侯建飛，王昊忱，張嘉泰

（1.天津津港建設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、施工方便、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)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(jì)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(jìn)行擴(kuò)建或改造升級。

高樁碼頭泊位在初建時(shí)在規(guī)劃泊位旁邊設(shè)置預(yù)留結(jié)構(gòu)作為打樁平臺(tái)，方便施工。在規(guī)劃泊位新建時(shí)，預(yù)留結(jié)構(gòu)因長期的材料腐蝕等問題導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力下降。將預(yù)留結(jié)構(gòu)作為既有結(jié)構(gòu)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(jìn)行系統(tǒng)的檢測評估，根據(jù)評估結(jié)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(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用或進(jìn)行升級改造的重點(diǎn)[2]，預(yù)留結(jié)構(gòu)作為碼頭的一部分，由于在長期使用過程中受到各方面復(fù)雜因素的影響，其實(shí)際受力情況與初始設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定偏差，無法通過簡單計(jì)算來確定其真實(shí)承載能力，因此判斷預(yù)留結(jié)構(gòu)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(yàn)測試法、高應(yīng)變動(dòng)力測試法、自平衡測試法等方法。在既有結(jié)構(gòu)中樁與上部的梁板結(jié)構(gòu)組成整體，若采用單樁承載力測試法存在2個(gè)難點(diǎn)：一方面單樁承載力試驗(yàn)需打設(shè)錨樁并架設(shè)反力系統(tǒng)，將大大增加試驗(yàn)成本與時(shí)間；另一方面，試驗(yàn)需將上部結(jié)構(gòu)拆除，若樁基承載力滿足要求還需重新搭設(shè)上部結(jié)構(gòu)，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，采用面堆載試驗(yàn)法對高樁碼頭的樁基承載力進(jìn)行檢測較傳統(tǒng)的單樁承載力試驗(yàn)法有更大優(yōu)勢。

本文以天津港北港區(qū)某高樁碼頭擴(kuò)建泊位工程為實(shí)例，重點(diǎn)介紹了考慮并入新建泊位的預(yù)留結(jié)構(gòu)段的原位堆載試驗(yàn)。在通過堆載試驗(yàn)驗(yàn)證樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求后，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)行的檢測評估研究[4-6]對預(yù)留結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行系統(tǒng)的檢測評估工作，為設(shè)計(jì)單位掌握預(yù)留結(jié)構(gòu)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(shí)，考慮到碼頭后續(xù)存在擴(kuò)建的可能性，為方便后續(xù)新建碼頭泊位施工方便，預(yù)留一結(jié)構(gòu)段作為新建泊位的打樁平臺(tái)，對部分樁基和上部構(gòu)件（樁帽、梁、面板）進(jìn)行了打設(shè)與安裝。

預(yù)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(jié)構(gòu)，分為前、后2個(gè)承臺(tái)。其中前承臺(tái)長26.25 m，樁基為鋼管樁，共布設(shè)13根，排架間距為8.75 m；后承臺(tái)長30 m，樁基為混凝土方樁，共布設(shè)33根，排架間距為5.3 m，前后承臺(tái)共布置48根預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁及50塊鋼筋混凝土面板，見圖1。

圖1 預(yù)留過渡段平面示意圖Fig.1 Plan of reserved transition section

2 原位堆載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

原位堆載試驗(yàn)選取預(yù)留結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域進(jìn)行。預(yù)留段上部結(jié)構(gòu)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(yīng)盡量選取較大的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，但試驗(yàn)區(qū)域過大可能會(huì)引起預(yù)留結(jié)構(gòu)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(tái)部分，以4根樁為基礎(chǔ)向外延伸1/2梁跨度的區(qū)域作為原位堆載試驗(yàn)區(qū)域，見圖2。

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

由于試驗(yàn)區(qū)域位于預(yù)留段內(nèi)部，上部板梁結(jié)構(gòu)與區(qū)域外部連接，堆載荷載會(huì)將部分荷載傳導(dǎo)至區(qū)域外部與外部樁基分?jǐn)?，在此情況下若將碼頭的設(shè)計(jì)荷載作為試驗(yàn)荷載，會(huì)導(dǎo)致測得樁基承載力偏大，偏于危險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者有限元軟件計(jì)算結(jié)果對試驗(yàn)區(qū)域的試驗(yàn)荷載適當(dāng)放大，以保證試驗(yàn)的合理性和結(jié)果的安全性。綜合考慮后，本次碼頭面原位堆載試驗(yàn)根據(jù)使用單位與設(shè)計(jì)單位提出的要求，最終將試驗(yàn)面荷載定為50 kPa。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)加載區(qū)為4個(gè)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(yàn)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(jìn)行，荷載塊采用平板車從預(yù)定外部場地運(yùn)輸至試驗(yàn)現(xiàn)場，不占用碼頭后方堆場場地。

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

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

2）在接近開裂荷載計(jì)算值時(shí)，每級加載值不應(yīng)大于承載狀態(tài)荷載設(shè)計(jì)值的0.05倍。

經(jīng)計(jì)算試驗(yàn)荷載為7 500 kN，加載共分8級，各級加載分級匯總?cè)绫?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(yàn)準(zhǔn)確性的情況，每級加載應(yīng)采用對稱分布加載的形式，本次試驗(yàn)加載過程如圖3所示，圖中深色區(qū)域?yàn)楸炯壖虞d荷載塊布置位置，框區(qū)域?yàn)槔鄯e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(yàn)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(shí)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(yàn)的加載、卸載終止條件凡符合下列條件之一時(shí)，可終止試驗(yàn)加載并進(jìn)行分級卸載：

1）在某級荷載的作用下，24 h未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

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(dá)60～80 mm。

4）碼頭堆載荷載達(dá)到設(shè)計(jì)要求的50 kPa。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

原位堆載試驗(yàn)主要研究高樁碼頭面堆載荷載與樁基沉降的關(guān)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(shí)監(jiān)測上部結(jié)構(gòu)的受力情況，保證試驗(yàn)安全進(jìn)行[9]。

本次試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)位于樁基處，為SZ1-SZ4，并在前方承臺(tái)設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)，為SZ5，測點(diǎn)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(jì)，位移計(jì)的使用需要架設(shè)基準(zhǔn)梁，儀器布設(shè)與結(jié)果采集較為繁瑣。本次試驗(yàn)采用具有布置方便、精度高、智能自動(dòng)采集特點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)觀測系統(tǒng)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

原位堆載試驗(yàn)的結(jié)果為加載過程中堆載荷載與樁頂沉降的關(guān)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(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)均布荷載達(dá)到50.54 kPa后，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量，終止加載。分析各測點(diǎn)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(dá)到極限承載力的陡降段，同時(shí)樁頂總沉降量為3.7 mm未達(dá)到臨界值。由以上結(jié)論可以判斷，天津港北港區(qū)某高樁碼頭泊位預(yù)留結(jié)構(gòu)的樁基承載力可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 檢測過程與分析

通過堆載試驗(yàn)判定預(yù)留結(jié)構(gòu)的樁基承載力大于設(shè)計(jì)壓樁力后，還需對其進(jìn)行全面檢測，并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的適用性與耐久性做出評估。

3.1 構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行地毯式地搜索和梳理，以目測、敲擊等方式探明構(gòu)件的破損位置和破損形態(tài)，量化、記錄結(jié)構(gòu)構(gòu)件保護(hù)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(jié)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(shù)狀態(tài)評級為二級，其余的梁、板、樁帽均評為三級，需做及時(shí)修補(bǔ)。

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(shè)，測深線間距取5 m，采樣點(diǎn)間隔取5～6 m（依照樁位進(jìn)行檢測），測量碼頭下部的水深。在水深測量時(shí)同時(shí)觀測水位，水深測量前應(yīng)校準(zhǔn)當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵媾c水尺零點(diǎn)的關(guān)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(jié)果表明，碼頭下部泥面高程高于設(shè)計(jì)泥面高程，說明碼頭下方出現(xiàn)回淤現(xiàn)象，應(yīng)定期清理淤泥。

3.3 混凝土結(jié)構(gòu)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(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，當(dāng)碳化深度達(dá)到保護(hù)層厚度時(shí)還會(huì)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(jī)在樁帽、梁、板中各抽取了5個(gè)構(gòu)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(qiáng)度無損檢測

混凝土物理力學(xué)性能檢測主要為抗壓強(qiáng)度檢測，采用超聲-回彈法推定混凝土強(qiáng)度。隨機(jī)在樁帽、梁、板中各抽取了5個(gè)構(gòu)件，計(jì)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(qiáng)度代表值。所測樁帽混凝土強(qiáng)度均未滿足設(shè)計(jì)要求，所測梁、板混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

在檢測區(qū)域內(nèi)，樁帽、梁、板各隨機(jī)抽取了5個(gè)構(gòu)件，采用鋼筋位置測定儀檢測混凝土保護(hù)層厚度。測得所有檢測構(gòu)件保護(hù)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(jī)抽取5個(gè)構(gòu)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(gòu)件氯離子含量最大值均小于0.35%，判定構(gòu)件尚無因氯離子侵蝕導(dǎo)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(jìn)行選擇性照相。檢測結(jié)果顯示可觀察到的鋼管樁樁身處于水位變動(dòng)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(shí)間計(jì)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(shè)計(jì)要求。

3.5 樁身完整性檢測

對樁身完整性檢測采用低應(yīng)變檢測法，低應(yīng)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(cè)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(yīng)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(jìn)行清理后，沿樁基的南北方向和東西方向，使用垂球法進(jìn)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(jié)果

天津港北港區(qū)某高樁碼頭預(yù)留結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果顯示，預(yù)留結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)板、梁的混凝土耐久性檢測合格，外觀局部破損，修復(fù)后不影響繼續(xù)使用，樁帽混凝土強(qiáng)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(yù)留結(jié)構(gòu)構(gòu)件外觀和耐久性的檢測結(jié)果，建議對預(yù)留過渡段上部結(jié)構(gòu)（樁帽、梁、板）予以拆除處理。

4 結(jié)語

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

采用原位堆載試驗(yàn)測試高樁碼頭樁基承載力既可以保留上部結(jié)構(gòu)又可避免搭設(shè)反力系統(tǒng)試樁的繁瑣工序。本次原位堆載試驗(yàn)過程中首次使用了靜力水準(zhǔn)觀測系統(tǒng)測量豎向位移，解決了使用位移計(jì)存在安裝困難的問題，通過對試驗(yàn)結(jié)果中荷載-位移曲線的分析，得出了該預(yù)留結(jié)構(gòu)樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。在對預(yù)留結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測的過程中發(fā)現(xiàn)樁帽的混凝土強(qiáng)度均未達(dá)到設(shè)計(jì)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(yù)留結(jié)構(gòu)的樁部分，將上部結(jié)構(gòu)全部拆除，為類似預(yù)留結(jié)構(gòu)的優(yōu)化利用提供了借鑒實(shí)例。