高桩码头安全评估中桩身完整性检测比例的探讨

陈灿明， 苏晓栋，何建新，胡烨之，黄卫兰

（1.南京水利科学研究院 水利部水科学与水工程重点实验室，南京 210029；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

高桩码头安全评估中桩身完整性检测比例的探讨

陈灿明1， 苏晓栋1，何建新1，胡烨之2，黄卫兰1

（1.南京水利科学研究院 水利部水科学与水工程重点实验室，南京 210029；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

在役高桩码头检测评估中桩身完整性是必测项目，根据现行水运行业标准一般采用低应变反射波法，抽检数量不少于桩总数的10%或20%，且不得少于10根，当检测发现缺陷桩时，应扩大桩的抽检比例。根据多年在役高桩码头安全检测评估、尤其是交通运输部开展码头靠泊能力核查和沿海港口码头结构加固改造工作中遇到的问题，通过现行水运工程和相关行业规范的对比分析，结合桩基完整性检测割桩损伤对码头水平承载力影响计算结果，探讨了桩基完整性检测抽样比例的合理性。提出在役高桩码头安全检测应以码头桩基施工质量合格为基础，以排除运行过程中产生的安全隐患为目的。安全检测时只需考虑在役高桩码头运行年限、靠泊方式、运行环境、异常靠泊率和结构型式等运行因素，选择较不利受力以及外观检查中桩基完整性存疑的桩基作为对象进行验证检测。

在役高桩码头;桩基完整性;检测;评估;比例

作为水运大国，截至2015年末我国港口拥有生产用码头泊位31 259个，其中万吨级及以上泊位2 221个（10万t级及以上泊位331个），2015年全国港口完成货物吞吐量127.50亿t[1]。随着新建码头大量投入使用以及原有码头运行年限的增加，码头运营中不可避免出现运行损伤和结构老化病害，需要对码头结构进行定期检查、定期测量观测、定期检测和特殊检测，以确保其运行安全[2-4]。

在役高桩码头安全检测中桩身完整性是必测项目，一般采用低应变反射波法，抽检数量按现行水运标准规定为不少于桩总数的10%或20%，且不得少于10根，当检测发现缺陷桩时，应该扩大桩的抽检比例。在役高桩码头桩基完整性检测时需要在桩身切出传感器安放平台和激振平台，引发桩基局部截面减少和应力集中效应。由于码头运行年限、使用环境和运行条件千差万别，统一按桩总数的10%或20%来抽样检测明显不甚合理[5]。为此，南京水利科学研究院设立了中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目《已建码头基桩检测损伤对承载能力的影响分析与检测方法改进研究》，研究桩基完整性检测损伤对码头水平承载力的影响[6]。

本文通过对现行水运行业标准的分析，对比相关行业规范、结合桩基完整性检测损伤对码头水平承载力影响计算结果，对在役高桩码头安全检测时桩基完整性检测抽样比例的合理性进行探讨。

1 现行有关规范对检测数量的规定

采用钢筋混凝土桩基的高桩码头，安全检测中桩身完整性是不可缺的检测项目，抽测比例一般依据《港口码头结构安全性检测与评估指南》2011（以下简称“2011指南”）和《港口工程桩基动力检测规程》JTJ 249-2001（以下简称“JTJ 249规程”）。为了和相关行业标准比较，对运用较为广泛的《建筑基桩检测技术规范》JGJ 106-2014（以下简称“JGJ 106规范”）的有关规定作简要介绍。

（1）2011指南。该指南规定，混凝土桩桩身完整性检测采用JTJ 249规程推荐的反射波法。由于在役高桩码头桩顶有桩帽或其他构件，现场检测时可在桩头侧面分别切割出传感器安放平台和敲击平台，抽检比例和具体位置可视具体情况确定，一般抽检数量不少于总数的20%，且不少于10个构件，如出现缺陷桩时，应扩大抽检比例。

（2）JTJ 249规程。该规程适用港口工程混凝土预制桩、灌注桩的低应变检测。低应变动力检测桩身完整性宜采用反射波法。对于混凝土预制桩，检测桩的桩数不宜少于总桩数的10%，并不得少于10根；对于混凝土灌注桩，宜全部进行检测。

（3）JGJ 106规范。该规范规定，建筑桩基设计等级为甲级，或地质条件复杂、成桩质量可靠性较低的灌注桩，抽检数量不应少于总桩数的30%，且不得少于20根；其他桩基工程的抽检数量不应少于总桩数的20%，且不得少于10根；每个柱下承台检测桩数不应少于1根。

2 现行标准规定合理性探讨

2.1 规程适用范围的分析

通过对水运工程和工民建现行行业标准的编制说明、总则、一般规定、专门规定和条文说明等内容的解读，分析理解各标准中对桩基完整性抽样比例规定的目的。

（1）2011指南是专门为在役码头的检测评估而制定的，它是西部交通建设科技项目 “西部港口码头安全性检测评估技术研究”课题的主要研究成果，是为了促进我国港口码头健康、持续发展，针对在役码头结构安全性检测与评估的特点，对现有技术水平侧重于实用性进行总结，指导沿海港口码头靠泊能力论证和结构加固改造工作，全面掌握港口码头结构的健康状态，并为码头安全管理和后续维护采取相应措施的决策提供依据，同时为相关技术标准制订和修订提供技术积累基础上编制的。它以《港口水工建筑物与评估技术规范》JTJ 302-2006为基础，对在役码头结构安全性检测与评估技术进行总结，将规范中安全性检测与评估的原则性规定进行了细化，初步建立了码头结构安全检测与评估的技术体系，大大增强了可操作性。因此该指南规定的抽样比例可以理解为专门针对在役高桩码头检测评估的。

（2）JTJ 249规程虽然没明确说明适用在建码头的质量检测还是适用在役码头的检测，但规程指出，桩基是港口工程的主要基础形式之一，桩基承载力及桩身完整性检测结果能否合格关系到工程的安全。桩基动力检测是检测桩基承载力和桩身完整性的有效手段之一，工程中普遍采用。它在保证工程质量、提高桩基检测技术水平和创造社会经济效益等方面均取得了丰硕成果。规范出于统一港口工程桩基动力检测方法和技术要求，有效控制工程检测质量为目的，总结我国十余年水运工程桩基检测技术经验基础上编制的。

从规程4.1.2条对抽样桩的分类和具体规定以及规程4.1.3条低应变动力检测时应具备资料等内容来看，规程明显是为了工程质量控制检测的。同时规程4.3.6条对上部有承台桩的检测方法作了规定，即可在桩侧竖向激振或承台面桩内范围重锤竖向激振，并在桩侧安装加速度传感器。

因此，JTJ 249规程中桩基完整性检测比例的规定是针对在建码头基桩施工质量进行检测的。

（3）JGJ 106规范是住房和城乡建设部颁布的行业标准，该规范编制的目的是为设计、施工及验收提供可靠依据（1.0.1条）。它将桩基的检测分为施工前为设计提供依据的试验桩检测和施工后为验收提供依据的工程桩检测（3.1.1条）。验收检测桩抽检时在均匀或随机布置的前提下，重点检测施工质量有疑问的桩、局部地基条件异常的桩、设计认为重要的桩和成桩工艺不同的桩（3.2.6条）。因此，从以上具体内容以及建筑工程桩基的运用情况分析，规范中对桩基检测数量规定属于工程质量的控制检验。

2.2 检测损伤对桩基水平承载的影响分析

为研究在役高桩码头桩基完整性检测损伤对水平承载的影响，南京水利科学研究院设立了中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“已建码头基桩检测损伤对承载能力的影响分析与检测方法改进研究”，项目以长江下游某5万吨级高桩码头为例，采用ANSYS建立单桩和整体有限元模型，计算分析水平荷载作用下桩基预应力水平、损伤形状、损伤位置、损伤大小、桩基倾斜度等因素对桩身应力的影响[7-9]，其中C型PHC桩割桩后预应力释放状态见图1，水平荷载作用下桩基损伤处应力状态见图2，损伤处沿高度应力分布见图3。研究成果表明：

图1 割桩处预应力释放云图Fig.1 Prestress release contour on the cutting damage

图2 水平荷载作用下损伤处应力云图Fig.2 Stress contour on the pile cutting damage under horizontal load

图3 损伤处应力沿高度分布图Fig.3 Pile stress along the height of cutting damage

（1）在役高桩码头桩基完整性检测损伤后，水平荷载作用下损伤处产生应力集中，应力急剧增大，桩身最不利截面由桩顶移至损伤平台处，桩身最大应力比损伤前显著增大。

（2）桩基损伤产生的应力集中是局部的，影响范围一般是损伤高度的1.4～7.5倍。

（3）预应力桩在损伤处有明显应力释放，损伤处产生较大的局部应力。

（4）水平荷载作用下损伤处的应力集中系数与预应力水平无关。

（5）在半圆柱体、长方体和半圆锥体三种损伤中，半圆柱体损伤对桩身应力分布影响最小，半圆锥体损伤最大，应力集中系数为3.271～4.690。

（6）损伤位置变化对损伤处应力集中系数影响不大，但桩顶一定范围受桩身应力分布的影响，位置越接近横梁桩身应力越大，损伤后受应力集中影响桩身应力更大。

（7）损伤底面大小改变对桩身应力集中影响明显大于高度的改变，损伤半径越大，桩身应力集中程度和影响范围越大；损伤高度增大时桩身应力集中程度有小幅下降。

（8）倾斜度对损伤处的应力集中系数影响不大。

2.3 现行规定在执行中的问题

根据多年在役高桩码头安全检测评估、尤其是交通运输部开展码头靠泊能力核查和沿海港口码头结构加固改造工作实践中遇到的问题，发现2011指南中关于混凝土桩桩身完整性检测抽检数量不少于总数的20%的规定不合理，有调整必要，试举二例说明。

长江下游某5万吨级高桩码头由码头平台、系缆墩和引桥三部分组成，平台分前、后方桩台，三座引桥与后方陆域相连接，桩基采用预应力钢筋混凝土空心方桩，前方桩台455根，后方桩台198根，系缆墩22根，引桥99根。按照2011指南抽检数量不少于总数20%的规定，码头安全检测时需要检测155根桩的完整性。不仅检测时割桩工作量大，更重要的是检测损伤对码头结构安全性和耐久性都会产生不利影响。实际上对于施工质量验收合格的码头后方桩台和引桥桩基主要承担竖向荷载作用，所受水平力很小，正常运行时其完整性应不会改变。

某业主自备5 000吨级高桩码头平台采用钢管桩，引桥和吊机桁架基础为￠800 mmPHC桩。安全检测和评估时投入运行刚满5 a，且使用频率低。对于该码头完全不承受船舶荷载作用PHC桩基按20%进行完整性检测明显不合理。

根据多年检测经验，对于正常运行且未过出现事故的在役高桩码头后方桩台和引桥等不承受船舶荷载的钢筋混凝土桩基，还未检测出有完整性问题。这些区域的桩基完全可以通过外观检查分析确认，只有外观检查存疑的桩基才需要低应变检测验证，而不宜硬性规定按20%的比例进行检测。

2.4 修改建议

（1）明确检测目的，根据不同检测目的，细化对抽样比例的规定。目前，水运工程中桩基施工质量检测一般依据JTJ 249规程，在役码头的检测评估多依据2011指南。水运工程中桩基施工质量检测，需要考虑工程的全覆盖、成桩工艺、局部地质变化以及工程桩的重要性等因素，规程有针对性地规定混凝土预制桩按不少于桩总数的10%并不少于10根、混凝土灌注桩全部检测是恰当的。

在役高桩码头安全检测是以码头桩基施工质量经检验合格且通过验收为基础，以排除运行过程中产生的安全隐患为目的。因此完整性检测时不需要考虑成桩工艺、局部地质变化等施工因素，只要考虑运行这一因素，选择较不利受力以及外观检查中桩基完整性存疑的桩基进行验证检测。若完整性检测比例过高反而会人为降低码头的安全性和耐久性。

由于在役高桩码头桩基完整性检测时不需考虑施工因素，只要综合分析码头投入运行年限、靠泊方式、运行环境、异常靠泊率和结构型式等运行因素，按不少于总桩数的20%抽检明显不合理，有必要进行调整。

（2）对在役高桩码头桩基完整性检测数量的建议。鉴于桩基完整性检测割桩对在役高桩码头结构有一定损伤，影响码头整体安全和耐久，因此应根据码头运行年限、运行条件、异常靠泊率和结构形式等因素，在外观检查后合理确定桩基完整性检测数量。

① 在役高桩码头桩基完整性检测应在码头运行调查和现场外观检查基础上，选择受力不利、运行中有可能出现损坏的桩基进行完整性检测，当理论分析和现场检查可确定桩基完好时，可抽少量桩基进行完整性验证检测。

② 根据在役高桩码头结构受力特点，选择横向排架中受力最不利的桩基、结构段端部横向分配系数较大排架的桩基作为重点进行检查和检测。

③ 曾经出现过异常靠泊的在役高桩码头，经常靠泊排架、设置大型系缆设施或系缆频繁排架的桩基，现场检查怀疑有可能出现损伤的桩基应进行完整性检测，一旦发现问题应扩大检测范围。

④ 对于运行年限短、靠泊频率低、采用拖轮助靠且从未出现过异常靠泊的在役高桩码头、不靠泊或不经常靠泊部位（如引桥、后方桩台等），现场通过检查可确认完好的桩基可少量检测验证或不进行完整性检测。

⑤ 桩基完整性检测的割桩对在役高桩码头水平承载能力和钢筋混凝土结构的耐久性有不利影响，检测后要采取有效措施修补。

3 结语

在役码头的安全检测与评估对于确保码头的安全运行具有重要作用，本文根据多年码头安全检测评估、尤其是交通运输部开展的码头靠泊能力认证和沿海港口码头结构加固改造工作实践，对在役高桩码头桩基完整性检测抽样比例规定进行了探讨。通过现行水运行业标准的编制原则、适用范围、具体规定等内容的分析，借鉴相关行业标准的规定，结合现行标准在实际运用过程中存在的问题，认为现行行业标准规定的桩基完整性检测比例对于在役高桩码头偏高，不仅检测工作量大，而且对码头的安全性和耐久性有不利影响，有修改的必要。建议在役高桩码头桩基完整性检测时不必考虑施工方面的因素，只需针对码头的运行条件，选择受力不利和外观检查中完整性存疑的桩基进行完整性检测。

[1] 中华人民共和国交通运输部,2015年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].(2016-05-06)[2016-10-15].http://zizhan.mot.gov.cn/ zfxxgk/bnssj/zhghs/201605/t20160506_2024006.html

[2] JTS 310-2013,港口设施维护技术规范[S].

[3] 张建国,孙建澎.高桩码头维护检测有关问题的探讨[J].水道港口,2001,22(1):40-43. ZHANG J G,SUN J P.Discussion on Maintenance and Inspection for Open Type Pier on Piles[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2001,22(1):40-43.

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[5] 陈灿明,黄卫兰,苏扬,等.加固改造码头检测和评估方法与有关问题探讨[C]//吴彭，戴济群.第八届港口工程技术交流大会暨第九届工程排水与加固技术研讨会论文集.北京：中国水利水电出版社，2014.

[6] 陈灿明,李瑜,黄卫兰,等.已建码头基桩检测损伤对承载能力的影响分析与检测方法改进研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2016.

[7] 张淼,陈灿明,黄卫兰,等.在役高桩码头中低应变检测法的应用[J].水运工程,2014(10):81-84. ZHANG M,CHEN C M,HUANG W L,et al.Application of low strain test for high-pile wharf in service[J].Port & Waterway Engineering,2014(10):81-84.

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[9] 李瑜,张国安,陈灿明,等.高桩码头桩基损伤形状及大小对结构的影响分析[C]//中国海洋工程学会.第十七届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2015.

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

南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（Y415003）

陈灿明（1962-），男，江苏靖江人，教授级高工，主要从事水运工程的试验、检测和安全评估工作。Biography:CHEN Can-ming(1962-),male,professor.