板桩码头安全性检测评估及其有限元分析方法

李赛峰，张 飞，朱翃宇

（1.宁波市交通工程质量安全监督站，宁波315000；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

板桩码头安全性检测评估及其有限元分析方法

李赛峰1，张 飞2，朱翃宇2

（1.宁波市交通工程质量安全监督站，宁波315000；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456）

老旧码头通过检测、评估可以帮助其安全投入生产、挖掘潜力和提高港口吞吐能力。针对某已建20 a的板桩码头，在外观劣化调查分析的基础上，结合混凝土物理力学性能指标、结构整体变形、板桩完整性等性能指标的检测，综合分析了码头所处的技术状况，并对安全性做出评估，为码头的加固维修与升级改造提供理论依据。

老旧板桩码头；检测；评估

图2 扩建码头断面图（mm）Fig.2 Extension wharf section

一部分老旧码头长期缺少维护，使用超过设计使用年限，致使构件破损较严重，安全性得不到有效保证。在复杂的荷载工况下，码头构件会因过载、疲劳、碰撞等出现局部劣化，影响结构的耐久性与承载能力［1-5］。本文通过对某港区板桩码头混凝土物理力学性能指标、结构整体的变位变形、板桩完整性等多方面的检测，分析码头损坏的原因，借助有限元计算软件对其安全性进行验算分析并做出评估，为码头后期的维修加固与升级改造提供了理论依据，可为类似码头的检测评估提供借鉴。

1 工程概况

某港区钢筋混凝土板桩码头于1993年建成投入使用，泊位总长度246 m，按照竣工图纸的标注分为西侧临时码头和东侧扩建码头两部分，分别长100 m和146 m。该泊位为非生产性泊位，用于停靠拖轮。近年来，轮驳公司由于修船企业搬迁，计划在该泊位进行临时修船作业并在码头面堆放材料设备。考虑到该码头建成使用至今已超过20 a，为充分了解水工结构现状是否安全，需要进行专业的检测评估以排查隐患，同时通过检测和复核计算，确定码头面均布荷载，必要时提出维修或维护方案。对码头构件编号作如下规定：1）临时码头板桩自西向东编号，依次编为1#桩、2#桩……，检测位置按照板桩编号定位；2）扩建码头系船柱自西向东编号，依次编为1#系船柱、2#系船柱……，检测位置按照系船柱编号定位。临时码头和扩建码头断面如图1、图2所示。

2 检测结果及分析

2.1 构件外观检查

构件外观检测分为水上和水下部分。水上检查主要采取目测、摄影、摄像、敲击、尺量等方法，全面描述码头水面以上构件的外观缺陷，详细记录并描述构件的裂缝、表面缺陷、混凝土起鼓、剥落露筋等情况，采用表格记录上述破损类型的数量、部位与范围，描述构件的现状。水下检查主要采用潜水员水下探摸的方法检查板桩表面缺陷和损伤情况。

存在的主要问题有：1）胸墙平整度较差，少数部位有裂缝和明显碰损，变形缝两侧有混凝土挤压；2）临时码头部分板桩（低潮时能露出水面部分）桩顶部存在裂缝、劈角等混凝土破损，板桩与上部导梁间衔接较差，衔接处混凝土破损较为严重；3）临时码头部分混凝土挡板开裂，挡板后方部分抛填料有被掏蚀的情况；4）扩建码头面层破损主要集中在码头前沿，特别是在系船柱和堆载重物的区域周围裂缝广布，临时码头面层混凝土麻面破损较为普遍，面层不均匀沉降现象较为严重。

码头各混凝土构件外观劣化度分级统计见表1。

2.2 结构整体变位与变形测量

水平位移检测方法：利用港区高等级GPS点作为起算点，对首级控制网进行测设。首级控制网采用三等电磁波测距导线观测基准点。以首级控制网各点作为已知点，采用四等电磁波测距导线观测各变形观测点。观测时，用全站仪角度观测8测回；距离采用全站仪往返观测或用不同时段观测代替往返观测，每次4测回，每测回4次读数，距离附加仪器加、乘常数改正和气象改正。经检查各项精度指标及限差符合规范要求后，采用条件平差法计算出各变形点的坐标。首期观测成果为基本观测值，以后各期观测值与它进行比较，两者差值即为水平位移量。

垂直位移检测方法：观测开始前，对港区高等级水准点进行检测，以使起始点成果可靠。新埋设的沉降观测基准点，须先从港区高等级水准点以二等的精度进行联测，从而把监测的高程系统统一到连云港水尺零点上。从港区高等级水准点或沉降基准点向形变控制点联测一条二等水准闭合环，求出每个沉降观测点的高程值。为消除潮汐对码头高程的影响，水准观测时，均选择在高潮位时进行。首期观测成果为基本观测值，以后各观测值与它进行比较即为沉降量。为消除系统误差的影响，每期观测应尽量固定观测人员和仪器设备，采用相同的观测路线和观测方法。

通过本次观测与历史数据比对得到码头变形量，观测结果见表2。其中X为东西方向的位移，以东为正，Y为南北方向的位移，以北为正。

2.3 胸墙及板桩倾斜检测

对码头胸墙的倾斜检测采用抽检的方式进行，利用LS160-60型数显激光角度尺测试胸墙的斜度。该角度尺角度测试范围360°，精度±0.1°。该泊位的胸墙及板桩倾斜测量共抽测30处，码头胸墙及板桩倾斜抽检结果见表3。

表1 码头构件完好率统计表Tab.1 Integrity rate of wharf structures

表2 码头变形观测Tab.2 Wharf deformation observation

表3 码头胸墙及板桩倾斜抽检结果Tab.3 Inclination sampling results of wharf crest walls and foundation piles

从表3可知，临时码头胸墙的垂直度在1.6°～7.4°，板桩垂直度在4.6°～15.6°；扩建码头胸墙的垂直度在2.4°～9.7°。从测量数据来看，码头整体的垂直度均较大，尤其是临时码头的板桩倾斜度与原设计值存在较大偏差。

2.4 板桩完整性检测

本次现场测试时采用低应变检测方法检测桩身的完整性。选择桩顶以下1.0 m左右处凿出一个小窗口，检测时以该点作为发射点，将速度传感器安装在桩身上作为接收点。在桩身侧向安装传感器，然后在桩身切口进行垂直激振。激振产生的弹性波沿桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异的界面（如桩底、断桩和严重离析等部位）或桩身截面积变化（如缩径或扩径）部位，将产生反射波。经接收放大、滤波等数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身完整性，还可根据波速和桩底反射波到达时间对桩的实际长度加以核对。依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征参数，推定单桩的完整性。根据现场实际情况，抽取临时码头15根板桩和扩建码头5根板桩进行测试。检测表明，只有两根临时码头板桩顶以下4.5 m附近有轻微混凝土破损，对结构完整性没有很大影响，其余板桩桩身结构完整未发现破损或质量缺陷。

2.5 钢结构的锈蚀情况检测

锈蚀检测采用CYGNUS 1型水下超声波金属厚度测定仪进行测试。首先清除待测钢构件表面的海生物及锈蚀物，然后将水下测厚仪探头顶住待测表面，直接在探头上施加一定压力（20～30 N），在仪器上读取厚度值。

临时码头钢导梁完整无缺失，无局部损坏或锈断等情况；锚拉杆外露端头普遍有锈蚀，码头前沿低潮时能露出的部分无断裂现象。临时码头钢导梁及锚拉杆端头现状见图3、图4。抽取5个部位检测临时码头钢导梁构件壁厚与锚杆直径，钢导梁构件壁厚平均值为8.7 mm，锚杆直径平均值为58.9 mm，与原设计相比钢构件截面积锈蚀损失较小。

2.6 停靠船及防护设施检查

通过目测检查系船柱及其紧固件的外观锈蚀情况。护舷及护轮坎的检查也以目测法为主，检查码头护舷的缺失和损坏情况，记录缺失数量和位置，以图表及文字形式描述其损坏情况，记录护轮坎混凝土结构的破损和钢筋锈蚀情况，记录裂缝的数量、位置、走向、长度、深度及裂缝是否贯穿等情况。

码头前沿护轮坎混凝土露筋破损严重。

2.7 基础的冲刷、掏空检测

采用水下探摸的方式，检测基础的冲刷、掏空情况。通过潜水员水下目测的方法观察挡板间的回填料情况，发现回填料的石头等参差不齐，临时码头部分区域有大块石头交叠；临时码头从61#～65#桩间泥面以上1.2 m左右没有混凝土挡板，挡板内部分抛填料被掏蚀，引起上部挡板的不均匀沉降，对结构总体的稳定有一定的影响。

图3 导梁完整无缺失Fig.3 Launching nose

图4 锚拉杆外露部分普遍锈蚀Fig.4 Corrosion position of exposed parts of anchor bars

表4 码头水深测量数据统计Tab.4 Wharf water depth

表5 整体稳定性计算结果Tab.5 Result of the whole stability calculation

表6 前墙稳定性计算结果Tab.6 Result of the front wall stability calculation

表7 锚碇结构稳定性计算结果Tab.7 Result of the anchorage stability calculation

2.8 码头前沿水深和冲淤变化

采用单波束测深仪对码头前沿20 m范围的水域水深和冲淤变化进行检测，并按10 m一个测量断面，每个断面4 m一个测点进行测量。根据水深测量结果，结合水下探摸检查情况，确定码头前沿的冲淤变化。码头前沿至码头前沿外20 m范围内测试的水深测量数据统计如表4所示。

从水深测量数据和表4可见，码头前沿有淤积，平均泥面标高高于设计水深1.64 m；前沿12 m及20 m处高于设计水深0.61m和0.71m。可见靠近码头前沿处淤积情况较严重，远离码头前沿淤积情况较轻。

3 码头安全性评估

根据工程地质勘察报告和码头水工竣工图，结合实际情况，本次码头评估验算内容包括：板桩码头整体稳定性；前墙、锚碇结构稳定性；前墙、锚碇结构承载力；拉杆的承载能力。

3.1 码头整体稳定性验算

板桩码头整体稳定性的验算应符合行业标准有关规定。选取现场实测值进行码头整体稳定性验算，整体稳定性计算应考虑滑动面过板桩桩尖情况，桩尖以下附近有软土层时，尚应验算滑动面通过软土层的情况；等滑动面从桩尖上附近软土层中通过时，可不计截桩力的影响；当滑动面在锚碇结构前通过时，可不计拉杆拉力对稳定性的影响［4］。采用有限元软件ABAQUS进行验算。码头顶面施加29 kPa、30 kPa均布荷载时的计算结果如表5所示，满足要求。

3.2 前墙、锚碇结构稳定性

对于临时码头和扩建码头，作用效应组合按承载能力极限状态下的持久效应组合。前墙踢脚稳定性和锚碇结构稳定性计算结果分别见表6、表7。

3.3 前墙、锚碇结构承载力

不同均布荷载时的前墙总应力如图5～图8所示，前墙、锚碇结构承载力验算结果如表8、表9所示。当码头顶面施加30 kPa均布荷载时，临时码头的前墙承载力不满足规范要求。

3.4 拉杆承载力验算

拉杆承载力计算结果见表10，满足规范要求。

由现场的实际检测可知，其码头主体结构完整，因此由安全性验算结果可知，在码头结构是完整的情况下，对码头顶面施加29 kPa均布荷载：板桩码头整体稳定性；前墙、锚碇结构稳定性；前墙、锚碇结构承载力；拉杆的承载能力均满足规范要求，具有足够的承载能力。但临时码头从61#～65#桩间部分抛填料被掏蚀，引起上部挡板的不均匀沉降，部分板桩桩顶混凝土碎裂，桩与导梁间有错位，显著影响58#～65#桩间码头的承载能力，其安全性不符合国家有关标准要求，应及时进行修复、补强。根据钢筋锈蚀的情况与混凝土破损的情况，得到现情况下码头的承载能力，且该码头的原设计均布荷载值为20 kPa，因此建议把码头均布荷载限定为20 kPa。

图5 临时码头前墙总应力Fig.5 Total stress of front wall of temporary wharf

图6 扩建码头前墙总应力Fig.6 Total stress of front wall of extension wharf

图7 临时码头前墙总应力Fig.7 Total stress of front wall of temporary wharf

图8 扩建码头前墙总应力Fig.8 Total stress of front wall of extension wharf

表8 前墙承载力验算结果Tab.8 Calculation results of bearing capacity of front walls

表9 锚碇结构承载力验算结果Tab.9 Calculation results of bearing capacity of anchorages

表10 拉杆承载力验算结果Tab.10 Calculation results of bearing capacity of tension bolts

4 结语

在一些港区存在个别的老旧码头，由于其建设年代久远和管理不善，其码头结构档案资料不完整，加之码头长期缺少维护，超载使用等原因，致使构件破损严重，安全性得不到有效保证，码头在使用过程中存在的问题越来越突出。本文通过对某港区老旧板桩码头结构现状的检测结果分析，介绍了其有关检测方法，并利用有限元分析方法对结构的安全性进行了验算评估，指出了码头存在的安全隐患，给出了码头继续使用的限定条件，可为类似码头开展检测评估提供借鉴。

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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

李赛峰（1971-），男，浙江省宁波人，高级工程师，主要从事水运工程质量监督和项目管理工作。

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