某高樁碼頭岸側(cè)基樁彎曲變形分析與預(yù)防措施

黃夏幸

（廣州航海學(xué)院，廣東510330）

某高樁碼頭岸側(cè)基樁彎曲變形分析與預(yù)防措施

黃夏幸

（廣州航海學(xué)院，廣東510330）

文章研究了某高樁碼頭發(fā)生樁基傾斜、開裂現(xiàn)象的原因，并提出應(yīng)對措施。通過現(xiàn)場檢測及計算復(fù)核結(jié)果顯示，該碼頭樁基傾斜、開裂的主要原因是施工期碼頭邊坡滑移所致。且邊坡滑移時，近岸側(cè)樁受力最大，離岸側(cè)樁受力逐漸減少，其受力并不均等；使用期間岸坡在自然環(huán)境的作用下調(diào)整密實并自然恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，構(gòu)件受力在正常使用范圍內(nèi)。提出對高樁碼頭的岸坡進行邊坡穩(wěn)定計算時，除用土的力學(xué)指標(biāo)平均值在淤泥層厚度最大的截面進行邊坡穩(wěn)定驗算外，對取樣得出土的力學(xué)指標(biāo)較低的截面也需進行穩(wěn)定性驗算，施工期還要根據(jù)施工工藝荷載進行邊坡穩(wěn)定驗算。

軟土地基；樁基裂縫；邊坡穩(wěn)定；應(yīng)對措施

珠江三角洲地區(qū)地勢平坦開闊，境內(nèi)有三縱三橫三線通航水道和8個出?？?，水運業(yè)發(fā)達。受建港自然條件、碼頭岸線、通航水深及土地資源的限制，該地區(qū)建設(shè)的海港、河港碼頭工程地質(zhì)條件較差，有深厚的淤泥層，常利用海灘、河灘回填后作為碼頭的倉庫堆場，業(yè)主對碼頭的使用要求和施工工期的限制，對碼頭結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、安全帶來挑戰(zhàn)。近幾年中，某些高樁碼頭岸側(cè)基樁出現(xiàn)彎曲開裂甚至斷裂現(xiàn)象，也發(fā)生過整體滑移事故［1-3］。導(dǎo)致失穩(wěn)的原因可能是施工［4-5］原因，也可能是設(shè)計相關(guān)地質(zhì)參數(shù)考慮不足［6］原因。查明原因后根據(jù)實際情況可以采用卸荷［7］，也可以采用軟基加固［8］等方法修復(fù)加固。本文根據(jù)某高樁碼頭岸側(cè)基樁彎曲開裂甚至斷裂現(xiàn)象，分析其產(chǎn)生原因，提出應(yīng)對及預(yù)防措施，供同行參考。

圖1 2007年碼頭結(jié)構(gòu)橫斷面圖Fig.1 Cross?sectional view of wharf structure in 2007

1 高樁碼頭基樁彎曲變形實例

1.1 碼頭概況

某河口港高樁梁板式碼頭，設(shè)計船型為3 000 t級沿海散貨船，碼頭長100.5m，寬18m，碼頭兩端設(shè)棧橋與陸域相接，碼頭港池底高程-8.5m，碼頭面高程+2.96m，碼頭分二個結(jié)構(gòu)段，橫向排架自碼頭上游向下游編號，P1～P11排架為上游結(jié)構(gòu)段，P12～P21排架為下游結(jié)構(gòu)段，排架間距5m，設(shè)計圖紙中樁基礎(chǔ)全部采用500mm×500mm鋼筋混凝土直樁，并交替在每個橫向排架的A軸樁內(nèi)側(cè)或B軸樁外側(cè)增加了一根直徑?500mm、斜度3：1、扭角15°的鋼管斜樁。樁頂上現(xiàn)澆混凝土樁帽，其上設(shè)置縱橫向水平撐和立柱，A軸直樁、B軸直樁、C軸和D軸樁與立柱在同一軸線上，碼頭結(jié)構(gòu)橫斷面見圖1。碼頭于1991年2月竣工并投入使用。

1.2碼頭工程地質(zhì)和水下地形

1.2.1 碼頭區(qū)域的地質(zhì)特征

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，碼頭和引橋區(qū)域上覆土層為第四系全新統(tǒng)珠江三角洲沖積層和第四系晚更新統(tǒng)殘積地層，自上而下主要為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，砂類土和粘性土，下伏基巖為燕山期花崗巖。其中，淤泥為暗灰色，飽和，上部含粘土較多，呈流塑～軟塑狀態(tài)，向下粉砂逐漸增加，呈軟塑狀態(tài)，屬高壓縮性軟土，層厚13.9～22.2m。

2010年碼頭擴建進行地質(zhì)勘探，根據(jù)碼頭下游側(cè)引橋附近的鉆孔柱狀圖，-0.58～-25.28m為淤泥，淤泥的直接快剪凝聚力c為2.25 kPa，內(nèi)摩擦角?為4.7°。工程地質(zhì)勘察報告淤泥的固結(jié)快剪凝聚力平均值c為8.9 kPa，內(nèi)摩擦角平均值?為12.5°。淤泥層以下是粗礫砂及全風(fēng)化花崗巖層，樁基入全風(fēng)化花崗巖層不小于1m。

1.2.2 碼頭區(qū)域水下地形

根據(jù)碼頭設(shè)計斷面圖，設(shè)計港池底高程-8.50m，設(shè)計岸坡1：5。2007年8月業(yè)主計劃對碼頭后方進行改造，測量了水下地形，14～16排架碼頭前沿港池底高程-7.4m，碼頭內(nèi)側(cè)泥面高程-0.9m，接岸擋墻處泥面高程-0.6。2010年又測量了碼頭水下地形圖，14～16排架碼頭前沿港池底高程-6.7m，碼頭內(nèi)側(cè)泥面高程-0.2m，碼頭內(nèi)側(cè)至接岸擋墻間雜填土層泥面高程+1.2m（碼頭擴建期間回填后自然密實）（圖2）。

1.3 碼頭樁基現(xiàn)狀

2008年對碼頭后方進行了改造，原碼頭結(jié)構(gòu)不變，在碼頭內(nèi)側(cè)、兩棧橋間擴建了樁基結(jié)構(gòu)后平臺和垂直碼頭的龍門吊軌道梁（為獨立結(jié)構(gòu)，設(shè)結(jié)構(gòu)縫與原結(jié)構(gòu)分離），建成后碼頭前方樁臺與后方堆場連成一片。改造施工時，施工方對后平臺樁基采用陸上推進施工法，將后平臺部分淺灘未經(jīng)軟基處理直接回填土，在后平臺樁基施工過程中，碼頭部分基樁出現(xiàn)了傾斜現(xiàn)象。2011年對碼頭結(jié)構(gòu)進行檢測，碼頭混凝土樁共84根，除岸側(cè)19根D軸樁被填土基本掩埋沒有檢測外，有21根樁樁頂段開裂，其中部分樁有明顯傾斜現(xiàn)象，主要集中發(fā)生在P10～P18排架。裂縫分二種類型，一種是在距樁帽底面20～40 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)一條或多條橫向裂縫，另一種是在距樁帽底面15～60 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)一條或多條斜向裂縫。表1為部分樁基樁頂段傾斜檢測的結(jié)果，表中樁位P11-C表示第11排架C樁，其余類同。對10根樁頂段有裂縫的樁，以裂縫截面以下樁身外觀良好處為檢測面，進行低應(yīng)變動力檢測，檢測結(jié)果判定5根樁為Ⅰ類樁，5根樁為Ⅱ類（表2）。

圖2 碼頭斷面地形變化圖Fig.2 Topography variation of wharf cross section

表1 水上可視部分樁基垂直度Tab.1 Pile verticality of visible part

表2 基樁低應(yīng)變反射波法檢測結(jié)果Tab.2 Results of pile in low strain test reflected wavemethod

2 樁基變形開裂原因分析

2.1 碼頭岸坡變形分析

根據(jù)碼頭水下地形測量成果，碼頭于1991年2月竣工并投入使用，至2007年8月，碼頭前沿港池淤積厚度1.1m，碼頭內(nèi)側(cè)淤積厚度4.1m，這是碼頭水域泥沙運動自然淤積結(jié)果，據(jù)業(yè)主反映，碼頭在這段使用期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)位移、樁基彎曲現(xiàn)象。

2008年對碼頭后方進行改造擴建，碼頭噸級不變，僅在碼頭內(nèi)側(cè)、兩棧橋間擴建樁基結(jié)構(gòu)后平臺和龍門吊軌道梁，采用陸上推進法施工，施工方將碼頭內(nèi)側(cè)淺灘未經(jīng)軟基處理直接回填土，形成工作面后施打樁基。以2008年8月施工方案的地形邊坡為計算邊坡、施工荷載以及2010年碼頭擴建工程地質(zhì)勘察報告中的土層力學(xué)指標(biāo)平均值為計算參數(shù)，在不考慮地震荷載、打樁震動影響條件下，采用瑞典條分法，利用易工水工結(jié)構(gòu)計算軟件進行邊坡穩(wěn)定計算，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.001，如果按7度烈度考慮地震荷載，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.85。即如果考慮施工荷載和淺灘填土后隨即進行的沉樁施工震動影響，邊坡將處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 樁基開裂變形分析

根據(jù)設(shè)計圖紙，碼頭前方作業(yè)平臺橫向排架布置了5根直樁，樁頂主筋伸入樁帽和立柱中，上部結(jié)構(gòu)縱橫向水平撐、立柱、縱橫梁形成框架結(jié)構(gòu)，樁的剛度遠小于框架結(jié)構(gòu)，因此，樁頂可視為嵌固在框架中。樁基開裂前，樁所受的水平荷載由樁身混凝土與受力鋼筋共同承擔(dān)。當(dāng)岸坡發(fā)生滑動趨勢時，樁基除承受軸力外，滑動土體對樁產(chǎn)生向外土壓力同時承受較大的彎矩和剪力，滑動面以上部分樁段向外彎曲，本工程樁基為矩形斷面，根據(jù)規(guī)范［9］7.1.1-2受彎構(gòu)件矩形截面正截面抗裂驗算相關(guān)公式。

而

顯然，在荷載及樁基截面尺寸、混凝土強度、鋼筋品種及類型一定的情況下（此時γm、αct、ftk一定），影響構(gòu)件正截面抗裂的主要因素是w0，即樁基受土體滑動影響到一定程度時，在彎矩相對最大、w0相對薄弱的截面，也就是截面有效高度h0較小，即混凝土保護層較厚處（h0=h-as，因施工原因造成）樁身段將首先出現(xiàn)橫向或斜向裂縫。可能出現(xiàn)這種裂縫的位置一是樁頂附近位置（平衡點以上受彎曲荷載相對較大位置），其次是緊鄰滑動面以下的樁段位置（平衡點以下彎曲荷載相對較大位置）。

2.3 檢測情況

根據(jù)檢測結(jié)果，在C軸樁出現(xiàn)傾斜、近樁帽處樁段開裂的P10～P18橫向排架，靠岸側(cè)的D軸樁因填土掩埋未能檢查其開裂情況，在C軸樁有輕微開裂缺陷的橫向排架中，D軸樁因同樣受土體滑動趨勢的影響可能出現(xiàn)開裂等輕微缺陷現(xiàn)象。近樁帽處樁段，A軸樁沒有傾斜現(xiàn)象，近樁帽的樁段也沒有裂縫現(xiàn)象；B軸樁雖然沒有明顯傾斜現(xiàn)象，但近樁帽近岸面的樁段均有斜向或水平裂縫，裂縫寬度較C軸樁??；C軸樁有明顯傾斜現(xiàn)象，近岸面近樁帽的樁段均有斜向裂縫，裂縫寬度較大（圖3）。

這種現(xiàn)象表明邊坡有滑動趨勢時，岸側(cè)樁受滑動土體的推力較大，離岸側(cè)樁因岸側(cè)樁的遮攔作用，受力較小，邊坡滑動時樁基雖然同時受力，但受力并不均等。

2.4 樁基開裂變形結(jié)論

基于岸坡變形計算結(jié)果、樁基受力分析及現(xiàn)場檢測情況，可以得出該碼頭樁基開裂變形主要原因是碼頭岸坡變形，然后引起樁基彎曲變形，繼而造成樁基開裂。2008年對碼頭后方進行改造，在碼頭內(nèi)側(cè)、兩棧橋間擴建樁基結(jié)構(gòu)后平臺和龍門吊軌道梁時，采用陸上推進施工法，施工方將碼頭內(nèi)側(cè)淺灘未經(jīng)軟基處理直接回填土，形成工作面后施打樁基。打樁產(chǎn)生的振動波，破壞土體整體穩(wěn)定，使土體抗剪強度降低，增大了岸坡主動土壓力，減小被動土壓力，同時因回填工作面及打樁施工增加了施工期荷載，共同作用造成岸坡輕度失穩(wěn)，岸坡失穩(wěn)導(dǎo)致了樁基的彎曲變形，進而導(dǎo)致局部的樁基開裂。

表2中基樁低應(yīng)變反射波法的檢測面距樁帽底面60 cm，邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)最小時的圓弧滑動面在C軸樁處距樁帽底面9.31m，表2中C軸樁有輕微缺陷的位置在理論圓弧滑動面以下，檢測結(jié)果基本反映了岸坡發(fā)生滑動趨勢時樁身受力及裂縫位置特征。

因此，2008年在碼頭內(nèi)側(cè)進行樁基結(jié)構(gòu)后平臺和龍門吊軌道梁施工時，沒有進行軟基處理就直接進行淺灘回填及后平臺樁基采用陸上施工，造成施工期岸坡輕度失穩(wěn)，是岸側(cè)樁發(fā)生傾斜、開裂的主要原因。

3 應(yīng)對措施

3.1 對碼頭樁基的修復(fù)

根據(jù)以上分析，在深厚軟土地區(qū)進行碼頭改造施工，存在因施工方案的原因造成岸坡發(fā)生圓弧滑動，岸側(cè)樁受滑動土體的推力較大，離岸側(cè)樁因岸側(cè)樁的遮攔作用，受力較小，岸坡滑動時樁基雖然同時受力，但受力并不均等。根據(jù)2011年實測使用期岸坡、樁基檢測情況，碼頭樁基開裂并沒有出現(xiàn)進一步發(fā)展的趨勢，碼頭岸坡穩(wěn)定計算結(jié)果處在安全范圍內(nèi)、也就是說改造完成并經(jīng)過土體的自然沉降密實后，碼頭岸坡處在穩(wěn)定狀態(tài)，鑒于現(xiàn)有樁基存在不同程度的損傷，采用高壓噴漿方式對受損的樁基進行修復(fù)，同時在碼頭及岸坡結(jié)構(gòu)段位置設(shè)置位移觀測點，及時了解碼頭及岸坡的情況，修復(fù)至今已經(jīng)2 a，至今未見異常，回訪情況良好。

3.2 預(yù)防措施

（1）在深厚軟土地區(qū)進行碼頭改造建設(shè)或新建碼頭時，對于邊坡穩(wěn)定計算，除用土的力學(xué)指標(biāo)平均值、淤泥層厚度最大處為計算截面評定邊坡穩(wěn)定性外，對連續(xù)取樣得出土的力學(xué)指標(biāo)較低的截面也要進行穩(wěn)定性驗算。

（2）在改造工程施工時，應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)有碼頭的使用現(xiàn)狀及施工方案進行岸坡穩(wěn)定計算，合理安排施工順序，必要時可以先進行軟基加固，再進行樁基的施工，避免施工期岸坡失穩(wěn)影響碼頭建設(shè)質(zhì)量。

（3）新建碼頭設(shè)施時，應(yīng)論證并合理確定高樁碼頭的排架結(jié)構(gòu)尺度、岸坡的長度及坡度，做到既節(jié)省工程造價，又避免岸坡失穩(wěn)事故的發(fā)生。

（4）碼頭建成投入使用后，及時建立碼頭變形觀測系統(tǒng)，定期對碼頭變形情況及構(gòu)件的受損情況進行觀測，對出現(xiàn)的問題及時研究處理，保障碼頭的安全運行。

4 小結(jié)

本文在深入分析該碼頭樁基受損的原因后，提出了應(yīng)對措施，較好地解決了該碼頭改造建設(shè)中面對的岸坡失穩(wěn)導(dǎo)致樁基受損問題并提出了預(yù)防此類情況出現(xiàn)的預(yù)防措施。該案例可以為該地區(qū)上下游碼頭的改造建設(shè)提供借鑒，也可以為珠三角地區(qū)深厚軟土地區(qū)岸線的開發(fā)利用提供實踐經(jīng)驗。

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［9］SL191-2008,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

釜山新港擬新建15個泊位

據(jù)報道，韓國釜山新港宣布，將進行港口空間工程，建造包括集裝箱碼頭、支線碼頭和多用途碼頭的15個新泊位，并將釜山新港的年集裝箱吞吐能力增至1 580萬TEU。通過擴建，航道將浚深至17m，以便超大型集裝箱船能夠掛靠釜山港。擴建后，釜山港將鞏固其作為全球第一流集裝箱港口的地位，同時還將成為東北亞的轉(zhuǎn)運樞紐。包括這15個新建泊位在內(nèi)，釜山新港還計劃在2018年前，新造1個LNG燃料設(shè)施和物流園區(qū)。（殷缶，梅深）

舟山遠洋漁業(yè)碼頭又添新泊位

據(jù)報道，2015年4月15日下午，舟山市定海區(qū)惠群遠洋漁業(yè)冷鏈物流基地5 000 t級的3號泊位全新亮相，等待竣工驗收。作為舟山國家遠洋漁業(yè)基地建設(shè)的重要組成部分，惠群遠洋漁業(yè)冷鏈物流基地已擁有兩個萬噸級碼頭及一個5 000 t級碼頭，年卸貨量將達30萬～40萬t，不但能滿足全市遠洋漁船的卸貨需求，還能供全國的遠洋漁船停泊卸貨。（殷缶，梅深）

Analysis and precaution on dock side bending deformation of a high?piled wharf

HUANG Xia?xing
（Guangzhoumaritime Institute,Guangzhou 510725,China）

The causes of pile inclination and pile cracks of a high?piled wharf were studied in this paper,and the countermeasures were proposed.Through field testing and rechecking,the calculation results show that themain reason of pile inclination and pile cracks is the slope sliding of wharf during construction period.When the slope is slipped,the force exerted on the inshore side pile is the largest,and it is gradually reduced on the offshore side.Its force is not uniform.During the application period,the slope is adjusted to the compact state under the ac?tion of the natural environment,and it is stabilized after natural restoration.The force is within the normal range.It is proposed that in addition to the slope stability checking calculation on the cross?section with the largest silt layer thickness by the averagemechanical indexes,the checking calculation of slope stability is also necessary when the soilmechanical indexes are relatively low.It also applies the construction load for checking the slope stability calcu?lation during construction period.

soft soil foundation;pile cracks;slope stability;countermeasures

U 655.54+4.1

A

1005-8443（2015）03-0248-05

2014-12-12；

2015-03-10

黃夏幸（1969-），女，廣東省湛江人，副教授，主要從事港口工程教學(xué)研究。

Biography：HUANG Xia?xing（1969-），female，associate professor.