高桩码头预留结构优化利用判定方法研究

侯建飞，王昊忱，张嘉泰

（1.天津津港建设有限公司，天津300450；2.天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222）

0 引言

高桩码头因其结构简单、施工方便、承载能力强等特点在我国淤泥质海岸地区被广泛采用[1]。近年来，随着我国经济的快速发展，现有港口码头吞吐量不能满足需求，大量泊位需要进行扩建或改造升级。

高桩码头泊位在初建时在规划泊位旁边设置预留结构作为打桩平台，方便施工。在规划泊位新建时，预留结构因长期的材料腐蚀等问题导致结构的承载力下降。将预留结构作为既有结构并入使用可以节省成本与工期，但需对其安全性、适用性与耐久性进行系统的检测评估，根据评估结果判断其是否满足要求。高桩码头的桩基承载力是判断码头结构能否继续使用或进行升级改造的重点[2]，预留结构作为码头的一部分，由于在长期使用过程中受到各方面复杂因素的影响，其实际受力情况与初始设计参数存在一定偏差，无法通过简单计算来确定其真实承载能力，因此判断预留结构能否作为新建泊位部分继续使用，需对其桩基承载能力做出评估。

在桩基检测中，确定桩承载力通常采用单桩承载力测试的方法[3]，如静荷载试验测试法、高应变动力测试法、自平衡测试法等方法。在既有结构中桩与上部的梁板结构组成整体，若采用单桩承载力测试法存在2个难点：一方面单桩承载力试验需打设锚桩并架设反力系统，将大大增加试验成本与时间；另一方面，试验需将上部结构拆除，若桩基承载力满足要求还需重新搭设上部结构，造成严重浪费。因此，采用面堆载试验法对高桩码头的桩基承载力进行检测较传统的单桩承载力试验法有更大优势。

本文以天津港北港区某高桩码头扩建泊位工程为实例，重点介绍了考虑并入新建泊位的预留结构段的原位堆载试验。在通过堆载试验验证桩基承载力满足设计要求后，结合国内现行的检测评估研究[4-6]对预留结构构件进行系统的检测评估工作，为设计单位掌握预留结构的使用现状提供了判定依据。

1 工程概况

天津港北港区某高桩码头泊位于2008年12月竣工，初建时，考虑到码头后续存在扩建的可能性，为方便后续新建码头泊位施工方便，预留一结构段作为新建泊位的打桩平台，对部分桩基和上部构件（桩帽、梁、面板）进行了打设与安装。

预留段沿海岸线呈阶梯状布置，长56.25 m，宽49 m，采用高桩式梁板结构，分为前、后2个承台。其中前承台长26.25 m，桩基为钢管桩，共布设13根，排架间距为8.75 m；后承台长30 m，桩基为混凝土方桩，共布设33根，排架间距为5.3 m，前后承台共布置48根预应力钢筋混凝土梁及50块钢筋混凝土面板，见图1。

图1 预留过渡段平面示意图Fig.1 Plan of reserved transition section

2 原位堆载试验

2.1 试验概况

原位堆载试验选取预留结构的部分区域进行。预留段上部结构中梁均为连续梁，考虑到连续梁的边界条件限制及各桩承载力可能存在较大差异，应尽量选取较大的区域进行试验，但试验区域过大可能会引起预留结构的整体垮塌，造成安全事故。经综合考虑，决定选择后方承台部分，以4根桩为基础向外延伸1/2梁跨度的区域作为原位堆载试验区域，见图2。

图2 原位堆载试验区域Fig.2 In-situ surcharge test area

由于试验区域位于预留段内部，上部板梁结构与区域外部连接，堆载荷载会将部分荷载传导至区域外部与外部桩基分摊，在此情况下若将码头的设计荷载作为试验荷载，会导致测得桩基承载力偏大，偏于危险，应根据工程经验或者有限元软件计算结果对试验区域的试验荷载适当放大，以保证试验的合理性和结果的安全性。综合考虑后，本次码头面原位堆载试验根据使用单位与设计单位提出的要求，最终将试验面荷载定为50 kPa。

2.2 试验方法

本次试验加载区为4个桩与外伸的部分连续梁、板在内的13 m×11.5 m区域。试验的加载、卸载采用100 t汽车吊依次吊取混凝土荷载块的方式进行，荷载块采用平板车从预定外部场地运输至试验现场，不占用码头后方堆场场地。

试验的加载、卸载过程参照相关规范[7]，以分级加载的方式进行。根据规范要求：

1）在达到使用状态试验荷载以前，每级加载值不宜大于试验荷载的0.2倍；超过以后，每级加载值不宜大于试验荷载的0.1倍；

2）在接近开裂荷载计算值时，每级加载值不应大于承载状态荷载设计值的0.05倍。

经计算试验荷载为7 500 kN，加载共分8级，各级加载分级汇总如表1所示。采用混凝土荷载块逐级加载的过程中为防止出现局部集中荷载过大影响试验准确性的情况，每级加载应采用对称分布加载的形式，本次试验加载过程如图3所示，图中深色区域为本级加载荷载块布置位置，框区域为累积加载荷载块布置位置。

表1 各级加载分级汇总表Table 1 Summary of loading at all levels

图3 分级加载顺序图Fig.3 Hierarchical loading sequence diagram

每级加载完成后，按照桩静载荷试验快速法规定读取竖向位移值，每级荷载需持荷60 min，在持荷期间以5 min、10 min、15 min、30 min、60 min的时间间隔记录竖向位移值，直至沉降稳定。

根据规范[8]，本次试验的加载、卸载终止条件凡符合下列条件之一时，可终止试验加载并进行分级卸载：

1）在某级荷载的作用下，24 h未达到稳定标准。

2）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍或荷载-位移曲线出现陡降段，且桩顶总沉降量超过40 mm。

3）荷载-位移曲线没有明显陡降段，桩顶总沉降量达60～80 mm。

4）码头堆载荷载达到设计要求的50 kPa。

2.3 试验内容

原位堆载试验主要研究高桩码头面堆载荷载与桩基沉降的关系，因此只监测码头的竖向位移，若在条件满足的情况下也可同时监测上部结构的受力情况，保证试验安全进行[9]。

本次试验共设置4个测点位于桩基处，为SZ1-SZ4，并在前方承台设置基准点1个，为SZ5，测点位置及编号如图2所示。

对桩顶沉降的测量一般采用位移计，位移计的使用需要架设基准梁，仪器布设与结果采集较为繁琐。本次试验采用具有布置方便、精度高、智能自动采集特点的静力水准观测系统。

2.4 试验结果

原位堆载试验的结果为加载过程中堆载荷载与桩顶沉降的关系，码头整体位移曲线见图4。

图4 整体荷载-位移曲线图Fig.4 Load-displacement curve of all point

试验结果表明，试验均布荷载达到50.54 kPa后，已达到设计要求的最大加载量，终止加载。分析各测点以及码头整体的荷载-位移曲线可以看出，在分级加载的过程中并未出现代表桩基达到极限承载力的陡降段，同时桩顶总沉降量为3.7 mm未达到临界值。由以上结论可以判断，天津港北港区某高桩码头泊位预留结构的桩基承载力可以满足设计要求。

3 检测过程与分析

通过堆载试验判定预留结构的桩基承载力大于设计压桩力后，还需对其进行全面检测，并对结构构件的适用性与耐久性做出评估。

3.1 构件外观及破损检测

检测的主要内容为对高桩码头水面以上结构构件进行地毯式地搜索和梳理，以目测、敲击等方式探明构件的破损位置和破损形态，量化、记录结构构件保护层混凝土的剥落情况及钢筋锈蚀情况，并拍摄照片。

最终检测结果显示：检测区域内混凝土方桩水面以上部分出现一处倾斜现象其余桩基均未发现外观劣化问题；外围桩帽出现了不同程度的冻融外观劣化问题；在横梁出现一处露筋现象，其余梁均未发现外观劣化问题；板顶上堆积大量渣土杂物，板底未发现外观劣化问题。据此除方桩技术状态评级为二级，其余的梁、板、桩帽均评为三级，需做及时修补。

3.2 前沿水深检测

码头水下岸坡坡度检测所选测深线垂直于岸线布设，测深线间距取5 m，采样点间隔取5～6 m（依照桩位进行检测），测量码头下部的水深。在水深测量时同时观测水位，水深测量前应校准当地理论最低潮面与水尺零点的关系，选用测深锤测深。码头下方泥面高程示意见图5。

图5 码头下方泥面高程示意图Fig.5 Schematic diagram of mud surface elevation under wharf

码头下方泥面高程检测结果表明，码头下部泥面高程高于设计泥面高程，说明码头下方出现回淤现象，应定期清理淤泥。

3.3 混凝土结构耐久性检测

3.3.1 混凝土碳化深度检测

混凝土碳化不仅会导致强度降低，当碳化深度达到保护层厚度时还会引起钢筋的腐蚀。对混凝土碳化深度的检测采用钻孔法测定。随机在桩帽、梁、板中各抽取了5个构件，测得桩帽平均碳化深度为0.0～1.0 mm，梁平均碳化深度为0.0～0.5 mm，板平均碳化深度为1.0～1.5 mm。

3.3.2 混凝土强度无损检测

混凝土物理力学性能检测主要为抗压强度检测，采用超声-回弹法推定混凝土强度。随机在桩帽、梁、板中各抽取了5个构件，计算测区平均回弹值后得到声速平均值和回弹平均值，经碳化修正后换算成混凝土强度代表值。所测桩帽混凝土强度均未满足设计要求，所测梁、板混凝土强度均满足设计要求。

3.3.3 钢筋保护层厚度检测

在检测区域内，桩帽、梁、板各随机抽取了5个构件，采用钢筋位置测定仪检测混凝土保护层厚度。测得所有检测构件保护层厚度均合格。

3.3.4 氯离子含量检测

检测区域内，桩帽、梁、板各随机抽取5个构件，在各测区内以1 cm高度为1层，取得5层混凝土样品，剔除骨料后，用硝酸将含有氯化物的水泥全部溶解，然后在硝酸溶液中，用倭尔哈德法来测定氯化物含量。测得采样构件氯离子含量最大值均小于0.35%，判定构件尚无因氯离子侵蚀导致的钢筋腐蚀问题。

3.4 钢管桩检测

3.4.1 钢管桩涂层外观检测

涂层外观检测方法为目视检查，由检查人员记录、描述涂层是否存在粉化、变色、裂纹、起泡脱落和损伤等外观变化情况，记录钢管桩防腐涂层破损情况，描述破损部位分布，并对涂层的典型破坏形式进行选择性照相。检测结果显示可观察到的钢管桩桩身处于水位变动区，桩身被海生物覆盖，清除海生物后发现涂层基本完好，未发生较明显的外观变化。

3.4.2 钢管桩钢材厚度检测

超声波测厚仪利用探头发射的超声波脉冲反射时间计算声波在介质中传播的距离。测得13根钢管桩钢材厚度全部满足设计要求。

3.5 桩身完整性检测

对桩身完整性检测采用低应变检测法，低应变采集系统利用接收和分析波在桩中传播及反射的信号来检测桩身质量。检测过程中采用桩侧竖向激振，并在桩身工作面安装加速度传感器接收信号。水面以下部位，采用低应变检测，测得33根方桩均为一类桩。

3.6 桩身垂直度检测

对具备检测条件的33根方桩桩基表面的海洋生物进行清理后，沿桩基的南北方向和东西方向，使用垂球法进行桩基垂直度检测。混凝土方桩桩身垂直度允许偏差10 mm/m，经检测，码头桩基垂直度范围在0～9 mm，满足规范要求，判为合格。

3.7 检测结果

天津港北港区某高桩码头预留结构检测结果显示，预留结构上部结构板、梁的混凝土耐久性检测合格，外观局部破损，修复后不影响继续使用，桩帽混凝土强度不合格，不能继续使用；钢管桩与混凝土方桩桩身完整性良好，可继续使用。

综合考虑预留结构构件外观和耐久性的检测结果，建议对预留过渡段上部结构（桩帽、梁、板）予以拆除处理。

4 结语

本文以天津港北港区某高桩码头作为实例，详细、系统地介绍了预留结构优化利用判定方法，即采用原位堆载试验方法判定预留结构的桩基承载力，在桩基承载力满足要求后对预留结构构件的适用性、耐久性检测评估，根据检测评估结果判定预留结构能否作为新建泊位部分并入使用。

采用原位堆载试验测试高桩码头桩基承载力既可以保留上部结构又可避免搭设反力系统试桩的繁琐工序。本次原位堆载试验过程中首次使用了静力水准观测系统测量竖向位移，解决了使用位移计存在安装困难的问题，通过对试验结果中荷载-位移曲线的分析，得出了该预留结构桩基承载力满足设计要求的结论。在对预留结构构件检测的过程中发现桩帽的混凝土强度均未达到设计要求，考虑到桩帽与梁、板为一整体，且位于下方，无法做到保留上部梁、板只拆除桩帽，因此，最终决定保留预留结构的桩部分，将上部结构全部拆除，为类似预留结构的优化利用提供了借鉴实例。