某高桩码头桩基受力有限元分析及结构损伤研究

赵安平，李昊洁，俞红升，肖为民

(1.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京　100029；2.长江科学院 科研计划处，武汉　430010；3.中国建筑科学研究院 上海分院，上海　200023；4.北京市住宅建筑设计研究院有限公司， 北京　100005)



某高桩码头桩基受力有限元分析及结构损伤研究

赵安平1，李昊洁2，俞红升3，肖为民4

(1.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京100029；2.长江科学院 科研计划处，武汉430010；3.中国建筑科学研究院 上海分院，上海200023；4.北京市住宅建筑设计研究院有限公司， 北京100005)

为研究高桩码头桩基受力及结构损伤，对某高桩码头3类典型断面进行有限元数值模拟，并对基桩进行承载力计算分析;之后，将数值模拟结果与现场桩基结构损伤检测结果作比较，二者吻合较好，从而验证了理论分析的正确性，并最终给出受损部位的加固措施。根据基桩承载力有限元分析及实测结果，可以断定基桩顶部(距桩帽下方1～2m)为最易受损部位；对于码头3种断面类型，应尽量避免使用断面1、断面2的形式，原因是这2类断面的水平承载力太小，极易受水平力作用而在使用过程中发生损坏；提出2种加固基桩受损部位的措施，增大桩帽截面法和钢抱箍法，但在具体修复时，应根据实际情况在考虑时间因素、经济效益的前提下，认真总结比较这2种措施的优缺点，灵活选用修复措施，对桩基受损部位进行妥善处理。

桩基工程；高桩码头；有限单元法；结构损伤；承载力分析；加固措施

1　研究背景

高桩码头是淤泥质海岸及河口地区普遍采用的一种码头结构形式，主要由混凝土大管桩、前后承台和回填区组成。此类码头一般情况下的使用寿命为15a，但建成后10a之内,往往会出现不同程度的损伤，甚至危及码头的安全运营。据对我国使用7～25a的高桩码头进行的抽查结果发现，有损坏或严重损坏的比例高达89%。但目前我国大多数的高桩码头都没有进行系统的健康监测和诊断[1-3]。

造成高桩码头结构损伤的原因主要为：

(1) 施工质量。对于这种长40～50m的混凝土大管桩，打桩偏心和打桩振动经常会导致桩体局部破损甚至断桩。另外，在回填区进行的抛石回填作业也会引起附近管桩大位移侧弯，从而产生局部损伤。

(2) 环境侵蚀和材料老化。在潮水涨跌及浪溅区段，水压力对混凝土管桩内裂缝的扩张作用，以及盐水侵蚀作用也容易导致结构的局部损伤。

(3) 载荷的长期效应和船只撞击等突发效应都有可能造成结构的损伤。

(4) 码头不均匀沉降和水平位移[4]。

当运营期码头的前沿水深不能满足泊位需要时，通常通过清淤捞浅来加大水深，而为了与陆上交通相衔接，码头后方却往往必须填高。这种前挖后填的人为施工以及水下岸坡冲淤演变势必造成码头结构体系受力条件的改变，引起码头前后承台的不均匀沉降，以及码头结构的水平位移。这种码头位移有时可达几十厘米，由此产生的事故在我国港口工程中屡见不鲜[5-10]。

另外，打入地基的桩将上部结构的荷载传到地基深处，基桩除了支撑上部结构外，同时对码头挡土墙区域的岸坡有稳定作用，可见基桩在高桩码头结构中起关键作用[11]。但是，由于基桩受到后方土体蠕动、码头变形作用造成基桩倾斜变位甚至断裂的现象时有发生；低潮时受船舶撞击造成基桩破损、倾斜甚至断裂缺失的事故频发；还有其他原因引起的基桩破损也很多[12-15]。因此，本文在具体分析某高桩码头基桩病害的基础上提出2种加固措施，并对这2种不同的加固修复方案进行对比研究，分析和研究结果将对类似港口码头的安全运营及当地人们的生命财产安全有重要的意义。

2　数值案例分析

2.1码头概况

某码头于1990年建成，总长450m、宽38.5m；采用高桩板梁结构，排架间距8.0m，上部结构采用现浇横梁、预制纵梁、预制面板，基础采用ø1200PHC管桩，桩长18～31m，图1为码头泊位现场照。

图1　某高桩码头现场照片Fig.1　Scene photo of a high-piled wharf

针对某高桩码头结构特点，依据高桩码头桩型的不同，对受损原因进行机理分析。

模型为准三维模型，在垂直纸面方向拉伸1m的厚度，原点设在挡土墙与平台连接处。考虑码头和平台之间的地震缝(6cm)及平台与挡土墙之间的地震缝(10cm)。

图2　断面1各部件尺寸及有限元模型1Fig.2　Size of each part of section 1 and finite element model 1

2.2码头断面尺寸和模型概化

码头常见的断面形式有3类，分别是无斜桩(断面1)、对称斜桩(断面2)、非对称斜桩(断面3)。

断面1的轮廓尺寸和有限元模型如图2所示，断面2、断面3的轮廓尺寸如图3所示。

图3　断面2和断面3各部件尺寸Fig.3　Size of each part of section 2 and section 3

由图2和图3可知，相对于断面1，断面2少了3排直桩D#，E#，G#，但增加了2排对称的斜桩D#，F#；相对于断面2，断面3仅增加了一排斜桩H#。除此之外，3类断面其他直桩布置基本相同。

高桩码头不仅要承受码头面较大的竖向荷载，同时又要承受较大的水平荷载，如水平地震荷载、船舶系缆力、船舶撞击力、船舶的挤靠力等，因此常在前后轨道梁下设置斜桩以抵抗较大的水平和垂直荷载。高桩码头斜桩布置时，为避免与前后直桩碰桩，斜桩通常会偏转一个角度；此外，高桩码头所承受的水平荷载并不一定是沿横向的(如系缆力和水平地震荷载等)，工程上往往要求斜桩还能在一定程度上抵抗其他方向的水平力，即需设置一定的扭角。桩基中不同位置斜桩的不同扭角方向便形成不同的斜桩布置形式[16]。

2.3参数选取

材料参数和荷载参数的选取分别见表1和表2。

《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)规定峰值加速度达到0.15m/s2时必须考虑地震的影响，但由于该码头所在地区峰值加速度为0.1m/s2，故本次计算未考虑地震力的作用。

表1　材料参数Table 1　Parameters of materials

表2　荷载参数Table 2　Parameters of loads

2.4基桩承载力分析

为了获取基桩沿桩身每个部位的内力，依次从下到上平均布置30个监测点，并最终导出每个监测点处的轴力、弯矩和剪力值。

2.4.1轴力

码头模型3类典型断面基桩轴力分布如图4所示。从基桩轴力分布图可以看出：排除桩顶和桩土连接处对桩约束的影响，各桩所受轴力大小基本为一恒定值。但因为断面类型不同，轴力最大值分布略有不同，具体来说：第1类码头断面均为直桩，除G#桩轴力略大，其他3排桩所受轴力大小几乎相等；第2类码头断面为1排直桩，2排对称的斜桩，结果显示，直桩和受推力的斜桩轴力较大，受拉力的斜桩轴力较小；第3类码头断面为1排直桩，3排斜桩，计算结果显示，最后排受推力的斜桩轴力最大，其他3排桩轴力大小接近。

图4　各断面轴力Fig.4　Axial forces of each section

2.4.2弯矩

码头模型3类典型断面基桩弯矩分布如图5所示。从基桩弯矩分布图可以看出：3类码头模型均是桩顶(距平台-2.5～-3.5m)即桩帽下方的弯矩最大。仔细分析发现：弯矩最大值出现在断面2的斜桩上。

图5　各断面弯矩Fig.5　Bending moments of each section

2.4.3剪力

码头模型3类典型断面基桩剪力分布如图6所示。从基桩剪力分布图可以看出：忽略其他偶然因素的影响，3类码头模型均是桩顶即桩帽下方-2.5～-4.5m处的剪力最大，其他部位所受剪力较小，进而推断出桩帽下方为最易损部位。

综上所述，将基桩各部位所受内力(轴力、弯矩、剪力)大小进行叠加可以看出，桩顶处(即桩帽下方)所受内力最大，换句话说，基桩最易受损的部位位于桩顶。另外，仔细分析3类断面，可以发现：断面1和断面2的基桩所受内力值较断面3的大，是较易受损的2类断面，今后应尽量避免使用此类断面。

图6　各断面剪力Fig.6　Shear stresses of each section

3　现场检测结果分析

对码头整体探摸、检测，包括现有码头水下基础、上部结构及附属设施和岸坡等，利用RS-CK电子裂缝测宽仪检查混凝土结构的裂缝情况(包括裂缝数量、位置、走向、宽度、长度及典型裂缝的深度等)，利用ZBL-U520非金属超声检测仪检测混凝土表观缺陷情况(包括剥落位置及区域程度)，特别是桩顶与梁或桩帽结合处的完整性情况[17-20]。

图7　基桩裂缝及混凝土破损现场照片Fig.7　Scene photos of broken pile andconcrete cracks

3.1桩顶范围裂缝和混凝土破损

根据结构外观检查结果，部分基桩顶部2m范围内存在裂缝情况(如图7所示)；码头部分基桩与上部结构结合处存在一定的缝隙。值得一提的是，断面2桩顶破坏的基桩主要集中在码头后排斜桩，根据经验判断，基桩桩顶裂缝主要是因为打桩过程中桩顶局部应力偏大和斜桩施打过程中容易形成偏心受力造成。

3.2桩顶与上部结构结合处缝隙

码头部分基桩与上部结构结合处存在一定的缝隙，根据现场勘查，存在缝隙的基桩位置并无明显规律，且缝隙周边混凝土未发现局部松散脱落，根据经验判断，此部分缝隙是因上部现浇混凝土的收缩造成，且缝隙已处于稳定状态，未继续开展。

3.3基桩接头

本工程采用大直径预应力管桩(以后简称大管桩)，大管桩使用每4m一节总体拼装工艺。桩顶处预留排气排水孔。根据现场勘查，低潮时，部分孔洞高于潮面，此时桩芯内部水面与孔洞齐平，不随潮面变化，证明基桩接头处理较好，未发生渗水现象；同时，通过观察表观情况，接头处粘接处理完好，接头外表面亦未发现渗水现象。

总之，根据现场病害调查结果，进一步验证了数值分析的正确性。

4　受损基桩加固措施建议

(1) 采用增大桩帽截面的办法，即原桩帽外侧再浇筑一圈强度更高的混凝土层，从而起到提高桩基(特别是桩顶处)承载力的作用。

(2) 采用钢抱箍法加固受损基桩。通过对桩基的受损部位设置钢抱箍，在桩基上增加了环向约束力，同时也增加了该部位桩基的截面刚度，提高了该部位桩基的水平抗剪能力，可有效对受损桩基进行补强，最终满足桩基的承载力要求。

上述2种方法均可实现加固基桩受损部位、提高桩基承载力的效果，但2种措施均有优缺点：前者的优点是一次性加固完毕后无需后期维护，缺点是施工难度大、施工周期长；后者的优点是工艺简单、操作方便、施工周期短，缺点是钢抱箍易被海水腐蚀，后期维护费用大。

5　结论与建议

本文通过对某码头典型断面进行数值模拟，并分析各断面下基桩的承载力，进而确定可能受损的部位，再结合现场检测结果，进一步验证了理论分析的正确性。所得结论与建议如下：

(1) 通过对基桩承载力进行详细分析，大致确定基桩顶部(即桩帽下方1～2m)为最易受损部位。对比分析有限元数值计算与现场检测结果可知，两者吻合较好，说明数值计算的结果是准确、合理的。

(2) 对于码头3种断面类型，应尽量避免使用断面1和断面2的形式，由于断面1只有直桩，因此在水平力较大时桩基将面临危险；而断面2虽然布置了斜桩，但数量太少，水平力主要由第2根斜桩承担，因此极易受剪力作用而在使用过程中发生损坏。

(3) 在具体修复基桩受损部位时，应灵活选用加固措施，在考虑时间效应、经济效益的前提下，认真总结各种措施的优缺点，对桩基受损部位进行妥善处理，这将对此类码头的安全运营起到至关重要的作用。

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(编辑：黄玲)

Finite Element Stress Analysis and Structural Damage Researchof Pile Foundation of High-piled Wharf

ZHAOAn-ping1,LIHao-jie2,YUHong-sheng3,XIAOWei-ming4

(1.InstituteofGeology&Geophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2.Planning&ProjectManagementDepartment,YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China; 3.ShanghaiInstitute，ChinaAcademyofBuildingResearch,Shanghai200023，China;4.BeijingInstituteofResidentialBuildingDesign&ResearchCo.Ltd.，Beijing100005,China)

Inordertostudythestressandstructuraldamageofhigh-piledwharf,wesimulatedthreekindsoftypical

pilefoundations；high-piledwharf；finiteelementmethod；structuraldamage；bearingcapacityanalysis；reinforcementmeasures

2015-07-02；

2015-08-19

赵安平(1982- )，男，山西大同人，博士研究生，主要从事岩土工程、地质工程等方面的科研工作，(电话)010-82998221(电子信箱)Yzhaoanping0205@163.com。

10.11988/ckyyb.20150550

2016,33(09):128-132，137

P473

A

1001-5485(2016)09-0128-05

sectionsofahigh-piledwharfbyusingfiniteelementmethod,andanalyzedthepilebearingcapacity.Then,wecomparedthesimulatedresultwiththedamagedetectionresultofpilefoundationstructure,andtheresultscoincidewitheachother,verifyingthecorrectnessoftheoreticalanalysis.Finally,wegavethereinforcementmeasuresforthedamagedparts.Accordingtothefiniteelementanalysisofpilebearingcapacityandmeasuredresults,weconcludedthatpiletop(1-2mfrombeneaththepilecap)isthemostvulnerablepart.Forthethreetypicaltypesofcrosssections,weshouldtrytoavoidusingtheformsofsectiononeandsectiontwo.Becausethehorizontalbearingcapacityofthetwotypesofcrosssectionistoosmallsothatthepilesarelikelytobedamagedbyhorizontalforceintheprocessofuse.Besides,weputforwardtwomeasuresofreinforcingthedamagelocationsofpilesbyenlargingpilecapsectionandbysteelhoop.Butinconcreterepair,underthepremiseofconsideringtimefactorandeconomicbenefits，weshouldflexiblychooserepairmeasuresbasedonsummarizingandcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmeasurestotreatthedamagedpositionsofthepilesproperly.