钢板桩挡土结构加固方法研究

李格平 ，郭 畅 ，骆 城 ，熊洪峰 ，3

（1.天津港航工程有限公司，天津300457；2.交通部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；3.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001）

斜顶桩钢板桩挡土结构是依靠斜顶桩提供水平抵抗力，帽梁连接斜顶桩与钢板桩，钢板桩将上部水平力传至土层深处进而减小岸坡变形的结构型式。根据《天津港码头设施2008年秋季调查报告》［1］可知，天津港某码头钢板桩挡土结构在恶劣的海洋环境中因锈蚀、电化学腐蚀、海浪冲刷等作用，出现了严重的锈蚀破损现象［2］。为了保障码头的安全使用，亟需对钢板桩挡土结构进行加固。

钢板桩挡土结构加固方法的研究还处于理论阶段，在经济性和施工难易度2个指标的制约下，能用于工程实际的加固方法现在还不多见，本文运用ANSYS有限元模型对工程实例进行数值分析，对钢板桩挡土结构加固方案进行比选，寻求能够运用于工程实际的最优加固方案。

1 工程概况

码头的钢板桩挡土结构为钢板桩+斜顶桩+帽梁型式。挡土结构是由厚45 cm的预应力板桩墙、55 cm×55 cm的预应力空心斜顶桩和帽梁构成的挡土墙，板桩墙和斜顶桩的连接型式为固接。板桩桩尖打至-17.5 m，斜顶桩桩尖打至-22.0 m，相邻斜顶桩间距为3.5 m。其码头局部断面见图1。

根据现场测试可知，该钢板桩挡土结构的大多数钢板桩只剩下80%的残余厚度（钢板桩原厚度为15 mm，80%的残余厚度为12 mm），部分破损严重区域的钢板桩已出现了300 mm×500 mm的锈洞（图2）。

2 ANSYS有限元计算模型的建立

为了准确模拟桩土之间的摩擦力，考虑各构件之间力传递的复杂性，本文采用实体单元solid45。各构件之间的连接形式均为固接。为减小建模的难度并能划分出计算相对精确的规则网格，采用式（1）、式（2）对U形钢板桩进行一定的简化。根据码头结构段的对称性，沿码头岸线方向取3.5 m范围，岸-海方向取83 m范围（码头前沿外-13 m，码头前沿往后取-70 m）。模型示意图见图3，有限元模型网格见图4。模型的底面设为全约束；由于模型在岸-海方向选取了足够的长度，故不考虑X方向的位移，模型前后两侧仅设置X方向的约束；模型的左右两侧设为对称约束［3］。

图1 码头局部断面图Fig.1 Local section view of the pier

图2 钢板桩锈洞位置Fig.2 Position of corrosion on steel sheet pile

式中：EC、ES分别为计算弹性模量和钢的弹性模量；IS、AS分别为U形钢板桩的惯性矩和截面面积，钢板桩的截面面积和惯性矩参照《港口工程钢结构设计规范》［4］（JTJ283-99）；IC、AC分别为计算模型中连续墙的惯性矩和截面面积。

3 钢板桩锈蚀及破损情况的有限元分析

本文采用ANSYS有限元分别计算了钢板桩在完好状态下、锈蚀情况下（还有80%的残余厚度）、局部破损（300 mm×500 mm的锈洞）情况下，在后方堆场设计荷载为5 T/m2的竖向荷载下，土体的最大水平位移和钢板桩的最大压应力，计算结果见表1。

由表1可以看出：（1）钢板桩在完好状态下，土体的最大水平位移要比锈蚀或者破损状态的最大水平位移小得多。这是由于钢板桩在受到后方土体压力作用时，形成了一种超静定梁的结构（上面固接在斜顶桩，下面沿X方向支撑在土上）。钢板桩在完好状态时其刚度较大，在同样的主动土压力作用时，其变形较小，从上支座到下支座间的板桩引起的板桩另一侧的被动土压力较小，而使大多数的主动土压力在板桩的作用下传递到了土体的深处，土体的最大水平位移较小；钢板桩锈蚀或者破损后其抗弯刚度下降，在土体上部对钢板桩的另一侧产生了较大的被动土压力，主动土压力就不能很好地传递到土体深处。故使土体的最大水平位移有所增加。（2）在完好状态下，钢板桩的最大压应力也比锈蚀或者破损情况下板桩的压应力要小的多，并且根据《港口工程钢结构设计规范》Q235钢材的抗弯强度设计值为f=215 N/mm2，钢板桩在锈蚀区域板桩的应力和破损情况下锈洞附近完好板桩的应力均超过了215 N/mm2，板桩处于不安全状态。

表1 钢板桩在锈蚀及破损情况下的土体最大水平位移和板桩最大压应力Tab.1 Soil maximum horizontal displacement and sheet pile maximum compression stress under conditions of corrosion and localized damage

4 钢板桩修复加固方案

修复加固方法大致可以分为局部维修加固法和设置替代挡土结构法2大类。局部维修加固法包括补焊钢板法、局部外包加固法、降低帽梁覆盖高程法、改善墙后土体性能法等；设置替代挡土结构法包括增设地下连续墙法、增设替代钢板桩法等［5］。

钢板桩出现锈洞破损，最直接的方法就是焊接钢板修复，再作涂料防锈处理；但是补焊的钢板同钢板桩形成电偶，补焊的钢板作为阳极很快被消耗，这就导致二次锈蚀问题［6］。改善墙后土体法虽然工程造价低，但加固效果较差，主要用于新建码头，不适用于本工程。地下连续墙法、增设替代钢板桩法不仅会影响码头的正常作业，而且工程量巨大，工程造价高。

根据工程特点、预期加固效果等因素，提出帽板加固法和局部外包法2种加固方案。通过建立2种方法的ANSYS有限元模型进行数值计算，并结合施工可行性和经济性推荐最优方案。

4.1 帽板加固法

4.1.1 帽板加固介绍

帽板加固法的优点是施工作业面不涉及码头面以上，无需开挖码头挡土墙后方土体，施工简便，不影响生产；缺点是会给斜顶桩增加一定的弯矩。帽板加固法具体内容和要点如下。

（1）帽板式钢筋混凝土加固体分为加固板和斜顶桩外包体2部分，有关尺寸可在下列数据基础上进行调整：加固板长L＝3 500 mm+550 mm+300 mm＝4 350 mm，根据斜顶桩间距调整；加固板厚A＝300 mm，设置净保护层50 mm，双侧双向配筋；加固板高H＝1 500 mm，根据钢板桩顶部锈蚀破损情况，从泥面向下开挖至钢板桩剩余厚度满足要求处，加固板高度据此调整。斜顶桩外包混凝土尺寸为沿桩周外扩150 mm，其高度与加固板同高，施工有困难时也可以略小于加固板高度。对于已经铰接外包的斜顶桩可以利用原外包体形成对加固板的支撑。

（2）为加强整体性，应在帽梁底部栽锚筋，加固板底部附近的钢板桩上焊拉筋，其他高度焊抗剪器。所以焊接金属均应处于加固混凝土保护内。

4.1.2 帽板加固法的有限元分析

考虑到泥面以下的钢板桩尚可发挥剩余作用，直接在钢板桩锈洞位置采用帽板式钢筋混凝土加固，将尚能工作的钢板桩通过加固体与斜顶桩连接起来，帽板加固法方案见图5。

计算得到帽梁加固法下土体的最大侧向位移为14.7 mm，说明采用帽板加固法能够将锈洞以下的钢板桩与帽梁的共同作用重新建立关系。土体的侧向位移见图6。通过计算得到钢板桩的最大压应力为195 N/mm2，小于Q235钢材的抗弯强度设计值为f=215 N/mm2，板桩处于安全状态。但是钢板桩在土体竖向摩擦力的作用下下沉，会使斜顶桩受到很大的弯矩，帽板加固法使原本斜顶桩产生的抵抗主动土压力的水平力作用点向下移，进一步增大了斜顶桩受到的弯矩；虽然帽板加固法对斜顶桩上部进行了外包加固，但是结合第一主应力和第三主应力，斜顶桩加固桩帽的底部受力相对集中，第一主应力和第三主应力的最大值均出现在这个位置，其中第一主应力最大值为34 MPa，第三主应力最大值为37.6 MPa。这是斜顶桩在上述弯矩作用下的结果，虽然斜顶桩受到的水平力会产生一定的反弯矩，斜顶桩受到的弯矩会沿帽梁底部向下有一定的降低，但是在斜顶桩加固桩帽底部的弯矩还未减小到安全弯矩，故还应对斜顶桩进行一定的加固，即通过计算在帽板加固法加固桩帽的底部一定长度内再进行外包加固。外包桩帽、浇筑帽板以及结构的不规则性使钢筋配置和尺寸确定比较繁琐。

4.2 局部外包法

4.2.1 局部外包法介绍

考虑到帽板加固法中斜顶桩的受弯特性和现场施工难度，提出了对破损钢板桩采用钢筋混凝土局部外包法。该方法优点是施工可操作性强，不会影响斜顶桩的受力性能；缺点是利用了原部分锈损的钢板桩。

局部外包法方案要点如下：（1）用钢筋混凝土板加固钢板桩锈蚀破损部分（类似“夹板法”接骨处理）；（2）在钢板桩破损上下焊接锚筋生根，使其与外包体形成整体作用，共同受力；（3）在钢板桩原排水孔位置，依然预留排水孔；（4）加固体底部可按极端低水位-1.29 m设计；（5）如采用干法施工，需局部掀开码头后承台一跨面板，进行深层支护施工，清泥形成施工作业面，然后浇筑钢筋混凝土加固体。

4.2.2 局部外包法的有限元分析

钢板桩局部外包方案是在钢板桩产生锈洞的位置，对钢板桩进行局部加固，使钢板桩恢复到需要的强度和状态。局部外包法方案见图7。

计算得到帽梁加固方法下土体的最大侧向位移为14.68 mm，说明采用局部法能够将锈洞上下的钢板桩连接起来，使钢板桩接岸结构体系的共同作用得到恢复。土体的侧向位移见图8。通过有限元得到局部外包法下的钢板桩弯矩图（图9）和轴力图（图10），然后根据式（3）［7］得到钢板桩的最大压应力为93 N/mm2（高程-2 m处），处于安全状态。

对局部外包法加固后的混凝土构件（帽梁结构和加固体）进行应力分析，通过分析第一主应力图可知，加固混凝土体的海侧方向是受拉的主要区域，最大第一主应力出现在加固体顶端，最大值为2.37 MPa，超过了抗拉强度1.78 MPa，但范围较小，但是加固体在向海侧配有钢筋，只要适当增加配筋率便能满足抗拉条件。由第三主应力分析可知，主要受压区域为斜顶桩与帽梁连接处和加固体的岸侧，但是应力值都相对较小，对结构没有影响。

5 结论

本文针对天津港某码头钢板桩锈蚀破损特征并考虑加固的经济性、施工可行性等因素，提出了2种加固比选方案：帽板加固法和局部外包法。综合有限元计算分析结果，帽板加固法可以将泥面以下的钢板桩与斜顶桩和帽梁连接起来，重新实现了接岸结构的功能，但是斜顶桩桩帽位置加固体的受力较大。局部外包法是在钢板桩产生锈洞的位置采用钢筋混凝土外包，计算接岸结构变形特征分析结果表明，其加固效果也可基本达到钢板桩完好情况的水平，钢板桩及结构的受力也能满足要求。

综合以上加固方案的特点及数值分析结果，推荐在钢板桩产生锈洞位置采用局部外包法对钢板桩进行加固，该方案施工难度相对较低、可操作性较强、工程量小、不影响码头的正常作业，且加固后接岸结构的变形和受力也能满足使用要求。

［1］刘现鹏，张强.天津港码头设施2008年秋季调查报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008.

［2］朱锡昶，李岩，葛燕，等.使用20年岸壁式钢板桩码头的腐蚀与破坏［J］.港工技术，2008（4）：31-34.ZHU X C，LI Y，GE Y，et al.Corrosion and Failure of Steel Plate Piles of Quay Pier after Using Twenty Years［J］.Port Engineering Technology，2008（4）：31-34.

［3］廖雄华，张克绪.天津港高桩码头桩基—岸坡土体相互作用的数值分析［J］.水利学报，2002（4）：81-87.LIAO X H，ZHANG K X.Numerical analysis of pile-soil interaction in long-piled wharf of Tianjin Port［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2002（4）：81-87.

［4］JTJ 283-99，港口工程钢结构设计规范［S］.

［5］沈运峰，凌炯浩，郭启泉，等.某钢板桩码头的大修技术［J］.水运工程，1991（6）：13-17.SHEN Y F，LING J H，GUO Q Q，et al.Overhaul Technique for a Sheet-pile Wharf［J］.Port&Waterway Engineering，1991（6）：13-17.

［6］朱锡昶，葛燕，朱雅仙，等.海水中近60年钢板桩的腐蚀状况［J］.海洋工程，2003（5）：87-91.ZHU X C，GE Y，ZHU Y X，et al.Corrosion status of steel plate piles exposed to seawater for sixty years［J］.The Ocean Engineering，2003（5）：87-91.

［7］苏翼林，赵志刚，王燕群，等.材料力学［M］.天津：天津大学出版社，2001.