用相同的觀測路線和觀測方法。

通過本次觀測與歷史數據比對得到碼頭變形量，觀測結果見表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

對碼頭胸墻的傾斜檢測采用抽檢的方式進行，利用LS160-60型數顯激光角度尺測試胸墻的斜度。該角度尺角度測試范圍360°，精度±0.1°。該泊位的胸墻及板樁傾斜測量共抽測30處，碼頭胸墻及板樁傾斜抽檢結果見表3。

表1 碼頭構件完好率統計表Tab.1 Integrity rate of wharf structures

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

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

從表3可知，臨時碼頭胸墻的垂直度在1.6°～7.4°，板樁垂直度在4.6°～15.6°；擴建碼頭胸墻的垂直度在2.4°～9.7°。從測量數據來看，碼頭整體的垂直度均較大，尤其是臨時碼頭的板樁傾斜度與原設計值存在較大偏差。

2.4 板樁完整性檢測

本次現場測試時采用低應變檢測方法檢測樁身的完整性。選擇樁頂以下1.0 m左右處鑿出一個小窗口，檢測時以該點作為發射點，將速度傳感器安裝在樁身上作為接收點。在樁身側向安裝傳感器，然后在樁身切口進行垂直激振。激振產生的彈性波沿樁身向下傳播，當樁身存在明顯波阻抗差異的界面（如樁底、斷樁和嚴重離析等部位）或樁身截面積變化（如縮徑或擴徑）部位，將產生反射波。經接收放大、濾波等數據處理，可識別來自樁身不同部位的反射信息，據此計算樁身波速，以判斷樁身完整性，還可根據波速和樁底反射波到達時間對樁的實際長度加以核對。依據波列圖中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、頻率及波的到達時間等特征參數，推定單樁的完整性。根據現場實際情況，抽取臨時碼頭15根板樁和擴建碼頭5根板樁進行測試。檢測表明，只有兩根臨時碼頭板樁頂以下4.5 m附近有輕微混凝土破損，對結構完整性沒有很大影響，其余板樁樁身結構完整未發現破損或質量缺陷。

2.5 鋼結構的銹蝕情況檢測

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

臨時碼頭鋼導梁完整無缺失，無局部損壞或銹斷等情況；錨拉桿外露端頭普遍有銹蝕，碼頭前沿低潮時能露出的部分無斷裂現象。臨時碼頭鋼導梁及錨拉桿端頭現狀見圖3、圖4。抽取5個部位檢測臨時碼頭鋼導梁構件壁厚與錨桿直徑，鋼導梁構件壁厚平均值為8.7 mm，錨桿直徑平均值為58.9 mm，與原設計相比鋼構件截面積銹蝕損失較小。

2.6 停靠船及防護設施檢查

通過目測檢查系船柱及其緊固件的外觀銹蝕情況。護舷及護輪坎的檢查也以目測法為主，檢查碼頭護舷的缺失和損壞情況，記錄缺失數量和位置，以圖表及文字形式描述其損壞情況，記錄護輪坎混凝土結構的破損和鋼筋銹蝕情況，記錄裂縫的數量、位置、走向、長度、深度及裂縫是否貫穿等情況。

碼頭前沿護輪坎混凝土露筋破損嚴重。

2.7 基礎的沖刷、掏空檢測

采用水下探摸的方式，檢測基礎的沖刷、掏空情況。通過潛水員水下目測的方法觀察擋板間的回填料情況，發現回填料的石頭等參差不齊，臨時碼頭部分區域有大塊石頭交疊；臨時碼頭從61#～65#樁間泥面以上1.2 m左右沒有混凝土擋板，擋板內部分拋填料被掏蝕，引起上部擋板的不均勻沉降，對結構總體的穩定有一定的影響。

圖3 導梁完整無缺失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 碼頭水深測量數據統計Tab.4 Wharf water depth

表5 整體穩定性計算結果Tab.5 Result of the whole stability calculation

表6 前墻穩定性計算結果Tab.6 Result of the front wall stability calculation

表7 錨碇結構穩定性計算結果Tab.7 Result of the anchorage stability calculation

2.8 碼頭前沿水深和沖淤變化

采用單波束測深儀對碼頭前沿20 m范圍的水域水深和沖淤變化進行檢測，并按10 m一個測量斷面，每個斷面4 m一個測點進行測量。根據水深測量結果，結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范圍內測試的水深測量數據統計如表4所示。

從水深測量數據和表4可見，碼頭前沿有淤積，平均泥面標高高于設計水深1.64 m；前沿12 m及20 m處高于設計水深0.61m和0.71m。可見靠近碼頭前沿處淤積情況較嚴重，遠離碼頭前沿淤積情況較輕。

3 碼頭安全性評估

根據工程地質勘察報告和碼頭水工竣工圖，結合實際情況，本次碼頭評估驗算內容包括：板樁碼頭整體穩定性；前墻、錨碇結構穩定性；前墻、錨碇結構承載力；拉桿的承載能力。

3.1 碼頭整體穩定性驗算

板樁碼頭整體穩定性的驗算應符合行業標準有關規定。選取現場實測值進行碼頭整體穩定性驗算，整體穩定性計算應考慮滑動面過板樁樁尖情況，樁尖以下附近有軟土層時，尚應驗算滑動面通過軟土層的情況；等滑動面從樁尖上附近軟土層中通過時，可不計截樁力的影響；當滑動面在錨碇結構前通過時，可不計拉桿拉力對穩定性的影響［4］。采用有限元軟件ABAQUS進行驗算。碼頭頂面施加29 kPa、30 kPa均布荷載時的計算結果如表5所示，滿足要求。

3.2 前墻、錨碇結構穩定性

對于臨時碼頭和擴建碼頭，作用效應組合按承載能力極限狀態下的持久效應組合。前墻踢腳穩定性和錨碇結構穩定性計算結果分別見表6、表7。

3.3 前墻、錨碇結構承載力

不同均布荷載時的前墻總應力如圖5～圖8所示，前墻、錨碇結構承載力驗算結果如表8、表9所示。當碼頭頂面施加30 kPa均布荷載時，臨時碼頭的前墻承載力不滿足規范要求。

3.4 拉桿承載力驗算

拉桿承載力計算結果見表10，滿足規范要求。

由現場的實際檢測可知，其碼頭主體結構完整，因此由安全性驗算結果可知，在碼頭結構是完整的情況下，對碼頭頂面施加29 kPa均布荷載：板樁碼頭整體穩定性；前墻、錨碇結構穩定性；前墻、錨碇結構承載力；拉桿的承載能力均滿足規范要求，具有足夠的承載能力。但臨時碼頭從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，樁與導梁間有錯位，顯著影響58#～65#樁間碼頭的承載能力，其安全性不符合國家有關標準要求，應及時進行修復、補強。根據鋼筋銹蝕的情況與混凝土破損的情況，得到現情況下碼頭的承載能力，且該碼頭的原設計均布荷載值為20 kPa，因此建議把碼頭均布荷載限定為20 kPa。

圖5 臨時碼頭前墻總應力Fig.5 Total stress of front wall of temporary wharf

圖6 擴建碼頭前墻總應力Fig.6 Total stress of front wall of extension wharf

圖7 臨時碼頭前墻總應力Fig.7 Total stress of front wall of temporary wharf

圖8 擴建碼頭前墻總應力Fig.8 Total stress of front wall of extension wharf

表8 前墻承載力驗算結果Tab.8 Calculation results of bearing capacity of front walls

表9 錨碇結構承載力驗算結果Tab.9 Calculation results of bearing capacity of anchorages

表10 拉桿承載力驗算結果Tab.10 Calculation results of bearing capacity of tension bolts

4 結語

在一些港區存在個別的老舊碼頭，由于其建設年代久遠和管理不善，其碼頭結構檔案資料不完整，加之碼頭長期缺少維護，超載使用等原因，致使構件破損嚴重，安全性得不到有效保證，碼頭在使用過程中存在的問題越來越突出。本文通過對某港區老舊板樁碼頭結構現狀的檢測結果分析，介紹了其有關檢測方法，并利用有限元分析方法對結構的安全性進行了驗算評估，指出了碼頭存在的安全隱患，給出了碼頭繼續使用的限定條件，可為類似碼頭開展檢測評估提供借鑒。

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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，高級工程師，主要從事水運工程質量監督和項目管理工作。

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