板樁碼頭結構異常情況穩(wěn)定性分析研究

秦網(wǎng)根 張銀 張潤 李鵬飛

摘要：板樁碼頭面層塌陷、鋼板樁接縫漏水等劣化問題會影響碼頭的結構安全，為及時了解結構的安全狀況，本文依托某鋼板樁碼頭，采用外觀調(diào)查、水下探摸及探地雷達掃測相結合的方法綜合評定碼頭結構安全狀況，判斷碼頭存在的劣化問題，全面準確地為碼頭的進一步加固設計和修復提供依據(jù)。

關鍵詞：鋼板樁碼頭;結構安全;水下探摸;探地雷達

中圖分類號：U656.1? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0036-03

板樁碼頭因在陸地施工建設、施工快、工期短、造價低、不占用港池面積等一系列優(yōu)點，已在砂性土、軟弱土等不同地質(zhì)環(huán)境下被廣泛應用，然而，板樁碼頭在使用過程中，因后方陸域堆載過大、環(huán)境激振、碼頭施工工藝導致鋼板樁鎖口以及混凝土板樁間止水問題不佳，易導致碼頭板樁間產(chǎn)生漏砂漏土通道，且劣化問題發(fā)現(xiàn)時，面層以下存在大范圍沉陷、空洞現(xiàn)象。如何快速排查板樁碼頭地表以下缺陷區(qū)域、摸清水面以下樁間縫隙情況，以及可能存在的其它劣化問題，是保障工程安全和預防碼頭安全事故發(fā)生的關鍵。

本文依托某鋼板樁碼頭，針對板樁與胸墻連接處發(fā)現(xiàn)的滴水聲、人行道局部位置出現(xiàn)沉降過大現(xiàn)象進行問題排查，首先通過采用外觀普查，詳細了解碼頭存在的表觀劣化情況，然后對碼頭地表采用探地雷達進行掃測，重點排查存在的空洞缺陷范圍，查清碼頭面以下是否存在地表沉陷等問題，對板樁水下區(qū)域采用水下探摸進行板樁縫隙情況檢查，綜合判斷碼頭存在的劣化問題，為碼頭的進一步加固設計和修復提供依據(jù)。

1工程概況

本工程位于挖入式港池，如圖1所示，在港池下 游側沿縱深方向依次布置泊位3個，下游段長183m， 船舶采用順靠型式;在港池底端依次布置10個泊位， 長170m，船舶靠泊時采用丁靠型式，碼頭均采用板樁 結構，結構型式采用 OZ27型鋼板樁結構，鋼板樁壁厚 11.0mm，樁長17.4m，頂標高0.9m，底標高-16.5m， 鋼板樁采用拉錨結構，前墻為沉樁后在樁頂現(xiàn)澆“L”型鋼筋混凝土胸墻形成直立岸壁式板樁墻結構，頂標高 為5.4m，低標高為0.5m，寬0.5～1.5m。在碼頭后方距 前沿26m 處現(xiàn)澆連續(xù)鋼筋混凝土錨碇板，錨碇墻為“L”型，頂高程為2.80m，底高程為0.0m，厚0.4m，基礎 為100mm 厚素混凝土和300mm 厚二片石墊層。在碼頭運營過程中，發(fā)現(xiàn)板樁與胸墻連接處存在滴水聲、人行道局部位置出現(xiàn)沉降過大現(xiàn)象，為查找原因，采用外觀調(diào)查、探地雷達檢測、水下探摸檢測等，綜合分析碼頭存在的劣化問題。

2檢測內(nèi)容及方法

2.1缺陷外觀調(diào)查

板樁碼頭存在漏砂漏土路徑，碼頭后方面層會發(fā)生開裂、塌陷，面層以下會存在空洞等現(xiàn)象，檢測中詳細檢查碼頭面層、胸墻、板樁等水工建筑物構件的破損狀況，對碼頭板樁水上部分外觀進行調(diào)查，并對破損、扭曲、接縫漏水等情況做出詳細記錄，面層敲打時如發(fā)生聲音沉悶，出現(xiàn)“咚、咚、咚”聲音，記錄其發(fā)現(xiàn)的所處位置。

2.2水下結構探摸檢測

受水位影響，該工程板樁結構基本在水面以下，如板樁鎖扣咬合不好，在接縫處易發(fā)生漏砂漏土現(xiàn)象，如存在這種現(xiàn)象，樁間可能會存在縫隙、局部渾濁、翻泡現(xiàn)象。針對水下結構的狀況，擬采用水下探摸對碼頭水下結構物存在的安全隱患進行詳細檢查。具體檢測方法，一是由潛水員徒手及使用專用工具，對碼頭水下結構物周圍表面至河床部位進行探摸、檢測，排查碼頭鋼板樁是否有錯位、損壞、異常現(xiàn)象;二是由潛水員對碼頭水下基礎附近的河床地理環(huán)境及情況進行探摸、檢測，主要探摸檢測基礎附近河床是否有較大的凸凹及異?，F(xiàn)象。

2.3板樁墻后下方情況檢測

針對本工程板樁碼頭墻后人行道局部區(qū)域出現(xiàn)的不均勻沉降情況，擬采用 sir-3000型探地雷達，為了能夠探測較深位置，選擇中心頻率為400MHz 的高頻天線對地基進行淘空、不密實情況探測。

2.3.1基本原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar），通過發(fā)射天線，以脈沖形式將頻率在1～1000MHz 之間的高頻電磁波定向地送入地下。電磁波在有電性差異的地下介質(zhì)中傳播或遇到有電性差異的目標時，會產(chǎn)生電磁波反射，接收天線會接收反射回地面的電磁波。對得到的電磁波信號的電性、波形、幾何形態(tài)特征等進行分析研究，再推斷地下地層或目標物，如圖2所示。地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)與電導率是影響電磁波傳播速度與路徑的主要原因。

不同介質(zhì)的介電常數(shù)通常不一樣，電磁波在通過這兩種不同介質(zhì)的交界面處就會產(chǎn)生像光學的反射和折射現(xiàn)象。電磁波從發(fā)射到被接收的行程時間的計算公式

如下：

式中： z 是反射界面深度， x 是發(fā)射天線到接收天線間的距離， v 是電磁波在介質(zhì)中傳播的波速， c 是光速 ，εr 是介質(zhì)的相對介電常數(shù)。已知波速 v，可以通過讀取雷達剖面上行程時間來計算界面深度 z。

穿透介質(zhì)的波吸收程度、界面反射系數(shù)都會影響電磁脈沖反射信號的強度。探地雷達探測的前提條件是反射系數(shù)和反射波能量的大小與不同介質(zhì)的電磁參數(shù)差別成正比。

探地雷達的探測深度與天線的頻率成反比，而分辨率與天線的頻率成正比。所以，探地雷達技術存在著探測深度與分辨率的取舍和優(yōu)選的問題。

2.3.2工作方案

探地雷達型號為 sir-3000，天線中心頻率為400MHz，探測深度大約為2m。具體參數(shù)設置如下：數(shù)據(jù)采集模式為距離模式，測程為80納秒，采樣點數(shù)為512，數(shù)據(jù)位為16，增益設置為5點自動增益，濾波器采用無限響應濾波器，垂向低通濾波值為800MHz，垂向高通濾波值為100MHz，發(fā)射率為100kHz。根據(jù)碼頭現(xiàn)場情況，布置橫向和縱向測線，覆蓋整個碼頭后方回填區(qū)域。對采集得到的原始數(shù)據(jù)，進行如下處理：

（1）確定地面反射波信號，調(diào)整信號零點;

（2）調(diào)整信號增益;

（3）利用水平疊加、背景去除消除噪音干擾;

（4）無限響應濾波;

（5）交互式解釋得到面層厚度。

3調(diào)查結果及分析

3.1缺陷外觀調(diào)查情況

（1）碼頭面層局部有塌陷及修補痕跡。港池中段面層南起2#分段變電箱處下面有塌陷;港池中段面層港池東北角塌陷未回填。

（2）臨水面鋼板樁接縫處漏水等缺陷，如圖3所示。

（3）港池中段水面以上部分板樁無明顯破損，靠船樁處、港池中段與上游段搭界處存在局部淤積;港池下游段水面以上部分板樁無明顯破損，板樁前沿地形平坦，前沿15m 范圍內(nèi)無明顯障礙物，其中東起1#分段與港池中段搭界處存在局部淤積，東起2#、3#、6#、9#、10#分段板樁前沿局部存在沖刷現(xiàn)象。

（4）河床與板樁與胸墻吻合良好。板樁表面光滑，無貝類存在。板樁與板樁排列整齊，縫隙均勻清晰，未檢測到其他板樁移位、斷裂、變形、偏移等病害現(xiàn)象。

3.2水下結構探摸檢測

此次水下結構探摸范圍為港池中段170m 及港池下游段183m。

3.2.1港池下游段

（1）下游水工結構板樁（泥面銜接處）至胸墻底部（胸墻銜接處），板樁平均高度約4.9m。

（2）河床與板樁與胸墻吻合良好。板樁表面光滑，無貝類存在。

（3）水下板樁踏勘探摸檢測發(fā)現(xiàn)，板樁與板樁排列整齊，縫隙均勻清晰，未檢測到其他板樁移位、斷裂、變形、偏移等病害現(xiàn)象。

（4）港池下游段水工結構水下反復踏勘探摸未檢測到其他病害存在。

3.2.2港池中段

（1）1#～5#棧橋附近河床（泥面銜接處）板樁至胸墻底部（胸墻銜接處），板樁平均高度約2.61m，除了棧橋外，碼頭系統(tǒng)河床（泥面銜接處）板樁至胸墻底部（胸墻銜接處），板樁平均高度約3.63m。

（2）河床與板樁與胸墻吻合良好。板樁表面光滑，無貝類存在。

（3）水下板樁踏勘探摸檢測發(fā)現(xiàn)，板樁與板樁排列整齊，縫隙均勻清晰，未檢測到板樁移位、斷裂、變形、偏移等病害現(xiàn)象。

（4）中部水工結構水下反復踏勘探摸未檢測到其他病害存在。

3.3板樁墻后下方情況檢測

采用探地雷達對板樁墻后人行道地基淘空情況進行檢測。分別在距離碼頭前沿1.3m 和6.0m 的位置各布置一條平行于碼頭前沿的測線，其中港池中段1.3處為1#測線，6.0m處為2#測線，港池下游段1.3處為3#測線，6.0m 處為4#測線。對采集得到的原始數(shù)據(jù)，進行如下處理：

（1）確定地面反射波信號，調(diào)整信號零點;

（2）調(diào)整信號增益;

（3）利用水平疊加、背景去除消除雪花噪音干擾;

（4）無限響應濾波。

通過上述處理得到典型云圖如圖4所示。圖4中，橫軸為測線位置坐標，縱軸為剖面深度，從上到下依次解釋如下：0m 處強烈的反射信號為空氣與混凝土面層交界處;約0.25m 處有連續(xù)性反射，為混凝土面層與回填層分界;混凝土面層下方有一弧形反射區(qū)，疑似面層下脫空;對應位置下方，電磁信號反射明顯，疑似下方土體不密實。具體檢測結果見表1。

4結論

碼頭面層塌陷、鋼板樁接縫漏水等劣化問題的發(fā)生對結構的安全勢必產(chǎn)生影響，為及時掌握工程目前的健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部、水下存在的安全隱患，掌握結構的安全狀況，本文提出來采用缺陷外觀調(diào)查、水下探摸及探地雷達掃測相結合的方法綜合評定碼頭結構安全狀況，首先通過采用外觀普查，詳細了解碼頭存在的表觀劣化情況，然后對碼頭地表采用探地雷達進行掃測，重點排查存在的空洞缺陷范圍，查清碼頭面以下是否存在地表沉陷等問題，對板樁水下區(qū)域采用水下探摸進行板樁縫隙情況檢查，綜合判斷碼頭存在的劣化問題，全面準確地為碼頭的進一步加固設計和修復提供依據(jù)。

參考文獻：

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