侯建飛，王昊忱，張嘉泰

（1.天津津港建設有限公司，天津300450；2.天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津300222）

0 引言

高樁碼頭因其結構簡單、施工方便、承載能力強等特點在我國淤泥質(zhì)海岸地區(qū)被廣泛采用[1]。近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有港口碼頭吞吐量不能滿足需求，大量泊位需要進行擴建或改造升級。

高樁碼頭泊位在初建時在規(guī)劃泊位旁邊設置預留結構作為打樁平臺，方便施工。在規(guī)劃泊位新建時，預留結構因長期的材料腐蝕等問題導致結構的承載力下降。將預留結構作為既有結構并入使用可以節(jié)省成本與工期，但需對其安全性、適用性與耐久性進行系統(tǒng)的檢測評估，根據(jù)評估結果判斷其是否滿足要求。高樁碼頭的樁基承載力是判斷碼頭結構能否繼續(xù)使用或進行升級改造的重點[2]，預留結構作為碼頭的一部分，由于在長期使用過程中受到各方面復雜因素的影響，其實際受力情況與初始設計參數(shù)存在一定偏差，無法通過簡單計算來確定其真實承載能力，因此判斷預留結構能否作為新建泊位部分繼續(xù)使用，需對其樁基承載能力做出評估。

在樁基檢測中，確定樁承載力通常采用單樁承載力測試的方法[3]，如靜荷載試驗測試法、高應變動力測試法、自平衡測試法等方法。在既有結構中樁與上部的梁板結構組成整體，若采用單樁承載力測試法存在2個難點：一方面單樁承載力試驗需打設錨樁并架設反力系統(tǒng)，將大大增加試驗成本與時間；另一方面，試驗需將上部結構拆除，若樁基承載力滿足要求還需重新搭設上部結構，造成嚴重浪費。因此，采用面堆載試驗法對高樁碼頭的樁基承載力進行檢測較傳統(tǒng)的單樁承載力試驗法有更大優(yōu)勢。

本文以天津港北港區(qū)某高樁碼頭擴建泊位工程為實例，重點介紹了考慮并入新建泊位的預留結構段的原位堆載試驗。在通過堆載試驗驗證樁基承載力滿足設計要求后，結合國內(nèi)現(xiàn)行的檢測評估研究[4-6]對預留結構構件進行系統(tǒng)的檢測評估工作，為設計單位掌握預留結構的使用現(xiàn)狀提供了判定依據(jù)。

1 工程概況

天津港北港區(qū)某高樁碼頭泊位于2008年12月竣工，初建時，考慮到碼頭后續(xù)存在擴建的可能性，為方便后續(xù)新建碼頭泊位施工方便，預留一結構段作為新建泊位的打樁平臺，對部分樁基和上部構件（樁帽、梁、面板）進行了打設與安裝。

預留段沿海岸線呈階梯狀布置，長56.25 m，寬49 m，采用高樁式梁板結構，分為前、后2個承臺。其中前承臺長26.25 m，樁基為鋼管樁，共布設13根，排架間距為8.75 m；后承臺長30 m，樁基為混凝土方樁，共布設33根，排架間距為5.3 m，前后承臺共布置48根預應力鋼筋混凝土梁及50塊鋼筋混凝土面板，見圖1。

圖1 預留過渡段平面示意圖Fig.1 Plan of reserved transition section

2 原位堆載試驗

2.1 試驗概況

原位堆載試驗選取預留結構的部分區(qū)域進行。預留段上部結構中梁均為連續(xù)梁，考慮到連續(xù)梁的邊界條件限制及各樁承載力可能存在較大差異，應盡量選取較大的區(qū)域進行試驗，但試驗區(qū)域過大可能會引起預留結構的整體垮塌，造成安全事故。經(jīng)綜合考慮，決定選擇后方承臺部分，以4根樁為基礎向外延伸1/2梁跨度的區(qū)域作為原位堆載試驗區(qū)域，見圖2。

圖2 原位堆載試驗區(qū)域Fig.2 In-situ surcharge test area

由于試驗區(qū)域位于預留段內(nèi)部，上部板梁結構與區(qū)域外部連接，堆載荷載會將部分荷載傳導至區(qū)域外部與外部樁基分攤，在此情況下若將碼頭的設計荷載作為試驗荷載，會導致測得樁基承載力偏大，偏于危險，應根據(jù)工程經(jīng)驗或者有限元軟件計算結果對試驗區(qū)域的試驗荷載適當放大，以保證試驗的合理性和結果的安全性。綜合考慮后，本次碼頭面原位堆載試驗根據(jù)使用單位與設計單位提出的要求，最終將試驗面荷載定為50 kPa。

2.2 試驗方法

本次試驗加載區(qū)為4個樁與外伸的部分連續(xù)梁、板在內(nèi)的13 m×11.5 m區(qū)域。試驗的加載、卸載采用100 t汽車吊依次吊取混凝土荷載塊的方式進行，荷載塊采用平板車從預定外部場地運輸至試驗現(xiàn)場，不占用碼頭后方堆場場地。

試驗的加載、卸載過程參照相關規(guī)范[7]，以分級加載的方式進行。根據(jù)規(guī)范要求：

1）在達到使用狀態(tài)試驗荷載以前，每級加載值不宜大于試驗荷載的0.2倍；超過以后，每級加載值不宜大于試驗荷載的0.1倍；

2）在接近開裂荷載計算值時，每級加載值不應大于承載狀態(tài)荷載設計值的0.05倍。

經(jīng)計算試驗荷載為7 500 kN，加載共分8級，各級加載分級匯總如表1所示。采用混凝土荷載塊逐級加載的過程中為防止出現(xiàn)局部集中荷載過大影響試驗準確性的情況，每級加載應采用對稱分布加載的形式，本次試驗加載過程如圖3所示，圖中深色區(qū)域為本級加載荷載塊布置位置，框區(qū)域為累積加載荷載塊布置位置。

表1 各級加載分級匯總表Table 1 Summary of loading at all levels

圖3 分級加載順序圖Fig.3 Hierarchical loading sequence diagram

每級加載完成后，按照樁靜載荷試驗快速法規(guī)定讀取豎向位移值，每級荷載需持荷60 min，在持荷期間以5 min、10 min、15 min、30 min、60 min的時間間隔記錄豎向位移值，直至沉降穩(wěn)定。

根據(jù)規(guī)范[8]，本次試驗的加載、卸載終止條件凡符合下列條件之一時，可終止試驗加載并進行分級卸載：

1）在某級荷載的作用下，24 h未達到穩(wěn)定標準。

2）某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍或荷載-位移曲線出現(xiàn)陡降段，且樁頂總沉降量超過40 mm。

3）荷載-位移曲線沒有明顯陡降段，樁頂總沉降量達60～80 mm。

4）碼頭堆載荷載達到設計要求的50 kPa。

2.3 試驗內(nèi)容

原位堆載試驗主要研究高樁碼頭面堆載荷載與樁基沉降的關系，因此只監(jiān)測碼頭的豎向位移，若在條件滿足的情況下也可同時監(jiān)測上部結構的受力情況，保證試驗安全進行[9]。

本次試驗共設置4個測點位于樁基處，為SZ1-SZ4，并在前方承臺設置基準點1個，為SZ5，測點位置及編號如圖2所示。

對樁頂沉降的測量一般采用位移計，位移計的使用需要架設基準梁，儀器布設與結果采集較為繁瑣。本次試驗采用具有布置方便、精度高、智能自動采集特點的靜力水準觀測系統(tǒng)。

2.4 試驗結果

原位堆載試驗的結果為加載過程中堆載荷載與樁頂沉降的關系，碼頭整體位移曲線見圖4。

圖4 整體荷載-位移曲線圖Fig.4 Load-displacement curve of all point

試驗結果表明，試驗均布荷載達到50.54 kPa后，已達到設計要求的最大加載量，終止加載。分析各測點以及碼頭整體的荷載-位移曲線可以看出，在分級加載的過程中并未出現(xiàn)代表樁基達到極限承載力的陡降段，同時樁頂總沉降量為3.7 mm未達到臨界值。由以上結論可以判斷，天津港北港區(qū)某高樁碼頭泊位預留結構的樁基承載力可以滿足設計要求。

3 檢測過程與分析

通過堆載試驗判定預留結構的樁基承載力大于設計壓樁力后，還需對其進行全面檢測，并對結構構件的適用性與耐久性做出評估。

3.1 構件外觀及破損檢測

檢測的主要內(nèi)容為對高樁碼頭水面以上結構構件進行地毯式地搜索和梳理，以目測、敲擊等方式探明構件的破損位置和破損形態(tài)，量化、記錄結構構件保護層混凝土的剝落情況及鋼筋銹蝕情況，并拍攝照片。

最終檢測結果顯示：檢測區(qū)域內(nèi)混凝土方樁水面以上部分出現(xiàn)一處傾斜現(xiàn)象其余樁基均未發(fā)現(xiàn)外觀劣化問題；外圍樁帽出現(xiàn)了不同程度的凍融外觀劣化問題；在橫梁出現(xiàn)一處露筋現(xiàn)象，其余梁均未發(fā)現(xiàn)外觀劣化問題；板頂上堆積大量渣土雜物，板底未發(fā)現(xiàn)外觀劣化問題。據(jù)此除方樁技術狀態(tài)評級為二級，其余的梁、板、樁帽均評為三級，需做及時修補。

3.2 前沿水深檢測

碼頭水下岸坡坡度檢測所選測深線垂直于岸線布設，測深線間距取5 m，采樣點間隔取5～6 m（依照樁位進行檢測），測量碼頭下部的水深。在水深測量時同時觀測水位，水深測量前應校準當?shù)乩碚撟畹统泵媾c水尺零點的關系，選用測深錘測深。碼頭下方泥面高程示意見圖5。

圖5 碼頭下方泥面高程示意圖Fig.5 Schematic diagram of mud surface elevation under wharf

碼頭下方泥面高程檢測結果表明，碼頭下部泥面高程高于設計泥面高程，說明碼頭下方出現(xiàn)回淤現(xiàn)象，應定期清理淤泥。

3.3 混凝土結構耐久性檢測

3.3.1 混凝土碳化深度檢測

混凝土碳化不僅會導致強度降低，當碳化深度達到保護層厚度時還會引起鋼筋的腐蝕。對混凝土碳化深度的檢測采用鉆孔法測定。隨機在樁帽、梁、板中各抽取了5個構件，測得樁帽平均碳化深度為0.0～1.0 mm，梁平均碳化深度為0.0～0.5 mm，板平均碳化深度為1.0～1.5 mm。

3.3.2 混凝土強度無損檢測

混凝土物理力學性能檢測主要為抗壓強度檢測，采用超聲-回彈法推定混凝土強度。隨機在樁帽、梁、板中各抽取了5個構件，計算測區(qū)平均回彈值后得到聲速平均值和回彈平均值，經(jīng)碳化修正后換算成混凝土強度代表值。所測樁帽混凝土強度均未滿足設計要求，所測梁、板混凝土強度均滿足設計要求。

3.3.3 鋼筋保護層厚度檢測

在檢測區(qū)域內(nèi)，樁帽、梁、板各隨機抽取了5個構件，采用鋼筋位置測定儀檢測混凝土保護層厚度。測得所有檢測構件保護層厚度均合格。

3.3.4 氯離子含量檢測

檢測區(qū)域內(nèi)，樁帽、梁、板各隨機抽取5個構件，在各測區(qū)內(nèi)以1 cm高度為1層，取得5層混凝土樣品，剔除骨料后，用硝酸將含有氯化物的水泥全部溶解，然后在硝酸溶液中，用倭爾哈德法來測定氯化物含量。測得采樣構件氯離子含量最大值均小于0.35%，判定構件尚無因氯離子侵蝕導致的鋼筋腐蝕問題。

3.4 鋼管樁檢測

3.4.1 鋼管樁涂層外觀檢測

涂層外觀檢測方法為目視檢查，由檢查人員記錄、描述涂層是否存在粉化、變色、裂紋、起泡脫落和損傷等外觀變化情況，記錄鋼管樁防腐涂層破損情況，描述破損部位分布，并對涂層的典型破壞形式進行選擇性照相。檢測結果顯示可觀察到的鋼管樁樁身處于水位變動區(qū)，樁身被海生物覆蓋，清除海生物后發(fā)現(xiàn)涂層基本完好，未發(fā)生較明顯的外觀變化。

3.4.2 鋼管樁鋼材厚度檢測

超聲波測厚儀利用探頭發(fā)射的超聲波脈沖反射時間計算聲波在介質(zhì)中傳播的距離。測得13根鋼管樁鋼材厚度全部滿足設計要求。

3.5 樁身完整性檢測

對樁身完整性檢測采用低應變檢測法，低應變采集系統(tǒng)利用接收和分析波在樁中傳播及反射的信號來檢測樁身質(zhì)量。檢測過程中采用樁側豎向激振，并在樁身工作面安裝加速度傳感器接收信號。水面以下部位，采用低應變檢測，測得33根方樁均為一類樁。

3.6 樁身垂直度檢測

對具備檢測條件的33根方樁樁基表面的海洋生物進行清理后，沿樁基的南北方向和東西方向，使用垂球法進行樁基垂直度檢測?；炷练綐稑渡泶怪倍仍试S偏差10 mm/m，經(jīng)檢測，碼頭樁基垂直度范圍在0～9 mm，滿足規(guī)范要求，判為合格。

3.7 檢測結果

天津港北港區(qū)某高樁碼頭預留結構檢測結果顯示，預留結構上部結構板、梁的混凝土耐久性檢測合格，外觀局部破損，修復后不影響繼續(xù)使用，樁帽混凝土強度不合格，不能繼續(xù)使用；鋼管樁與混凝土方樁樁身完整性良好，可繼續(xù)使用。

綜合考慮預留結構構件外觀和耐久性的檢測結果，建議對預留過渡段上部結構（樁帽、梁、板）予以拆除處理。

4 結語

本文以天津港北港區(qū)某高樁碼頭作為實例，詳細、系統(tǒng)地介紹了預留結構優(yōu)化利用判定方法，即采用原位堆載試驗方法判定預留結構的樁基承載力，在樁基承載力滿足要求后對預留結構構件的適用性、耐久性檢測評估，根據(jù)檢測評估結果判定預留結構能否作為新建泊位部分并入使用。

采用原位堆載試驗測試高樁碼頭樁基承載力既可以保留上部結構又可避免搭設反力系統(tǒng)試樁的繁瑣工序。本次原位堆載試驗過程中首次使用了靜力水準觀測系統(tǒng)測量豎向位移，解決了使用位移計存在安裝困難的問題，通過對試驗結果中荷載-位移曲線的分析，得出了該預留結構樁基承載力滿足設計要求的結論。在對預留結構構件檢測的過程中發(fā)現(xiàn)樁帽的混凝土強度均未達到設計要求，考慮到樁帽與梁、板為一整體，且位于下方，無法做到保留上部梁、板只拆除樁帽，因此，最終決定保留預留結構的樁部分，將上部結構全部拆除，為類似預留結構的優(yōu)化利用提供了借鑒實例。