韓路，顧祥奎

（1.寧波舟山港股份有限公司，浙江 寧波 315040；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土樁具有剛度大、防腐蝕性能好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于港口工程碼頭結(jié)構(gòu)中。但是預(yù)應(yīng)力混凝土樁抗彎能力有限，在回淤環(huán)境下對(duì)淤積土體影響的適應(yīng)能力相對(duì)較差。近年來(lái)，混凝土樁基高樁碼頭在使用過(guò)程中由于碼頭下方及后方水域回淤所形成的淤積岸坡作用，導(dǎo)致樁基出現(xiàn)裂縫或破損，具有一定的普遍性。另外，在船舶意外撞擊等海損事故中，混凝土樁基也可能受損甚至斷裂，嚴(yán)重影響碼頭結(jié)構(gòu)的安全和使用。因此，有必要對(duì)高樁碼頭受損混凝土樁基修復(fù)加固技術(shù)進(jìn)行研究。

本文對(duì)目前港口工程中常用的樁基修復(fù)加固技術(shù)進(jìn)行了探討，并以浙江某碼頭受損混凝土樁基為例，提出了兩種樁基修復(fù)加固方案，且已成功應(yīng)用實(shí)施，取得了較好的效果，對(duì)類(lèi)似工程具有較好的參考價(jià)值。

1 常規(guī)修復(fù)加固方法

1.1 加樁法

對(duì)于樁基斷裂或者檢測(cè)報(bào)告中判定為受損嚴(yán)重的Ⅲ類(lèi)樁，經(jīng)常采用加樁的修復(fù)加固措施，即在原樁位附近加設(shè)樁基，然后將樁頂通過(guò)現(xiàn)澆樁帽節(jié)點(diǎn)與原結(jié)構(gòu)相連。

1.2 現(xiàn)澆混凝土包覆法

現(xiàn)澆混凝土包覆法即在樁基破損位置搭設(shè)模板并在其間澆筑混凝土，以恢復(fù)樁基原有尺寸[1]或局部加大截面尺寸，從而達(dá)到樁基耐久性修復(fù)的目的。

1.3 玻纖套筒加固法

玻纖套筒加固法又稱(chēng)“夾克法”[2]，是一種應(yīng)用于存在混凝土脫落、鋼筋露筋、樁基裂縫等缺陷的碼頭樁基和橋墩柱的修復(fù)加固技術(shù)，主要由灌漿料和定制玻纖套筒組成。玻纖套筒既是灌漿料的模板，也是耐腐蝕的保護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.4 外包覆防腐系統(tǒng)法

針對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)腐蝕的嚴(yán)重性，選用兩種新型外包覆防腐系統(tǒng)（PTC新型包覆防蝕系統(tǒng)和Denso礦脂防腐帶冷包纏系統(tǒng)），用于解決某碼頭鋼管樁水位變動(dòng)區(qū)的涂層破損問(wèn)題，取得了良好的修復(fù)效果[3-4]。

2 新型修復(fù)加固方法

2.1 鋼套筒壓力灌漿加固法

鋼套筒壓力灌漿技術(shù)是應(yīng)用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)樁基與導(dǎo)管架之間連接的新技術(shù)[5]，荷載傳遞效果較好，施工質(zhì)量比較穩(wěn)定。鋼套筒壓力灌漿加固法是采用外套鋼板套筒并壓力灌入高強(qiáng)灌漿料，形成類(lèi)似鋼管混凝土樁結(jié)構(gòu)與原有樁基共同受力。該加固方法充分利用了鋼套筒的承載能力，通過(guò)空腔內(nèi)高強(qiáng)灌漿料可使鋼套筒和原樁有效連接為整體，加固效果明顯，可用于部分Ⅲ類(lèi)樁的修復(fù)加固；缺點(diǎn)是鋼套筒需額外防腐，耐久性較差，另外鋼套筒重量較大，施工相對(duì)不便，施工措施費(fèi)較高。

2.2 復(fù)合纖維材料包覆法（TFRP法）

復(fù)合纖維材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、厚度薄、基本不增加加固構(gòu)件自重及截面尺寸等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)施工設(shè)備要求低，現(xiàn)場(chǎng)施工速度快，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)。但復(fù)合纖維抗壓強(qiáng)度低，因此港口工程中復(fù)合材料包覆法主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)耐久性修復(fù)或者考慮抗拉補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)加固中。對(duì)于受損程度較輕的Ⅱ類(lèi)樁，比如存在細(xì)微裂縫的混凝土樁，其承載力降低有限，可采用復(fù)合纖維材料包覆，以確保其耐久性。

以前由于復(fù)合纖維適用膠均不能水下固化，所以復(fù)合纖維材料包覆法一般用于碼頭上部結(jié)構(gòu)修復(fù)加固。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已研究出可水下固化的復(fù)合纖維材料適用膠，可實(shí)現(xiàn)碼頭樁基的水下修復(fù)加固。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

本文所引工程為浙江某高樁碼頭，樁基采用φ1 200 mm預(yù)應(yīng)力混凝土組合管樁（上部φ1 200 mm大管樁+下部φ938 mm鋼管樁），每榀排架布置12根基樁。

碼頭建成后，受樁基阻流及外部邊界條件變化影響，碼頭下方及后方淤積嚴(yán)重，部分大管樁受淤積土體影響樁頂出現(xiàn)裂縫，耐久性明顯下降，需進(jìn)行修復(fù)加固。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，受損樁基裂縫均位于向岸斜樁樁頂岸側(cè)，且基本上位于樁頂2 m范圍以?xún)?nèi)，極少數(shù)裂縫位于距樁頂2～3 m范圍之間。典型樁基受損情況見(jiàn)圖1。

圖1 樁基裂縫情況Fig.1 Crack of pile foundation

3.2 修復(fù)加固方案

本工程樁頂裂縫基本上位于水位變動(dòng)區(qū)，只有低水位才能露出水面，需要趕潮作業(yè)，施工時(shí)間和空間都極為有限，大型船機(jī)及設(shè)備均無(wú)法進(jìn)場(chǎng)。因此，本工程采用的修復(fù)加固技術(shù)及施工工藝需適應(yīng)這一特點(diǎn)，所用材料應(yīng)能滿(mǎn)足水下固化的要求。

若采用加樁方案，新增樁基費(fèi)用較高，且需拆除碼頭上部結(jié)構(gòu)，對(duì)碼頭生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)影響較大，因此碼頭使用單位明確表示不予考慮；常規(guī)現(xiàn)澆混凝土包覆法需搭設(shè)模板并在碼頭下方澆筑混凝土，由于本工程樁基破損位置僅低水位才能露出水面，部分裂縫即使在低水位時(shí)也全部沒(méi)于水中，因此模板搭設(shè)及混凝土澆筑基本不具備施工可行性。玻纖套筒加固法可實(shí)現(xiàn)“水下施工”，無(wú)需搭建圍堰和排水設(shè)備，可用于本工程樁基修復(fù)，但是本工程樁基裂縫為受力裂縫，其修復(fù)措施應(yīng)該兼具封閉和補(bǔ)強(qiáng)作用，修復(fù)材料應(yīng)提供一定的抗拉抗壓強(qiáng)度，而玻纖套筒加固主要為耐久性修復(fù)，若考慮強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)需在套筒與樁基的環(huán)形空腔中增加鋼筋網(wǎng)片，空腔灌漿量會(huì)大幅增加，根據(jù)施工單位報(bào)價(jià)單根樁修復(fù)費(fèi)用接近10萬(wàn)元。

為此根據(jù)現(xiàn)有新材料新技術(shù)，經(jīng)綜合比選，結(jié)合樁基裂縫出現(xiàn)位置的不同，采用兩種不同的修復(fù)方法：裂縫與樁頂距離較大，無(wú)法保證水上裂縫封閉施工時(shí)間時(shí)，采用鋼套筒壓力灌漿法，鋼套筒作為高強(qiáng)灌漿料的模板和受力構(gòu)件，通過(guò)壓力灌漿可實(shí)現(xiàn)水下施工，并與原樁形成整體提高抗彎強(qiáng)度，單根樁修復(fù)費(fèi)用約4萬(wàn)元；裂縫在樁頂附近，具備水上封閉裂縫施工條件時(shí)，采用復(fù)合纖維材料包裹法，復(fù)合材料采用水下固化膠，施工方便，費(fèi)用最省，單根樁修復(fù)費(fèi)用約2.5萬(wàn)元，兩種方法都能起到耐久性修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)作用。

3.2.1 鋼套筒壓力灌漿法

當(dāng)裂縫與樁頂距離S較大時(shí)，裂縫位置露出水面時(shí)間較短，無(wú)法保證裂縫注膠或裂縫封閉施工時(shí)間，采用鋼套筒壓力灌漿法進(jìn)行修復(fù)，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼套筒壓力灌漿法示意圖（mm）Fig.2 Steel sleeve pressure grouting method（mm）

在大管樁外部包覆鋼套筒，并在鋼套筒與管樁間的環(huán)形空腔內(nèi)壓力灌注高性能灌漿材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的封閉包覆，確保樁基耐久性。鋼套筒一方面作為灌漿模板，另一方面與原樁基通過(guò)高強(qiáng)灌漿料形成整體后原樁基承載能力明顯提高。鋼套筒內(nèi)壁設(shè)置剪力鍵以增強(qiáng)傳力效果。鋼套筒在現(xiàn)場(chǎng)合抱拼接，拼縫采用高強(qiáng)螺栓連接。根據(jù)GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[6]要求，確定鋼套筒內(nèi)壁與大管樁之間的環(huán)形空間厚度為60 mm。鋼套筒包覆長(zhǎng)度原則上超過(guò)裂縫位置不小于500 mm，底部和頂部均設(shè)置橡膠止?jié){條。鋼套筒的設(shè)計(jì)使用年限按40 a考慮，防腐措施為預(yù)留腐蝕裕量加防腐涂層。防腐涂層防腐蝕年限按照20 a考慮，平均腐蝕速度k取0.3 mm/a；涂層設(shè)計(jì)使用年限20 a；保護(hù)效率按70%考慮，計(jì)算得出腐蝕裕量Δδ=7.8 mm。

本工程鋼套筒壁厚取12 mm，扣除腐蝕裕量剩余厚度4.2 mm，經(jīng)計(jì)算，可提供抗彎強(qiáng)度約1 798.8 kN·m，與原大管樁的抗裂彎矩（1 576.614 kN·m）相近。

原大管樁的混凝土強(qiáng)度為C60，本工程選用的高性能灌漿材料，1 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)30 MPa，28 d后的抗壓強(qiáng)度≥80 MPa。流動(dòng)度適合灌漿工藝，初始流動(dòng)度≥290，30 min流動(dòng)度≥260。鋼套筒內(nèi)灌漿采用壓力灌漿，壓力灌漿從預(yù)制安裝在鋼套筒底部的注漿管進(jìn)去，在鋼套筒頂部的溢漿口排出套筒內(nèi)的水、氣，確保灌滿(mǎn)鋼套筒。

3.2.2 復(fù)合纖維材料包覆法

對(duì)于裂縫在樁頂及樁頂附近的基樁，具備低水位時(shí)水上封閉裂縫施工條件，采用復(fù)合纖維修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)（簡(jiǎn)稱(chēng)TFRP粘貼法），見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)合材料包覆法示意圖（mm）Fig.3 Composite fiber material cladding method（mm）

TFRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由纖維布與水下專(zhuān)用樹(shù)脂現(xiàn)場(chǎng)粘合而成的強(qiáng)韌復(fù)合纖維板，單層厚度1.3 mm，能保證水下固化。其性能指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 復(fù)合纖維修復(fù)系統(tǒng)性能指標(biāo)Table 1 Property index of composite fiber repair system MPa

表2 水下專(zhuān)用樹(shù)脂性能指標(biāo)Table 2 Property index of underwater special epoxy material

TFRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土的彈性模量相當(dāng)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線(xiàn)彈性，與混凝土樁身的正粘結(jié)強(qiáng)度及水平抗剪強(qiáng)度足夠大，能與樁身結(jié)構(gòu)粘結(jié)成一體[7]。因此可以參考GB 50367—2013《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]進(jìn)行抗彎加固設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，在不考慮原大管樁鋼絞線(xiàn)的作用時(shí)，原大管樁粘貼單層復(fù)合材料可提供抗彎強(qiáng)度610.7 kN·m，則3層豎向纖維布可提供610.7×3=1 832.1 kN·m的抗彎強(qiáng)度，與原大管樁抗裂彎矩（1 576.614 kN·m）相近。

本工程復(fù)合纖維材料包覆法先采用化學(xué)注漿法對(duì)裂縫進(jìn)行封閉，封閉完成后，在大管樁外部包覆復(fù)合材料。本工程采用4層復(fù)合纖維布修復(fù)系統(tǒng)，對(duì)于存在裂縫的一側(cè)粘貼3層豎向纖維布（主纖維方向與裂縫走向垂直），外圍再環(huán)向包覆一周纖維布（主纖維方向與裂縫走向平行），確保修補(bǔ)后的裂縫在使用期的耐久性。

復(fù)合纖維修復(fù)系統(tǒng)施工技術(shù)要求如下[9]：

1）對(duì)粘貼水下復(fù)合纖維的樁體表面打磨、清理，要求磨出混凝土新鮮面，并保證粘貼面平整度達(dá)到3 mm/m。

2）經(jīng)清理打磨后的混凝土表面，若有凹陷處應(yīng)用修補(bǔ)膠找平。

3）將準(zhǔn)備好的水下復(fù)合纖維粘貼在樁體上，再用特制的滾筒沿表面多次滾壓，使粘結(jié)劑充分浸透，且使其平整，無(wú)氣泡。

4）粘結(jié)樹(shù)脂配比混合及涂刷浸透纖維布：配比準(zhǔn)確，充分滲透纖維布，纖維材料的實(shí)際粘貼尺寸不得小于設(shè)計(jì)要求，位置偏差不得大于10 mm，角度偏差不得大于5°。

5）粘貼完成后應(yīng)檢查粘貼密實(shí)度，要求水下復(fù)合纖維空鼓數(shù)量不得超過(guò)10個(gè)/m2，空隙率不超過(guò)5%及空鼓最大直徑小于20 mm，當(dāng)纖維布的單個(gè)空鼓面積小于100 cm2，可采用針管注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救。當(dāng)纖維布的單個(gè)空鼓面積大于100 cm2時(shí)，必須將該處纖維布切除，重新搭建粘貼。

6）施工環(huán)境溫度應(yīng)≥4℃。

3.3 質(zhì)量檢測(cè)要求

1）施工前由有資質(zhì)的檢測(cè)單位現(xiàn)場(chǎng)取樣送第三方檢測(cè)單位檢測(cè)。

2）在灌漿的過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)灌漿泵中材料和溢漿口溢出材料進(jìn)行取樣，制作和養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)樣本，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度指標(biāo)性能測(cè)試，見(jiàn)表3。要求1 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)30 MPa，28 d后的抗壓強(qiáng)度≥80 MPa。另外，為驗(yàn)證鋼套筒水下壓力灌漿密實(shí)性，對(duì)部分鋼套筒進(jìn)行了鉆芯取樣，取樣結(jié)果顯示灌漿料飽滿(mǎn)密實(shí)。

表3 試塊抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值Table 3 Test value of compressive strength of test block MPa

3）施工完成后對(duì)潮濕環(huán)境下的復(fù)合纖維粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)正拉拔測(cè)試，見(jiàn)表4，正拉粘結(jié)強(qiáng)度要求≥2.5 MPa[10]，并應(yīng)按有關(guān)要求進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

表4 正拉粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)值Table 4 Test value of tensile bond strength MPa

3.4 修復(fù)實(shí)施效果

本工程為水下趕潮施工，且碼頭下方空間有限，施工條件極其復(fù)雜。設(shè)計(jì)修復(fù)方案時(shí)與施工單位反復(fù)溝通，重點(diǎn)考慮了施工可行性和便捷性，最后確保了樁基修復(fù)按期順利完工。圖4為施工完成2 a后第三方檢測(cè)單位拍攝的實(shí)景圖，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告結(jié)論，修復(fù)樁基的鋼套筒未見(jiàn)明顯變形變位，樁身復(fù)合材料包裹層完好。根據(jù)樁基修復(fù)完工后碼頭沉降位移的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果，碼頭未出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)性水平位移，未出現(xiàn)顯著位移和沉降，碼頭結(jié)構(gòu)安全，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 修復(fù)加固樁基實(shí)景Fig.4 Picture of strengthen pile foundation

4 結(jié)語(yǔ)

目前港口工程混凝土樁基修復(fù)加固方法主要包括加樁法、現(xiàn)澆混凝土包覆法、玻纖套筒加固法、復(fù)合纖維材料包覆法和鋼套筒壓力灌漿加固法，每種方法各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)不同工程的特點(diǎn)有針對(duì)性的選擇樁基修復(fù)方案。本文以浙江某碼頭混凝土樁基修復(fù)設(shè)計(jì)為例，針對(duì)其樁基缺陷位置位于水位變動(dòng)區(qū)的特點(diǎn)，分別提出了鋼套筒壓力灌漿法和復(fù)合纖維材料包覆法進(jìn)行修復(fù)，并成功應(yīng)用實(shí)施。取得了很好的效果，確保了碼頭結(jié)構(gòu)安全，可為今后類(lèi)似樁基修復(fù)加固工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。