高樁碼頭安全評估中樁身完整性檢測比例的探討

陳燦明， 蘇曉棟，何建新，胡燁之，黃衛(wèi)蘭

（1.南京水利科學(xué)研究院 水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

高樁碼頭安全評估中樁身完整性檢測比例的探討

陳燦明1， 蘇曉棟1，何建新1，胡燁之2，黃衛(wèi)蘭1

（1.南京水利科學(xué)研究院 水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

在役高樁碼頭檢測評估中樁身完整性是必測項(xiàng)目，根據(jù)現(xiàn)行水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般采用低應(yīng)變反射波法，抽檢數(shù)量不少于樁總數(shù)的10%或20%，且不得少于10根，當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)缺陷樁時，應(yīng)擴(kuò)大樁的抽檢比例。根據(jù)多年在役高樁碼頭安全檢測評估、尤其是交通運(yùn)輸部開展碼頭靠泊能力核查和沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工作中遇到的問題，通過現(xiàn)行水運(yùn)工程和相關(guān)行業(yè)規(guī)范的對比分析，結(jié)合樁基完整性檢測割樁損傷對碼頭水平承載力影響計算結(jié)果，探討了樁基完整性檢測抽樣比例的合理性。提出在役高樁碼頭安全檢測應(yīng)以碼頭樁基施工質(zhì)量合格為基礎(chǔ)，以排除運(yùn)行過程中產(chǎn)生的安全隱患為目的。安全檢測時只需考慮在役高樁碼頭運(yùn)行年限、靠泊方式、運(yùn)行環(huán)境、異常靠泊率和結(jié)構(gòu)型式等運(yùn)行因素，選擇較不利受力以及外觀檢查中樁基完整性存疑的樁基作為對象進(jìn)行驗(yàn)證檢測。

在役高樁碼頭;樁基完整性;檢測;評估;比例

作為水運(yùn)大國，截至2015年末我國港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位31 259個，其中萬噸級及以上泊位2 221個（10萬t級及以上泊位331個），2015年全國港口完成貨物吞吐量127.50億t[1]。隨著新建碼頭大量投入使用以及原有碼頭運(yùn)行年限的增加，碼頭運(yùn)營中不可避免出現(xiàn)運(yùn)行損傷和結(jié)構(gòu)老化病害，需要對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢查、定期測量觀測、定期檢測和特殊檢測，以確保其運(yùn)行安全[2-4]。

在役高樁碼頭安全檢測中樁身完整性是必測項(xiàng)目，一般采用低應(yīng)變反射波法，抽檢數(shù)量按現(xiàn)行水運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為不少于樁總數(shù)的10%或20%，且不得少于10根，當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)缺陷樁時，應(yīng)該擴(kuò)大樁的抽檢比例。在役高樁碼頭樁基完整性檢測時需要在樁身切出傳感器安放平臺和激振平臺，引發(fā)樁基局部截面減少和應(yīng)力集中效應(yīng)。由于碼頭運(yùn)行年限、使用環(huán)境和運(yùn)行條件千差萬別，統(tǒng)一按樁總數(shù)的10%或20%來抽樣檢測明顯不甚合理[5]。為此，南京水利科學(xué)研究院設(shè)立了中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目《已建碼頭基樁檢測損傷對承載能力的影響分析與檢測方法改進(jìn)研究》，研究樁基完整性檢測損傷對碼頭水平承載力的影響[6]。

本文通過對現(xiàn)行水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的分析，對比相關(guān)行業(yè)規(guī)范、結(jié)合樁基完整性檢測損傷對碼頭水平承載力影響計算結(jié)果，對在役高樁碼頭安全檢測時樁基完整性檢測抽樣比例的合理性進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范對檢測數(shù)量的規(guī)定

采用鋼筋混凝土樁基的高樁碼頭，安全檢測中樁身完整性是不可缺的檢測項(xiàng)目，抽測比例一般依據(jù)《港口碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測與評估指南》2011（以下簡稱“2011指南”）和《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》JTJ 249-2001（以下簡稱“JTJ 249規(guī)程”）。為了和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較，對運(yùn)用較為廣泛的《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106-2014（以下簡稱“JGJ 106規(guī)范”）的有關(guān)規(guī)定作簡要介紹。

（1）2011指南。該指南規(guī)定，混凝土樁樁身完整性檢測采用JTJ 249規(guī)程推薦的反射波法。由于在役高樁碼頭樁頂有樁帽或其他構(gòu)件，現(xiàn)場檢測時可在樁頭側(cè)面分別切割出傳感器安放平臺和敲擊平臺，抽檢比例和具體位置可視具體情況確定，一般抽檢數(shù)量不少于總數(shù)的20%，且不少于10個構(gòu)件，如出現(xiàn)缺陷樁時，應(yīng)擴(kuò)大抽檢比例。

（2）JTJ 249規(guī)程。該規(guī)程適用港口工程混凝土預(yù)制樁、灌注樁的低應(yīng)變檢測。低應(yīng)變動力檢測樁身完整性宜采用反射波法。對于混凝土預(yù)制樁，檢測樁的樁數(shù)不宜少于總樁數(shù)的10%，并不得少于10根；對于混凝土灌注樁，宜全部進(jìn)行檢測。

（3）JGJ 106規(guī)范。該規(guī)范規(guī)定，建筑樁基設(shè)計等級為甲級，或地質(zhì)條件復(fù)雜、成樁質(zhì)量可靠性較低的灌注樁，抽檢數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的30%，且不得少于20根；其他樁基工程的抽檢數(shù)量不應(yīng)少于總樁數(shù)的20%，且不得少于10根；每個柱下承臺檢測樁數(shù)不應(yīng)少于1根。

2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定合理性探討

2.1 規(guī)程適用范圍的分析

通過對水運(yùn)工程和工民建現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制說明、總則、一般規(guī)定、專門規(guī)定和條文說明等內(nèi)容的解讀，分析理解各標(biāo)準(zhǔn)中對樁基完整性抽樣比例規(guī)定的目的。

（1）2011指南是專門為在役碼頭的檢測評估而制定的，它是西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目 “西部港口碼頭安全性檢測評估技術(shù)研究”課題的主要研究成果，是為了促進(jìn)我國港口碼頭健康、持續(xù)發(fā)展，針對在役碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測與評估的特點(diǎn)，對現(xiàn)有技術(shù)水平側(cè)重于實(shí)用性進(jìn)行總結(jié)，指導(dǎo)沿海港口碼頭靠泊能力論證和結(jié)構(gòu)加固改造工作，全面掌握港口碼頭結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，并為碼頭安全管理和后續(xù)維護(hù)采取相應(yīng)措施的決策提供依據(jù)，同時為相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂和修訂提供技術(shù)積累基礎(chǔ)上編制的。它以《港口水工建筑物與評估技術(shù)規(guī)范》JTJ 302-2006為基礎(chǔ)，對在役碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測與評估技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，將規(guī)范中安全性檢測與評估的原則性規(guī)定進(jìn)行了細(xì)化，初步建立了碼頭結(jié)構(gòu)安全檢測與評估的技術(shù)體系，大大增強(qiáng)了可操作性。因此該指南規(guī)定的抽樣比例可以理解為專門針對在役高樁碼頭檢測評估的。

（2）JTJ 249規(guī)程雖然沒明確說明適用在建碼頭的質(zhì)量檢測還是適用在役碼頭的檢測，但規(guī)程指出，樁基是港口工程的主要基礎(chǔ)形式之一，樁基承載力及樁身完整性檢測結(jié)果能否合格關(guān)系到工程的安全。樁基動力檢測是檢測樁基承載力和樁身完整性的有效手段之一，工程中普遍采用。它在保證工程質(zhì)量、提高樁基檢測技術(shù)水平和創(chuàng)造社會經(jīng)濟(jì)效益等方面均取得了豐碩成果。規(guī)范出于統(tǒng)一港口工程樁基動力檢測方法和技術(shù)要求，有效控制工程檢測質(zhì)量為目的，總結(jié)我國十余年水運(yùn)工程樁基檢測技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上編制的。

從規(guī)程4.1.2條對抽樣樁的分類和具體規(guī)定以及規(guī)程4.1.3條低應(yīng)變動力檢測時應(yīng)具備資料等內(nèi)容來看，規(guī)程明顯是為了工程質(zhì)量控制檢測的。同時規(guī)程4.3.6條對上部有承臺樁的檢測方法作了規(guī)定，即可在樁側(cè)豎向激振或承臺面樁內(nèi)范圍重錘豎向激振，并在樁側(cè)安裝加速度傳感器。

因此，JTJ 249規(guī)程中樁基完整性檢測比例的規(guī)定是針對在建碼頭基樁施工質(zhì)量進(jìn)行檢測的。

（3）JGJ 106規(guī)范是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)范編制的目的是為設(shè)計、施工及驗(yàn)收提供可靠依據(jù)（1.0.1條）。它將樁基的檢測分為施工前為設(shè)計提供依據(jù)的試驗(yàn)樁檢測和施工后為驗(yàn)收提供依據(jù)的工程樁檢測（3.1.1條）。驗(yàn)收檢測樁抽檢時在均勻或隨機(jī)布置的前提下，重點(diǎn)檢測施工質(zhì)量有疑問的樁、局部地基條件異常的樁、設(shè)計認(rèn)為重要的樁和成樁工藝不同的樁（3.2.6條）。因此，從以上具體內(nèi)容以及建筑工程樁基的運(yùn)用情況分析，規(guī)范中對樁基檢測數(shù)量規(guī)定屬于工程質(zhì)量的控制檢驗(yàn)。

2.2 檢測損傷對樁基水平承載的影響分析

為研究在役高樁碼頭樁基完整性檢測損傷對水平承載的影響，南京水利科學(xué)研究院設(shè)立了中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“已建碼頭基樁檢測損傷對承載能力的影響分析與檢測方法改進(jìn)研究”，項(xiàng)目以長江下游某5萬噸級高樁碼頭為例，采用ANSYS建立單樁和整體有限元模型，計算分析水平荷載作用下樁基預(yù)應(yīng)力水平、損傷形狀、損傷位置、損傷大小、樁基傾斜度等因素對樁身應(yīng)力的影響[7-9]，其中C型PHC樁割樁后預(yù)應(yīng)力釋放狀態(tài)見圖1，水平荷載作用下樁基損傷處應(yīng)力狀態(tài)見圖2，損傷處沿高度應(yīng)力分布見圖3。研究成果表明：

圖1 割樁處預(yù)應(yīng)力釋放云圖Fig.1 Prestress release contour on the cutting damage

圖2 水平荷載作用下?lián)p傷處應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contour on the pile cutting damage under horizontal load

圖3 損傷處應(yīng)力沿高度分布圖Fig.3 Pile stress along the height of cutting damage

（1）在役高樁碼頭樁基完整性檢測損傷后，水平荷載作用下?lián)p傷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力急劇增大，樁身最不利截面由樁頂移至損傷平臺處，樁身最大應(yīng)力比損傷前顯著增大。

（2）樁基損傷產(chǎn)生的應(yīng)力集中是局部的，影響范圍一般是損傷高度的1.4～7.5倍。

（3）預(yù)應(yīng)力樁在損傷處有明顯應(yīng)力釋放，損傷處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。

（4）水平荷載作用下?lián)p傷處的應(yīng)力集中系數(shù)與預(yù)應(yīng)力水平無關(guān)。

（5）在半圓柱體、長方體和半圓錐體三種損傷中，半圓柱體損傷對樁身應(yīng)力分布影響最小，半圓錐體損傷最大，應(yīng)力集中系數(shù)為3.271～4.690。

（6）損傷位置變化對損傷處應(yīng)力集中系數(shù)影響不大，但樁頂一定范圍受樁身應(yīng)力分布的影響，位置越接近橫梁樁身應(yīng)力越大，損傷后受應(yīng)力集中影響樁身應(yīng)力更大。

（7）損傷底面大小改變對樁身應(yīng)力集中影響明顯大于高度的改變，損傷半徑越大，樁身應(yīng)力集中程度和影響范圍越大；損傷高度增大時樁身應(yīng)力集中程度有小幅下降。

（8）傾斜度對損傷處的應(yīng)力集中系數(shù)影響不大。

2.3 現(xiàn)行規(guī)定在執(zhí)行中的問題

根據(jù)多年在役高樁碼頭安全檢測評估、尤其是交通運(yùn)輸部開展碼頭靠泊能力核查和沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工作實(shí)踐中遇到的問題，發(fā)現(xiàn)2011指南中關(guān)于混凝土樁樁身完整性檢測抽檢數(shù)量不少于總數(shù)的20%的規(guī)定不合理，有調(diào)整必要，試舉二例說明。

長江下游某5萬噸級高樁碼頭由碼頭平臺、系纜墩和引橋三部分組成，平臺分前、后方樁臺，三座引橋與后方陸域相連接，樁基采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心方樁，前方樁臺455根，后方樁臺198根，系纜墩22根，引橋99根。按照2011指南抽檢數(shù)量不少于總數(shù)20%的規(guī)定，碼頭安全檢測時需要檢測155根樁的完整性。不僅檢測時割樁工作量大，更重要的是檢測損傷對碼頭結(jié)構(gòu)安全性和耐久性都會產(chǎn)生不利影響。實(shí)際上對于施工質(zhì)量驗(yàn)收合格的碼頭后方樁臺和引橋樁基主要承擔(dān)豎向荷載作用，所受水平力很小，正常運(yùn)行時其完整性應(yīng)不會改變。

某業(yè)主自備5 000噸級高樁碼頭平臺采用鋼管樁，引橋和吊機(jī)桁架基礎(chǔ)為￠800 mmPHC樁。安全檢測和評估時投入運(yùn)行剛滿5 a，且使用頻率低。對于該碼頭完全不承受船舶荷載作用PHC樁基按20%進(jìn)行完整性檢測明顯不合理。

根據(jù)多年檢測經(jīng)驗(yàn)，對于正常運(yùn)行且未過出現(xiàn)事故的在役高樁碼頭后方樁臺和引橋等不承受船舶荷載的鋼筋混凝土樁基，還未檢測出有完整性問題。這些區(qū)域的樁基完全可以通過外觀檢查分析確認(rèn)，只有外觀檢查存疑的樁基才需要低應(yīng)變檢測驗(yàn)證，而不宜硬性規(guī)定按20%的比例進(jìn)行檢測。

2.4 修改建議

（1）明確檢測目的，根據(jù)不同檢測目的，細(xì)化對抽樣比例的規(guī)定。目前，水運(yùn)工程中樁基施工質(zhì)量檢測一般依據(jù)JTJ 249規(guī)程，在役碼頭的檢測評估多依據(jù)2011指南。水運(yùn)工程中樁基施工質(zhì)量檢測，需要考慮工程的全覆蓋、成樁工藝、局部地質(zhì)變化以及工程樁的重要性等因素，規(guī)程有針對性地規(guī)定混凝土預(yù)制樁按不少于樁總數(shù)的10%并不少于10根、混凝土灌注樁全部檢測是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

在役高樁碼頭安全檢測是以碼頭樁基施工質(zhì)量經(jīng)檢驗(yàn)合格且通過驗(yàn)收為基礎(chǔ)，以排除運(yùn)行過程中產(chǎn)生的安全隱患為目的。因此完整性檢測時不需要考慮成樁工藝、局部地質(zhì)變化等施工因素，只要考慮運(yùn)行這一因素，選擇較不利受力以及外觀檢查中樁基完整性存疑的樁基進(jìn)行驗(yàn)證檢測。若完整性檢測比例過高反而會人為降低碼頭的安全性和耐久性。

由于在役高樁碼頭樁基完整性檢測時不需考慮施工因素，只要綜合分析碼頭投入運(yùn)行年限、靠泊方式、運(yùn)行環(huán)境、異?？坎绰屎徒Y(jié)構(gòu)型式等運(yùn)行因素，按不少于總樁數(shù)的20%抽檢明顯不合理，有必要進(jìn)行調(diào)整。

（2）對在役高樁碼頭樁基完整性檢測數(shù)量的建議。鑒于樁基完整性檢測割樁對在役高樁碼頭結(jié)構(gòu)有一定損傷，影響碼頭整體安全和耐久，因此應(yīng)根據(jù)碼頭運(yùn)行年限、運(yùn)行條件、異?？坎绰屎徒Y(jié)構(gòu)形式等因素，在外觀檢查后合理確定樁基完整性檢測數(shù)量。

① 在役高樁碼頭樁基完整性檢測應(yīng)在碼頭運(yùn)行調(diào)查和現(xiàn)場外觀檢查基礎(chǔ)上，選擇受力不利、運(yùn)行中有可能出現(xiàn)損壞的樁基進(jìn)行完整性檢測，當(dāng)理論分析和現(xiàn)場檢查可確定樁基完好時，可抽少量樁基進(jìn)行完整性驗(yàn)證檢測。

② 根據(jù)在役高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選擇橫向排架中受力最不利的樁基、結(jié)構(gòu)段端部橫向分配系數(shù)較大排架的樁基作為重點(diǎn)進(jìn)行檢查和檢測。

③ 曾經(jīng)出現(xiàn)過異?？坎吹脑谝鄹邩洞a頭，經(jīng)?？坎磁偶?、設(shè)置大型系纜設(shè)施或系纜頻繁排架的樁基，現(xiàn)場檢查懷疑有可能出現(xiàn)損傷的樁基應(yīng)進(jìn)行完整性檢測，一旦發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)擴(kuò)大檢測范圍。

④ 對于運(yùn)行年限短、靠泊頻率低、采用拖輪助靠且從未出現(xiàn)過異常靠泊的在役高樁碼頭、不靠泊或不經(jīng)常靠泊部位（如引橋、后方樁臺等），現(xiàn)場通過檢查可確認(rèn)完好的樁基可少量檢測驗(yàn)證或不進(jìn)行完整性檢測。

⑤ 樁基完整性檢測的割樁對在役高樁碼頭水平承載能力和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性有不利影響，檢測后要采取有效措施修補(bǔ)。

3 結(jié)語

在役碼頭的安全檢測與評估對于確保碼頭的安全運(yùn)行具有重要作用，本文根據(jù)多年碼頭安全檢測評估、尤其是交通運(yùn)輸部開展的碼頭靠泊能力認(rèn)證和沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工作實(shí)踐，對在役高樁碼頭樁基完整性檢測抽樣比例規(guī)定進(jìn)行了探討。通過現(xiàn)行水運(yùn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制原則、適用范圍、具體規(guī)定等內(nèi)容的分析，借鑒相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際運(yùn)用過程中存在的問題，認(rèn)為現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樁基完整性檢測比例對于在役高樁碼頭偏高，不僅檢測工作量大，而且對碼頭的安全性和耐久性有不利影響，有修改的必要。建議在役高樁碼頭樁基完整性檢測時不必考慮施工方面的因素，只需針對碼頭的運(yùn)行條件，選擇受力不利和外觀檢查中完整性存疑的樁基進(jìn)行完整性檢測。

[1] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部,2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[EB/OL].(2016-05-06)[2016-10-15].http://zizhan.mot.gov.cn/ zfxxgk/bnssj/zhghs/201605/t20160506_2024006.html

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Discussion on pile integrity detection ratio in safety evaluation of high-piled wharf

CHEN Can-ming1, SU Xiao-dong1, HE Jian-xin1, HU Ye-zhi2, HUANG Wei-lan1
(1.Key Laboratory of Water Science and Engineering of Ministry of Water Resources, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2.College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098,China)

Pile foundation integrity is required to be tested in detection and evaluation of the high-piled wharf in service. According to the current water transport standard, the low strain refl ection method was adopted, which demands the number of sampling piles shall not be less than 10% or 20% of the total number of piles and not be less than 10 piles. Besides, the sampling ratio should be expanded when the defects were detected. According to the multi-year safety evaluation of the high-piled wharf in service, especially the problems encountered in the verification of the wharf's berthing capacity and the reinforcement of the coastal wharf structure, the reasonableness of sampling ratio of pile integrity testing was discussed through the comparative analysis of the existing water transport standards, combined with the calculation results of the pile cutting damage effects on the horizontal bearing capacity. It is proposed that the safety detection of the high-piled wharf in service should be based on the qualification of construction quality of wharf pile foundation, so as to eliminate the potential safety hazards arising from the operation. According to the operational factors including operating ages, berthing methods, operating environment, abnormal berthing rate and structure type, piles which bear the worst load or are suspected to be incomplete should be selected as the object in verifi cation testing.

high-piled wharf in service; pile foundation integrity; detection; evaluation; ratio

U 656.1+12

A

1005-8443(2017)03-0269-05

2016-12-16；

2017-01-17

南京水利科學(xué)研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（Y415003）

陳燦明（1962-），男，江蘇靖江人，教授級高工，主要從事水運(yùn)工程的試驗(yàn)、檢測和安全評估工作。Biography:CHEN Can-ming(1962-),male,professor.