趙安平，李昊潔，俞紅升，肖為民

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京　100029；2.長江科學(xué)院 科研計劃處，武漢　430010；3.中國建筑科學(xué)研究院 上海分院，上?！?00023；4.北京市住宅建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京　100005)

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某高樁碼頭樁基受力有限元分析及結(jié)構(gòu)損傷研究

趙安平1，李昊潔2，俞紅升3，肖為民4

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029；2.長江科學(xué)院 科研計劃處，武漢430010；3.中國建筑科學(xué)研究院 上海分院，上海200023；4.北京市住宅建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京100005)

為研究高樁碼頭樁基受力及結(jié)構(gòu)損傷，對某高樁碼頭3類典型斷面進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并對基樁進(jìn)行承載力計算分析;之后，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場樁基結(jié)構(gòu)損傷檢測結(jié)果作比較，二者吻合較好，從而驗證了理論分析的正確性，并最終給出受損部位的加固措施。根據(jù)基樁承載力有限元分析及實測結(jié)果，可以斷定基樁頂部(距樁帽下方1～2m)為最易受損部位；對于碼頭3種斷面類型，應(yīng)盡量避免使用斷面1、斷面2的形式，原因是這2類斷面的水平承載力太小，極易受水平力作用而在使用過程中發(fā)生損壞；提出2種加固基樁受損部位的措施，增大樁帽截面法和鋼抱箍法，但在具體修復(fù)時，應(yīng)根據(jù)實際情況在考慮時間因素、經(jīng)濟(jì)效益的前提下，認(rèn)真總結(jié)比較這2種措施的優(yōu)缺點，靈活選用修復(fù)措施，對樁基受損部位進(jìn)行妥善處理。

樁基工程；高樁碼頭；有限單元法；結(jié)構(gòu)損傷；承載力分析；加固措施

1　研究背景

高樁碼頭是淤泥質(zhì)海岸及河口地區(qū)普遍采用的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式，主要由混凝土大管樁、前后承臺和回填區(qū)組成。此類碼頭一般情況下的使用壽命為15a，但建成后10a之內(nèi),往往會出現(xiàn)不同程度的損傷，甚至危及碼頭的安全運營。據(jù)對我國使用7～25a的高樁碼頭進(jìn)行的抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有損壞或嚴(yán)重?fù)p壞的比例高達(dá)89%。但目前我國大多數(shù)的高樁碼頭都沒有進(jìn)行系統(tǒng)的健康監(jiān)測和診斷[1-3]。

造成高樁碼頭結(jié)構(gòu)損傷的原因主要為：

(1) 施工質(zhì)量。對于這種長40～50m的混凝土大管樁，打樁偏心和打樁振動經(jīng)常會導(dǎo)致樁體局部破損甚至斷樁。另外，在回填區(qū)進(jìn)行的拋石回填作業(yè)也會引起附近管樁大位移側(cè)彎，從而產(chǎn)生局部損傷。

(2) 環(huán)境侵蝕和材料老化。在潮水漲跌及浪濺區(qū)段，水壓力對混凝土管樁內(nèi)裂縫的擴(kuò)張作用，以及鹽水侵蝕作用也容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部損傷。

(3) 載荷的長期效應(yīng)和船只撞擊等突發(fā)效應(yīng)都有可能造成結(jié)構(gòu)的損傷。

(4) 碼頭不均勻沉降和水平位移[4]。

當(dāng)運營期碼頭的前沿水深不能滿足泊位需要時，通常通過清淤撈淺來加大水深，而為了與陸上交通相銜接，碼頭后方卻往往必須填高。這種前挖后填的人為施工以及水下岸坡沖淤演變勢必造成碼頭結(jié)構(gòu)體系受力條件的改變，引起碼頭前后承臺的不均勻沉降，以及碼頭結(jié)構(gòu)的水平位移。這種碼頭位移有時可達(dá)幾十厘米，由此產(chǎn)生的事故在我國港口工程中屢見不鮮[5-10]。

另外，打入地基的樁將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳到地基深處，基樁除了支撐上部結(jié)構(gòu)外，同時對碼頭擋土墻區(qū)域的岸坡有穩(wěn)定作用，可見基樁在高樁碼頭結(jié)構(gòu)中起關(guān)鍵作用[11]。但是，由于基樁受到后方土體蠕動、碼頭變形作用造成基樁傾斜變位甚至斷裂的現(xiàn)象時有發(fā)生；低潮時受船舶撞擊造成基樁破損、傾斜甚至斷裂缺失的事故頻發(fā)；還有其他原因引起的基樁破損也很多[12-15]。因此，本文在具體分析某高樁碼頭基樁病害的基礎(chǔ)上提出2種加固措施，并對這2種不同的加固修復(fù)方案進(jìn)行對比研究，分析和研究結(jié)果將對類似港口碼頭的安全運營及當(dāng)?shù)厝藗兊纳敭a(chǎn)安全有重要的意義。

2　數(shù)值案例分析

2.1碼頭概況

某碼頭于1990年建成，總長450m、寬38.5m；采用高樁板梁結(jié)構(gòu)，排架間距8.0m，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁、預(yù)制面板，基礎(chǔ)采用?1200PHC管樁，樁長18～31m，圖1為碼頭泊位現(xiàn)場照。

圖1　某高樁碼頭現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1　Scene photo of a high-piled wharf

針對某高樁碼頭結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)高樁碼頭樁型的不同，對受損原因進(jìn)行機理分析。

模型為準(zhǔn)三維模型，在垂直紙面方向拉伸1m的厚度，原點設(shè)在擋土墻與平臺連接處。考慮碼頭和平臺之間的地震縫(6cm)及平臺與擋土墻之間的地震縫(10cm)。

圖2　斷面1各部件尺寸及有限元模型1Fig.2　Size of each part of section 1 and finite element model 1

2.2碼頭斷面尺寸和模型概化

碼頭常見的斷面形式有3類，分別是無斜樁(斷面1)、對稱斜樁(斷面2)、非對稱斜樁(斷面3)。

斷面1的輪廓尺寸和有限元模型如圖2所示，斷面2、斷面3的輪廓尺寸如圖3所示。

圖3　斷面2和斷面3各部件尺寸Fig.3　Size of each part of section 2 and section 3

由圖2和圖3可知，相對于斷面1，斷面2少了3排直樁D#，E#，G#，但增加了2排對稱的斜樁D#，F(xiàn)#；相對于斷面2，斷面3僅增加了一排斜樁H#。除此之外，3類斷面其他直樁布置基本相同。

高樁碼頭不僅要承受碼頭面較大的豎向荷載，同時又要承受較大的水平荷載，如水平地震荷載、船舶系纜力、船舶撞擊力、船舶的擠靠力等，因此常在前后軌道梁下設(shè)置斜樁以抵抗較大的水平和垂直荷載。高樁碼頭斜樁布置時，為避免與前后直樁碰樁，斜樁通常會偏轉(zhuǎn)一個角度；此外，高樁碼頭所承受的水平荷載并不一定是沿橫向的(如系纜力和水平地震荷載等)，工程上往往要求斜樁還能在一定程度上抵抗其他方向的水平力，即需設(shè)置一定的扭角。樁基中不同位置斜樁的不同扭角方向便形成不同的斜樁布置形式[16]。

2.3參數(shù)選取

材料參數(shù)和荷載參數(shù)的選取分別見表1和表2。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)規(guī)定峰值加速度達(dá)到0.15m/s2時必須考慮地震的影響，但由于該碼頭所在地區(qū)峰值加速度為0.1m/s2，故本次計算未考慮地震力的作用。

表1　材料參數(shù)Table 1　Parameters of materials

表2　荷載參數(shù)Table 2　Parameters of loads

2.4基樁承載力分析

為了獲取基樁沿樁身每個部位的內(nèi)力，依次從下到上平均布置30個監(jiān)測點，并最終導(dǎo)出每個監(jiān)測點處的軸力、彎矩和剪力值。

2.4.1軸力

碼頭模型3類典型斷面基樁軸力分布如圖4所示。從基樁軸力分布圖可以看出：排除樁頂和樁土連接處對樁約束的影響，各樁所受軸力大小基本為一恒定值。但因為斷面類型不同，軸力最大值分布略有不同，具體來說：第1類碼頭斷面均為直樁，除G#樁軸力略大，其他3排樁所受軸力大小幾乎相等；第2類碼頭斷面為1排直樁，2排對稱的斜樁，結(jié)果顯示，直樁和受推力的斜樁軸力較大，受拉力的斜樁軸力較??；第3類碼頭斷面為1排直樁，3排斜樁，計算結(jié)果顯示，最后排受推力的斜樁軸力最大，其他3排樁軸力大小接近。

圖4　各斷面軸力Fig.4　Axial forces of each section

2.4.2彎矩

碼頭模型3類典型斷面基樁彎矩分布如圖5所示。從基樁彎矩分布圖可以看出：3類碼頭模型均是樁頂(距平臺-2.5～-3.5m)即樁帽下方的彎矩最大。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：彎矩最大值出現(xiàn)在斷面2的斜樁上。

圖5　各斷面彎矩Fig.5　Bending moments of each section

2.4.3剪力

碼頭模型3類典型斷面基樁剪力分布如圖6所示。從基樁剪力分布圖可以看出：忽略其他偶然因素的影響，3類碼頭模型均是樁頂即樁帽下方-2.5～-4.5m處的剪力最大，其他部位所受剪力較小，進(jìn)而推斷出樁帽下方為最易損部位。

綜上所述，將基樁各部位所受內(nèi)力(軸力、彎矩、剪力)大小進(jìn)行疊加可以看出，樁頂處(即樁帽下方)所受內(nèi)力最大，換句話說，基樁最易受損的部位位于樁頂。另外，仔細(xì)分析3類斷面，可以發(fā)現(xiàn)：斷面1和斷面2的基樁所受內(nèi)力值較斷面3的大，是較易受損的2類斷面，今后應(yīng)盡量避免使用此類斷面。

圖6　各斷面剪力Fig.6　Shear stresses of each section

3　現(xiàn)場檢測結(jié)果分析

對碼頭整體探摸、檢測，包括現(xiàn)有碼頭水下基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施和岸坡等，利用RS-CK電子裂縫測寬儀檢查混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫情況(包括裂縫數(shù)量、位置、走向、寬度、長度及典型裂縫的深度等)，利用ZBL-U520非金屬超聲檢測儀檢測混凝土表觀缺陷情況(包括剝落位置及區(qū)域程度)，特別是樁頂與梁或樁帽結(jié)合處的完整性情況[17-20]。

圖7　基樁裂縫及混凝土破損現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7　Scene photos of broken pile andconcrete cracks

3.1樁頂范圍裂縫和混凝土破損

根據(jù)結(jié)構(gòu)外觀檢查結(jié)果，部分基樁頂部2m范圍內(nèi)存在裂縫情況(如圖7所示)；碼頭部分基樁與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合處存在一定的縫隙。值得一提的是，斷面2樁頂破壞的基樁主要集中在碼頭后排斜樁，根據(jù)經(jīng)驗判斷，基樁樁頂裂縫主要是因為打樁過程中樁頂局部應(yīng)力偏大和斜樁施打過程中容易形成偏心受力造成。

3.2樁頂與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合處縫隙

碼頭部分基樁與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合處存在一定的縫隙，根據(jù)現(xiàn)場勘查，存在縫隙的基樁位置并無明顯規(guī)律，且縫隙周邊混凝土未發(fā)現(xiàn)局部松散脫落，根據(jù)經(jīng)驗判斷，此部分縫隙是因上部現(xiàn)澆混凝土的收縮造成，且縫隙已處于穩(wěn)定狀態(tài)，未繼續(xù)開展。

3.3基樁接頭

本工程采用大直徑預(yù)應(yīng)力管樁(以后簡稱大管樁)，大管樁使用每4m一節(jié)總體拼裝工藝。樁頂處預(yù)留排氣排水孔。根據(jù)現(xiàn)場勘查，低潮時，部分孔洞高于潮面，此時樁芯內(nèi)部水面與孔洞齊平，不隨潮面變化，證明基樁接頭處理較好，未發(fā)生滲水現(xiàn)象；同時，通過觀察表觀情況，接頭處粘接處理完好，接頭外表面亦未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

總之，根據(jù)現(xiàn)場病害調(diào)查結(jié)果，進(jìn)一步驗證了數(shù)值分析的正確性。

4　受損基樁加固措施建議

(1) 采用增大樁帽截面的辦法，即原樁帽外側(cè)再澆筑一圈強度更高的混凝土層，從而起到提高樁基(特別是樁頂處)承載力的作用。

(2) 采用鋼抱箍法加固受損基樁。通過對樁基的受損部位設(shè)置鋼抱箍，在樁基上增加了環(huán)向約束力，同時也增加了該部位樁基的截面剛度，提高了該部位樁基的水平抗剪能力，可有效對受損樁基進(jìn)行補強，最終滿足樁基的承載力要求。

上述2種方法均可實現(xiàn)加固基樁受損部位、提高樁基承載力的效果，但2種措施均有優(yōu)缺點：前者的優(yōu)點是一次性加固完畢后無需后期維護(hù)，缺點是施工難度大、施工周期長；后者的優(yōu)點是工藝簡單、操作方便、施工周期短，缺點是鋼抱箍易被海水腐蝕，后期維護(hù)費用大。

5　結(jié)論與建議

本文通過對某碼頭典型斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析各斷面下基樁的承載力，進(jìn)而確定可能受損的部位，再結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，進(jìn)一步驗證了理論分析的正確性。所得結(jié)論與建議如下：

(1) 通過對基樁承載力進(jìn)行詳細(xì)分析，大致確定基樁頂部(即樁帽下方1～2m)為最易受損部位。對比分析有限元數(shù)值計算與現(xiàn)場檢測結(jié)果可知，兩者吻合較好，說明數(shù)值計算的結(jié)果是準(zhǔn)確、合理的。

(2) 對于碼頭3種斷面類型，應(yīng)盡量避免使用斷面1和斷面2的形式，由于斷面1只有直樁，因此在水平力較大時樁基將面臨危險；而斷面2雖然布置了斜樁，但數(shù)量太少，水平力主要由第2根斜樁承擔(dān)，因此極易受剪力作用而在使用過程中發(fā)生損壞。

(3) 在具體修復(fù)基樁受損部位時，應(yīng)靈活選用加固措施，在考慮時間效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益的前提下，認(rèn)真總結(jié)各種措施的優(yōu)缺點，對樁基受損部位進(jìn)行妥善處理，這將對此類碼頭的安全運營起到至關(guān)重要的作用。

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(編輯：黃玲)

Finite Element Stress Analysis and Structural Damage Researchof Pile Foundation of High-piled Wharf

ZHAOAn-ping1,LIHao-jie2,YUHong-sheng3,XIAOWei-ming4

(1.InstituteofGeology&Geophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2.Planning&ProjectManagementDepartment,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China; 3.ShanghaiInstitute，ChinaAcademyofBuildingResearch,Shanghai200023，China;4.BeijingInstituteofResidentialBuildingDesign&ResearchCo.Ltd.，Beijing100005,China)

Inordertostudythestressandstructuraldamageofhigh-piledwharf,wesimulatedthreekindsoftypical

pilefoundations；high-piledwharf；finiteelementmethod；structuraldamage；bearingcapacityanalysis；reinforcementmeasures

2015-07-02；

2015-08-19

趙安平(1982- )，男，山西大同人，博士研究生，主要從事巖土工程、地質(zhì)工程等方面的科研工作，(電話)010-82998221(電子信箱)Yzhaoanping0205@163.com。

10.11988/ckyyb.20150550

2016,33(09):128-132，137

P473

A

1001-5485(2016)09-0128-05

sectionsofahigh-piledwharfbyusingfiniteelementmethod,andanalyzedthepilebearingcapacity.Then,wecomparedthesimulatedresultwiththedamagedetectionresultofpilefoundationstructure,andtheresultscoincidewitheachother,verifyingthecorrectnessoftheoreticalanalysis.Finally,wegavethereinforcementmeasuresforthedamagedparts.Accordingtothefiniteelementanalysisofpilebearingcapacityandmeasuredresults,weconcludedthatpiletop(1-2mfrombeneaththepilecap)isthemostvulnerablepart.Forthethreetypicaltypesofcrosssections,weshouldtrytoavoidusingtheformsofsectiononeandsectiontwo.Becausethehorizontalbearingcapacityofthetwotypesofcrosssectionistoosmallsothatthepilesarelikelytobedamagedbyhorizontalforceintheprocessofuse.Besides,weputforwardtwomeasuresofreinforcingthedamagelocationsofpilesbyenlargingpilecapsectionandbysteelhoop.Butinconcreterepair,underthepremiseofconsideringtimefactorandeconomicbenefits，weshouldflexiblychooserepairmeasuresbasedonsummarizingandcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmeasurestotreatthedamagedpositionsofthepilesproperly.