天津港突堤转角处高桩码头后承台构件相对错位破损原因-2007.1.22

2007年6月第3期总第149期巾国港湾建设ChinaHarbourEnginee—ngJun．，2007Total149．No．3天津港突堤转角处高桩码头后承台构件相对错位破损原因李越松，张勇，王笑难(交通部天津水运科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术实验室，天津300456)摘要：近几年天津港多个突堤转角处的高桩码头岸坡变形比较明显，导致码头后方承台结构构件出现明显的相对错位、变形等破损情况，严重影响了码头结构物安全。通过对破损状况的调查统计，总结出了破损的特点，对破损的原因进行了理论分析，并用原型观测和数模计算结果进行了验证。原型观测结果表明：码头岸坡内的淤泥质粘土层为水平位移最明显土层，靠近挡土墙的大部分桩顶都出现了不同程度的向陆侧倾斜，这与实际见到的桩端倾斜状况完全相符。数模计算结果除验证了原型观测的结果以外，还发现仅在后方堆场堆载工况为最危险情况，是造成岸坡变形和后方承台构件相对错位的主要原因。关键词：天津港；高桩码头；突堤转角；岸坡变形中图分类号：U656．113文献标识码：A文章编号：1003—3688(2007)03—0017—04CaUsesofDamageResultedfromRelatiVeDisplacementofBearingPlatformofPiledWharfsatCornersofPiersinTianjinPortLIY．ue-song，ZHANGYbng，WANGXiao—nan(Dcpa咖entofTechniquesforTesting，Diagnostics＆Reinforc锄entofMaritimeStmctures，TianjinPort&WaterwayEngineeringResearchInstitute，MinistryofCommunications，Tianjin300456，China)Abstract：Inrecentyears，evidentdefomationofshoreslopeforpiledwharfoccurredatmanycomersofpiersinTianjinPon，resultinginrelativedisplacementanddeformationofinshorestructures，whichgrievouslyaf佟ctsthesafetyofwharfstmctures．Basedontheinvestigationandstatisticsofthedamagetothewharfstructures，thecharacteristicsofthedamageweresummarizedandthecausesofthedcformationweretheoreticallyanalyzed，whichwereverifiedbvneldobservationandmathematicmodels．TheresultsoffleldobservationshowedthatmuckyclayintheshoreslopeofthewharfswasthestratumwiththemostobvioushorizontaldisplacementandmostofthepileheadsclosetotheretainingwalIsinclinedtowardsthelandtodif琵rentdegrees，agreeingwellwiththeinclinationofpileheadsasobservedonsite．Theresultsofthemathematicmodelshavenotonlyverifiedtheresultsofthefieldobservationbutalsodiscoveredthattheworstsituationoccurredwhencargoswereplacedonlyonthestackingyardsbehindthewharfs，whichwasthemaincauseforshore—slopedeformationandtherelativedisplacementofbearingplatformsofthewharfs．Keywords：TianjinPort；piledwharf；piercomer；slopedefomation天津港是我国北方第一大港，港口的平面布置呈突堤式，岸坡与码头通过接岸结构相连。近几年进行的码头调查发现多个突堤转角处码头靠近接岸结构的后承台桩、梁、板问出现了很明显的错位，而且这些错位呈逐年增大的趋收稿日期：2007一01—22基金项目：天津市应用基础研究面上项目(06YFJMJc06000)作者简介：李越松(1977一)，男，河北廊坊人，助理研究员，主要从事港口结构研究。势。较严重的为靠近后方挡土墙的基桩与简支横梁出现较大的错位(最高达15cm)，使得横梁的搭接长度大大缩小，局部压应力过大使得很多桩帽发生了劈裂；有的横梁因轴向力太大已被挤拱，搭接点已脱开桩帽出现了悬空现象。2005年3月个别后方承台面板因横梁和面板相对错动过大导致搭接长度过小而产生了塌陷现象，严重威胁到码头的结构安全和作业安全。本文通过对破损状况的调查统计，总结出了破损的特点，对破损的原因进行了理论分析， 万方数据 均角现每秀，转出嬲型蝴蹴萎}{|彗鼢相靠部氐尉甄常越端畅拗艇非且上”鞑州一一一一～～状位排0脚一涨姚衅圳鳓¨破向的图鞫鸭的双墙如麟钟蝴黼蝴瑚撇一嘶枞靴喇删删一一一一～一贰一一一一一一一嘞。捌i|||确。懒鼬头码，来位区邬陶酊黼龇躯娜构资件艳臣影计构勰～酸图一～一～一蚴黜濑触㈣检头于剃阻的码位渤荆头桩多则彰一一～一一辖处置班创懈撇懒撇獬港转的孵扔懒黼龇黼胀天突发肚跏对于：象～鳅楸一氘獭砒蝴 万方数据 2007年第3期李越松，等：天津港突堤转角处高桩码头后承台构件相对错位破损原因·l9·图3桩帽与横梁闻严重错位及销筋锈断图4桩端向岸侧倾斜特别是在一4．0—一16．Om左右的土层土性更弱，呈流塑状态。天津新港地区发生的土层失稳大多在这个深度范围内，如上世纪70年代钢铁码头的浅层滑动，1997年的南疆非矿码头圆弧滑动，2006年的东疆预制场护岸滑坡等，这也是天津新港地区打设排水板排水加固深度一般均达到一16m左右的根据。从现场取样指标与上世纪60年代的地质钻孔资料对比发现，码头岸坡区的土性改善不大，说明在自重条件下岸坡土体固结速度很慢。从后承台构件错位破损的形态和特点可以判断，码头岸坡变形是发生破损的直接原因。码头岸坡土体的位移推动桩基位移，致使桩帽同横梁间产生了明显的相对错动现象。岸坡土体位移的原因分析如下：(1)岸坡土体陛质和码头接岸结构型式是发生破损的内在因素。码头承台下的岸坡区，多数没有打排水板加固处理，即使打过排水板，由于无法施加附加应力，仅在土体自重下也不能达到很好的固结程度，因而即使码头已营运二三十年，承台下岸坡土体的土性也改善无几。因而，码头下方的岸坡土体在外力作用下是非常敏感的。码头后方堆场下卧土层曾打排水板进行过软基加固处理，并且在长期堆载作用下沉降已经趋于稳定。然而由于岸坡土体中淤泥质粘土层等软土的含水率很高，呈流塑状态，在垂直附加应力作用下会产生较大的水平向变形，在约束较弱的岸坡临空面方向位移相对较大。在后方土体的推动作用下，码头承台下的岸坡区土体被朝海侧方向挤压，带动桩基发生水平向位移，形成桩帽同上部结构间产生错动的动力来源。对于深层重力式挡土墙或板桩式挡土墙式码头，挡土墙能够阻断后方土体向前的挤压，阻断了传递后方水平力的通道，使得传递到桩基上的土压力很小，所以不会造成上述错位破损情况。所以说，岸坡土体本身的性质和挡土接岸结构型式对岸坡变形的状态有重要影响，是造成岸坡变形的内在因素。另外，桩帽与横梁间连接销筋的锈断也为错位破损创造了必要条件。本来桩帽与简支横梁间有4～6根≯25销筋连接作为横向约束，为了保证支撑面平整接触良好，保护销筋不外露防止产生锈蚀，在安装预制梁时，一般要在桩帽顶面上湿铺3cm厚砂浆找平层。限于当时施工条件，一般没有按抗冻要求配置，加上长期的浪花飞溅区的淘刷，建成后近20年时，大多数原铺垫的砂浆层均已侵蚀掉，所剩无几，销筋全部外露，在含盐量很高的水气作用下加快了锈蚀速度，使钢筋断面损失达2／3以上，有的甚至已经锈断。因而，这时的桩帽与横梁间的横向约束已经大大削弱，几乎到了无约束状态。所以当推力能量超过残存的横向约束能力时，就会产生横向变位。这也是为什么营运二三十年后才发生这种情况的原因。突堤转角区域码头后承台结构由于受到两个方向岸坡土体的作用力，所以表现出明显的双向错位的特点。(2)码头后方堆场荷载骤然增大是发生破损的外部因素。那么，为什么破损现象发生在最近几年，而在2000年以前没有发生呢?经过对历年天津港吞吐量的调查发现，1952年10月17日天津新港重新开港，当年货物吞吐量不足74万t。1974年货物吞吐量突破1000万t，用了22a时间。1988年全港货物吞吐量突破2000万t，用了14a。然而自1993年以来的近10a，保持平均每年以千万吨级的速度递增，10a净增吞吐量1亿t。尤其是在2000年以后，随着我国经济的迅猛发展，港口亦得到了前所未有的大发展，天津港吞吐量迅猛增长，2001年成为中国北方第1个亿吨国际大港。2003年完成货物吞吐量1．62亿t，集装箱完成240．8万箱。到2006年底吞吐量已接近3亿t。由此不难看出，最近几年港口吞吐量以前所未有的速度直线递增。天津港码头大多修建于几十年前，最近几年无论是从码头作业荷载的强度和作用频率来讲，都远非昔比。然而也恰恰是在最近几年突堤转角区域后方承台出现了破损情况，这种因果关系是显而易见的。码头作用荷载骤然增大打破了2000年以前码头和岸坡土体的相对稳定平衡状态，增大的附加应力使岸坡又产生了较大的位移和变形，这是导致破损情况出现的重要外因。4原因分析验证4．1原型观测结果结合研究工作的需要，本课题进行了岸坡内部土体的水平位移和沉降观测、码头后方承台桩端倾斜观测、码头区域地面沉降观测等原型观测项目。原型观测结果初步揭示了码头岸坡内的淤泥质粘土层为水平位移最明显土层， 万方数据 ·20·中国港湾建设2007年第3期岸坡土体总的位移趋势是向海侧临空面方向，靠近突堤转角区域比顺岸直线段岸坡内部土体水平位移大，且双向位移特点更明显。岸坡内部土体沉降位移在较小的范围之内浮动，各测点有时上升有时沉降，但总维持在一个平均值附近。观测结果表明靠近挡土墙的大部分桩顶都出现了不同程度的向陆侧倾斜，桩倾斜的速率逐渐减慢，这与实际见到的桩端倾斜状况完全相符。越靠近突堤转角，桩的倾斜位移越大，而且是向陆侧和突堤根部双向倾斜；越靠码头，顺直段桩的倾斜位移越小，而且主要表现为向陆侧的单向倾斜。4．2数模计算结果本课题利用了土体的弹塑性本构模型，建立了岸坡一高桩码头耦合体系的空间(三维)有限元模型，如图5所示，计算结果如图6所示。模型计算结果显示：(1)在岸坡区域，土体位移表现出斜向下的海侧方向位移的趋势，且越靠近坡顶处土体位移越大；坡顶处土体位移以沉降为主，同时伴有向海侧位移。沿深度方向上，岸坡土体基本呈现上部位移较小，中下部淤泥质土层位移较大，从粉质粘土层向下，土体位移迅速减小并趋于稳定。(2)突堤转角区域岸坡土体的位移相比于顺岸段的位移要大，而且呈现明显的双向位移特点。(3)仅在后方堆场布置荷载的工况下，岸坡土体位移和结构变形相比于其它情况更为严重，说明此工况是岸坡变形的最不利工况。而在码头承台上的荷载，对岸坡起稳定作用，存在所谓“遮帘作用”。(4)在模拟后方堆场超载情况过程中发现，超载对岸坡土体沉降影响并不明显，其位移增加幅度远低于荷载增大幅度。但是，超载对码头后承台桩基的影响十分明显。这就说明，后方堆场超载对码头后承台结构的危害非常大，尤其，不仅仅是作用在码头承台上的荷载会对码头结构产生破坏作用，作用在挡土墙后方堆场的荷载同样会对码头结构产生不利影响。原型观测结果和数学模型计算结果是吻合的，同时证明了上述的破损原因分析是客观正确的。图5突堤转角码头一岸坡耦合体系三维有限元模型图6码头断面位移矢量图S结论天津港突堤转角区域岸坡变形是导致码头后承台上部结构相对错位的直接原因，码头岸坡中的淤泥质粘土层是发生水平位移最大的土层，是造成码头后承台结构构件间错位的动力通道。而后方堆场荷载的骤然加大是造成码头岸坡变形的核心原因和动力源。桩顶与横梁间连接销筋的锈蚀破损为桩与横梁间的相对错动创造了条件。不仅仅是作用在码头承台上的荷载对码头结构产生破坏作用，后方堆场的荷载同样对码头结构产生不利影响，这一点应在码头生产作业中给以足够的重视。另外，本课题研究表明将浅基础重力式挡土墙结构用于高桩码头接岸结构存在一定的缺陷，它对埋深相对较大且运动活跃的淤泥质粘土层起不到阻挡作用，所以建议在以后的高桩码头中应重视这个问题，尽量采用板桩式或cDM深基础重力式挡土墙。参考文献：[1]李越松，田双珠，张强．天津港岸坡与接岸结构相互作用机理研究[R]．天津：交通部天津水运工程科学研究所。2005．[2]廖雄华，张克绪．天津港高桩码头桩基岸坡土体相互作用的数值分析[J]．水利学报，2002，33(4)：8l一87．[3]张强，郑锋勇，李辉．高桩码头岸坡变形对岸坡稳定性影响分析[刀．水道港口，2000，21(2)：20一24． 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