高樁碼頭安全評估中樁身完整性檢測比例的探討

陳燦明， 蘇曉棟，何建新，胡燁之，黃衛蘭

（1.南京水利科學研究院 水利部水科學與水工程重點實驗室，南京 210029；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

高樁碼頭安全評估中樁身完整性檢測比例的探討

陳燦明1， 蘇曉棟1，何建新1，胡燁之2，黃衛蘭1

（1.南京水利科學研究院 水利部水科學與水工程重點實驗室，南京 210029；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

在役高樁碼頭檢測評估中樁身完整性是必測項目，根據現行水運行業標準一般采用低應變反射波法，抽檢數量不少于樁總數的10%或20%，且不得少于10根，當檢測發現缺陷樁時，應擴大樁的抽檢比例。根據多年在役高樁碼頭安全檢測評估、尤其是交通運輸部開展碼頭靠泊能力核查和沿海港口碼頭結構加固改造工作中遇到的問題，通過現行水運工程和相關行業規范的對比分析，結合樁基完整性檢測割樁損傷對碼頭水平承載力影響計算結果，探討了樁基完整性檢測抽樣比例的合理性。提出在役高樁碼頭安全檢測應以碼頭樁基施工質量合格為基礎，以排除運行過程中產生的安全隱患為目的。安全檢測時只需考慮在役高樁碼頭運行年限、靠泊方式、運行環境、異常靠泊率和結構型式等運行因素，選擇較不利受力以及外觀檢查中樁基完整性存疑的樁基作為對象進行驗證檢測。

在役高樁碼頭;樁基完整性;檢測;評估;比例

作為水運大國，截至2015年末我國港口擁有生產用碼頭泊位31 259個，其中萬噸級及以上泊位2 221個（10萬t級及以上泊位331個），2015年全國港口完成貨物吞吐量127.50億t[1]。隨著新建碼頭大量投入使用以及原有碼頭運行年限的增加，碼頭運營中不可避免出現運行損傷和結構老化病害，需要對碼頭結構進行定期檢查、定期測量觀測、定期檢測和特殊檢測，以確保其運行安全[2-4]。

在役高樁碼頭安全檢測中樁身完整性是必測項目，一般采用低應變反射波法，抽檢數量按現行水運標準規定為不少于樁總數的10%或20%，且不得少于10根，當檢測發現缺陷樁時，應該擴大樁的抽檢比例。在役高樁碼頭樁基完整性檢測時需要在樁身切出傳感器安放平臺和激振平臺，引發樁基局部截面減少和應力集中效應。由于碼頭運行年限、使用環境和運行條件千差萬別，統一按樁總數的10%或20%來抽樣檢測明顯不甚合理[5]。為此，南京水利科學研究院設立了中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目《已建碼頭基樁檢測損傷對承載能力的影響分析與檢測方法改進研究》，研究樁基完整性檢測損傷對碼頭水平承載力的影響[6]。

本文通過對現行水運行業標準的分析，對比相關行業規范、結合樁基完整性檢測損傷對碼頭水平承載力影響計算結果，對在役高樁碼頭安全檢測時樁基完整性檢測抽樣比例的合理性進行探討。

1 現行有關規范對檢測數量的規定

采用鋼筋混凝土樁基的高樁碼頭，安全檢測中樁身完整性是不可缺的檢測項目，抽測比例一般依據《港口碼頭結構安全性檢測與評估指南》2011（以下簡稱“2011指南”）和《港口工程樁基動力檢測規程》JTJ 249-2001（以下簡稱“JTJ 249規程”）。為了和相關行業標準比較，對運用較為廣泛的《建筑基樁檢測技術規范》JGJ 106-2014（以下簡稱“JGJ 106規范”）的有關規定作簡要介紹。

（1）2011指南。該指南規定，混凝土樁樁身完整性檢測采用JTJ 249規程推薦的反射波法。由于在役高樁碼頭樁頂有樁帽或其他構件，現場檢測時可在樁頭側面分別切割出傳感器安放平臺和敲擊平臺，抽檢比例和具體位置可視具體情況確定，一般抽檢數量不少于總數的20%，且不少于10個構件，如出現缺陷樁時，應擴大抽檢比例。

（2）JTJ 249規程。該規程適用港口工程混凝土預制樁、灌注樁的低應變檢測。低應變動力檢測樁身完整性宜采用反射波法。對于混凝土預制樁，檢測樁的樁數不宜少于總樁數的10%，并不得少于10根；對于混凝土灌注樁，宜全部進行檢測。

（3）JGJ 106規范。該規范規定，建筑樁基設計等級為甲級，或地質條件復雜、成樁質量可靠性較低的灌注樁，抽檢數量不應少于總樁數的30%，且不得少于20根；其他樁基工程的抽檢數量不應少于總樁數的20%，且不得少于10根；每個柱下承臺檢測樁數不應少于1根。

2 現行標準規定合理性探討

2.1 規程適用范圍的分析

通過對水運工程和工民建現行行業標準的編制說明、總則、一般規定、專門規定和條文說明等內容的解讀，分析理解各標準中對樁基完整性抽樣比例規定的目的。

（1）2011指南是專門為在役碼頭的檢測評估而制定的，它是西部交通建設科技項目 “西部港口碼頭安全性檢測評估技術研究”課題的主要研究成果，是為了促進我國港口碼頭健康、持續發展，針對在役碼頭結構安全性檢測與評估的特點，對現有技術水平側重于實用性進行總結，指導沿海港口碼頭靠泊能力論證和結構加固改造工作，全面掌握港口碼頭結構的健康狀態，并為碼頭安全管理和后續維護采取相應措施的決策提供依據，同時為相關技術標準制訂和修訂提供技術積累基礎上編制的。它以《港口水工建筑物與評估技術規范》JTJ 302-2006為基礎，對在役碼頭結構安全性檢測與評估技術進行總結，將規范中安全性檢測與評估的原則性規定進行了細化，初步建立了碼頭結構安全檢測與評估的技術體系，大大增強了可操作性。因此該指南規定的抽樣比例可以理解為專門針對在役高樁碼頭檢測評估的。

（2）JTJ 249規程雖然沒明確說明適用在建碼頭的質量檢測還是適用在役碼頭的檢測，但規程指出，樁基是港口工程的主要基礎形式之一，樁基承載力及樁身完整性檢測結果能否合格關系到工程的安全。樁基動力檢測是檢測樁基承載力和樁身完整性的有效手段之一，工程中普遍采用。它在保證工程質量、提高樁基檢測技術水平和創造社會經濟效益等方面均取得了豐碩成果。規范出于統一港口工程樁基動力檢測方法和技術要求，有效控制工程檢測質量為目的，總結我國十余年水運工程樁基檢測技術經驗基礎上編制的。

從規程4.1.2條對抽樣樁的分類和具體規定以及規程4.1.3條低應變動力檢測時應具備資料等內容來看，規程明顯是為了工程質量控制檢測的。同時規程4.3.6條對上部有承臺樁的檢測方法作了規定，即可在樁側豎向激振或承臺面樁內范圍重錘豎向激振，并在樁側安裝加速度傳感器。

因此，JTJ 249規程中樁基完整性檢測比例的規定是針對在建碼頭基樁施工質量進行檢測的。

（3）JGJ 106規范是住房和城鄉建設部頒布的行業標準，該規范編制的目的是為設計、施工及驗收提供可靠依據（1.0.1條）。它將樁基的檢測分為施工前為設計提供依據的試驗樁檢測和施工后為驗收提供依據的工程樁檢測（3.1.1條）。驗收檢測樁抽檢時在均勻或隨機布置的前提下，重點檢測施工質量有疑問的樁、局部地基條件異常的樁、設計認為重要的樁和成樁工藝不同的樁（3.2.6條）。因此，從以上具體內容以及建筑工程樁基的運用情況分析，規范中對樁基檢測數量規定屬于工程質量的控制檢驗。

2.2 檢測損傷對樁基水平承載的影響分析

為研究在役高樁碼頭樁基完整性檢測損傷對水平承載的影響，南京水利科學研究院設立了中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目“已建碼頭基樁檢測損傷對承載能力的影響分析與檢測方法改進研究”，項目以長江下游某5萬噸級高樁碼頭為例，采用ANSYS建立單樁和整體有限元模型，計算分析水平荷載作用下樁基預應力水平、損傷形狀、損傷位置、損傷大小、樁基傾斜度等因素對樁身應力的影響[7-9]，其中C型PHC樁割樁后預應力釋放狀態見圖1，水平荷載作用下樁基損傷處應力狀態見圖2，損傷處沿高度應力分布見圖3。研究成果表明：

圖1 割樁處預應力釋放云圖Fig.1 Prestress release contour on the cutting damage

圖2 水平荷載作用下損傷處應力云圖Fig.2 Stress contour on the pile cutting damage under horizontal load

圖3 損傷處應力沿高度分布圖Fig.3 Pile stress along the height of cutting damage

（1）在役高樁碼頭樁基完整性檢測損傷后，水平荷載作用下損傷處產生應力集中，應力急劇增大，樁身最不利截面由樁頂移至損傷平臺處，樁身最大應力比損傷前顯著增大。

（2）樁基損傷產生的應力集中是局部的，影響范圍一般是損傷高度的1.4～7.5倍。

（3）預應力樁在損傷處有明顯應力釋放，損傷處產生較大的局部應力。

（4）水平荷載作用下損傷處的應力集中系數與預應力水平無關。

（5）在半圓柱體、長方體和半圓錐體三種損傷中，半圓柱體損傷對樁身應力分布影響最小，半圓錐體損傷最大，應力集中系數為3.271～4.690。

（6）損傷位置變化對損傷處應力集中系數影響不大，但樁頂一定范圍受樁身應力分布的影響，位置越接近橫梁樁身應力越大，損傷后受應力集中影響樁身應力更大。

（7）損傷底面大小改變對樁身應力集中影響明顯大于高度的改變，損傷半徑越大，樁身應力集中程度和影響范圍越大；損傷高度增大時樁身應力集中程度有小幅下降。

（8）傾斜度對損傷處的應力集中系數影響不大。

2.3 現行規定在執行中的問題

根據多年在役高樁碼頭安全檢測評估、尤其是交通運輸部開展碼頭靠泊能力核查和沿海港口碼頭結構加固改造工作實踐中遇到的問題，發現2011指南中關于混凝土樁樁身完整性檢測抽檢數量不少于總數的20%的規定不合理，有調整必要，試舉二例說明。

長江下游某5萬噸級高樁碼頭由碼頭平臺、系纜墩和引橋三部分組成，平臺分前、后方樁臺，三座引橋與后方陸域相連接，樁基采用預應力鋼筋混凝土空心方樁，前方樁臺455根，后方樁臺198根，系纜墩22根，引橋99根。按照2011指南抽檢數量不少于總數20%的規定，碼頭安全檢測時需要檢測155根樁的完整性。不僅檢測時割樁工作量大，更重要的是檢測損傷對碼頭結構安全性和耐久性都會產生不利影響。實際上對于施工質量驗收合格的碼頭后方樁臺和引橋樁基主要承擔豎向荷載作用，所受水平力很小，正常運行時其完整性應不會改變。

某業主自備5 000噸級高樁碼頭平臺采用鋼管樁，引橋和吊機桁架基礎為￠800 mmPHC樁。安全檢測和評估時投入運行剛滿5 a，且使用頻率低。對于該碼頭完全不承受船舶荷載作用PHC樁基按20%進行完整性檢測明顯不合理。

根據多年檢測經驗，對于正常運行且未過出現事故的在役高樁碼頭后方樁臺和引橋等不承受船舶荷載的鋼筋混凝土樁基，還未檢測出有完整性問題。這些區域的樁基完全可以通過外觀檢查分析確認，只有外觀檢查存疑的樁基才需要低應變檢測驗證，而不宜硬性規定按20%的比例進行檢測。

2.4 修改建議

（1）明確檢測目的，根據不同檢測目的，細化對抽樣比例的規定。目前，水運工程中樁基施工質量檢測一般依據JTJ 249規程，在役碼頭的檢測評估多依據2011指南。水運工程中樁基施工質量檢測，需要考慮工程的全覆蓋、成樁工藝、局部地質變化以及工程樁的重要性等因素，規程有針對性地規定混凝土預制樁按不少于樁總數的10%并不少于10根、混凝土灌注樁全部檢測是恰當的。

在役高樁碼頭安全檢測是以碼頭樁基施工質量經檢驗合格且通過驗收為基礎，以排除運行過程中產生的安全隱患為目的。因此完整性檢測時不需要考慮成樁工藝、局部地質變化等施工因素，只要考慮運行這一因素，選擇較不利受力以及外觀檢查中樁基完整性存疑的樁基進行驗證檢測。若完整性檢測比例過高反而會人為降低碼頭的安全性和耐久性。

由于在役高樁碼頭樁基完整性檢測時不需考慮施工因素，只要綜合分析碼頭投入運行年限、靠泊方式、運行環境、異常靠泊率和結構型式等運行因素，按不少于總樁數的20%抽檢明顯不合理，有必要進行調整。

（2）對在役高樁碼頭樁基完整性檢測數量的建議。鑒于樁基完整性檢測割樁對在役高樁碼頭結構有一定損傷，影響碼頭整體安全和耐久，因此應根據碼頭運行年限、運行條件、異常靠泊率和結構形式等因素，在外觀檢查后合理確定樁基完整性檢測數量。

① 在役高樁碼頭樁基完整性檢測應在碼頭運行調查和現場外觀檢查基礎上，選擇受力不利、運行中有可能出現損壞的樁基進行完整性檢測，當理論分析和現場檢查可確定樁基完好時，可抽少量樁基進行完整性驗證檢測。

② 根據在役高樁碼頭結構受力特點，選擇橫向排架中受力最不利的樁基、結構段端部橫向分配系數較大排架的樁基作為重點進行檢查和檢測。

③ 曾經出現過異常靠泊的在役高樁碼頭，經常靠泊排架、設置大型系纜設施或系纜頻繁排架的樁基，現場檢查懷疑有可能出現損傷的樁基應進行完整性檢測，一旦發現問題應擴大檢測范圍。

④ 對于運行年限短、靠泊頻率低、采用拖輪助靠且從未出現過異常靠泊的在役高樁碼頭、不靠泊或不經常靠泊部位（如引橋、后方樁臺等），現場通過檢查可確認完好的樁基可少量檢測驗證或不進行完整性檢測。

⑤ 樁基完整性檢測的割樁對在役高樁碼頭水平承載能力和鋼筋混凝土結構的耐久性有不利影響，檢測后要采取有效措施修補。

3 結語

在役碼頭的安全檢測與評估對于確保碼頭的安全運行具有重要作用，本文根據多年碼頭安全檢測評估、尤其是交通運輸部開展的碼頭靠泊能力認證和沿海港口碼頭結構加固改造工作實踐，對在役高樁碼頭樁基完整性檢測抽樣比例規定進行了探討。通過現行水運行業標準的編制原則、適用范圍、具體規定等內容的分析，借鑒相關行業標準的規定，結合現行標準在實際運用過程中存在的問題，認為現行行業標準規定的樁基完整性檢測比例對于在役高樁碼頭偏高，不僅檢測工作量大，而且對碼頭的安全性和耐久性有不利影響，有修改的必要。建議在役高樁碼頭樁基完整性檢測時不必考慮施工方面的因素，只需針對碼頭的運行條件，選擇受力不利和外觀檢查中完整性存疑的樁基進行完整性檢測。

[1] 中華人民共和國交通運輸部,2015年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL].(2016-05-06)[2016-10-15].http://zizhan.mot.gov.cn/ zfxxgk/bnssj/zhghs/201605/t20160506_2024006.html

[2] JTS 310-2013,港口設施維護技術規范[S].

[3] 張建國,孫建澎.高樁碼頭維護檢測有關問題的探討[J].水道港口,2001,22(1):40-43. ZHANG J G,SUN J P.Discussion on Maintenance and Inspection for Open Type Pier on Piles[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2001,22(1):40-43.

[4] 王廣德,田雙珠,王笑難,等.碼頭檢測評估的現狀與發展[J].水道港口,2002,23(4):291-294. WANG G D,TIAN S Z,WANG X N, et al.Present Situation and Development of Inspection and Evaluation for Wharf[J]. Journal of Waterway and Harbor,2002,23(4):291-294.

[5] 陳燦明,黃衛蘭,蘇揚,等.加固改造碼頭檢測和評估方法與有關問題探討[C]//吳彭，戴濟群.第八屆港口工程技術交流大會暨第九屆工程排水與加固技術研討會論文集.北京：中國水利水電出版社，2014.

[6] 陳燦明,李瑜,黃衛蘭,等.已建碼頭基樁檢測損傷對承載能力的影響分析與檢測方法改進研究報告[R].南京：南京水利科學研究院，2016.

[7] 張淼,陳燦明,黃衛蘭,等.在役高樁碼頭中低應變檢測法的應用[J].水運工程,2014(10):81-84. ZHANG M,CHEN C M,HUANG W L,et al.Application of low strain test for high-pile wharf in service[J].Port & Waterway Engineering,2014(10):81-84.

[8] 李瑜,陳燦明,黃衛蘭,等.樁基傾斜度對低應變反射波法割樁損傷的影響[J].水利水運工程學報,2015(6):54-59. LI Y,CHEN C M,HUANG W L,et al.Effects of pile inclination on pile cutting damage by low strain reflected wave method[J].Hydro-Science and Engineering,2015(6):54-59.

[9] 李瑜,張國安,陳燦明,等.高樁碼頭樁基損傷形狀及大小對結構的影響分析[C]//中國海洋工程學會.第十七屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集.北京：海洋出版社，2015.

Discussion on pile integrity detection ratio in safety evaluation of high-piled wharf

CHEN Can-ming1, SU Xiao-dong1, HE Jian-xin1, HU Ye-zhi2, HUANG Wei-lan1
(1.Key Laboratory of Water Science and Engineering of Ministry of Water Resources, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2.College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098,China)

Pile foundation integrity is required to be tested in detection and evaluation of the high-piled wharf in service. According to the current water transport standard, the low strain refl ection method was adopted, which demands the number of sampling piles shall not be less than 10% or 20% of the total number of piles and not be less than 10 piles. Besides, the sampling ratio should be expanded when the defects were detected. According to the multi-year safety evaluation of the high-piled wharf in service, especially the problems encountered in the verification of the wharf's berthing capacity and the reinforcement of the coastal wharf structure, the reasonableness of sampling ratio of pile integrity testing was discussed through the comparative analysis of the existing water transport standards, combined with the calculation results of the pile cutting damage effects on the horizontal bearing capacity. It is proposed that the safety detection of the high-piled wharf in service should be based on the qualification of construction quality of wharf pile foundation, so as to eliminate the potential safety hazards arising from the operation. According to the operational factors including operating ages, berthing methods, operating environment, abnormal berthing rate and structure type, piles which bear the worst load or are suspected to be incomplete should be selected as the object in verifi cation testing.

high-piled wharf in service; pile foundation integrity; detection; evaluation; ratio

U 656.1+12

A

1005-8443(2017)03-0269-05

2016-12-16；

2017-01-17

南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目（Y415003）

陳燦明（1962-），男，江蘇靖江人，教授級高工，主要從事水運工程的試驗、檢測和安全評估工作。Biography:CHEN Can-ming(1962-),male,professor.