吳啟明

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200063

1 沿海高樁碼頭PHC管樁產(chǎn)生裂縫的原因

PHC管樁屬于先張法預(yù)應(yīng)力管樁，具有強(qiáng)度高、抗裂能力強(qiáng)、節(jié)省混凝土、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)PHC管樁行業(yè)得到迅猛發(fā)展，在沿海港口碼頭等工程中得到了普遍應(yīng)用。然而沿海高樁碼頭工程PHC管樁在施工過(guò)程中，也存在一些質(zhì)量問(wèn)題，其中最常見(jiàn)的當(dāng)數(shù)基樁施打完畢后樁身出現(xiàn)不同程度的表面龜裂，這一現(xiàn)象并未引起大家的關(guān)注，而樁身出現(xiàn)橫向或縱向通長(zhǎng)裂縫，這對(duì)于整個(gè)水運(yùn)建設(shè)行業(yè)來(lái)說(shuō)出現(xiàn)的次數(shù)是微乎其微的，從而引起了大家的高度關(guān)注和重視，而究其產(chǎn)生裂縫的原因無(wú)非是生產(chǎn)工藝、原材料、運(yùn)輸、施打偏心操作不當(dāng)導(dǎo)致的。通長(zhǎng)裂縫（橫向或者縱向）直接影響碼頭樁基結(jié)構(gòu)的耐久性和使用安全性，必須進(jìn)行樁基修復(fù)工作，以便碼頭工程建成后能正常投入使用[1-2]。

2 高樁碼頭PHC管樁樁型類別及裂縫檢測(cè)情況

PHC管樁有A、B、AB這3種樁型，樁徑、壁厚各有不同。本文選取直徑為1 200 mm、壁厚150 mm的B型管樁來(lái)說(shuō)明，其橫截面積為494 801 mm2，單位質(zhì)量為1 286 kg/m，預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量為46根直徑為12.6 mm的鋼棒，抗裂彎矩為1 668 kN·m，極限彎矩為3 002 kN·m，單樁結(jié)構(gòu)允許承載力為8 783 kN。依據(jù)相關(guān)檢測(cè)規(guī)范并結(jié)合高樁碼頭的具體特點(diǎn)，高樁碼頭PHC管樁樁基主要采用低應(yīng)變反射波法、高應(yīng)變測(cè)試法進(jìn)行裂縫檢測(cè)?；鶚稑渡硗暾院统休d力分別采用低應(yīng)變反射波法和高應(yīng)變測(cè)試法進(jìn)行檢測(cè)。依據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，裂縫寬度在0～3 mm之間，外觀劣化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)屬于B、C級(jí)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性為C級(jí)；裂縫寬度大于3 mm，外觀劣化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D級(jí)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性為D級(jí)，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)。

以華南某高樁碼頭為例，該工程PHC管樁沉樁總數(shù)為472根，有130根存在質(zhì)量缺陷，其中輕微缺陷（裂縫寬度0～3 mm）有48根，外觀劣化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為C級(jí)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性為C級(jí)；嚴(yán)重缺陷（裂縫寬度大于3 mm）有82根，外觀劣化度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為D級(jí)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性為D級(jí)，裂縫缺陷延伸至泥面以下的有63根。

3 管樁修復(fù)設(shè)計(jì)及施工

3.1 管樁修復(fù)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)以上樁檢情況和不同裂縫的缺陷程度類型分別制定了不同的管樁修復(fù)方案，經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)方案的討論及多輪專家評(píng)審，最終形成了如下設(shè)計(jì)方案并得以實(shí)施。

1）情況Ⅰ-1（C級(jí)）：輕微缺陷，裂縫寬度W≤3 mm的縱向裂縫1條，采用樁芯素混凝土＋密封膠＋纖維布1。樁芯素混凝土處理范圍為：裂縫上下各加1 m（對(duì)裂縫延伸到海床面以下的，往下灌注至泥面以下3 m處）。

2）情況Ⅰ-2（C級(jí)）：W≤3 mm的橫向裂縫1條，或W≤3 mm的裂縫2條及以上，或局部破損，采用樁芯鋼筋混凝土＋密封膠＋纖維布2。樁芯鋼筋混凝土處理范圍為：上至樁頂，下至泥面以下6 m處。

3）情況Ⅱ-1（D級(jí)）：嚴(yán)重缺陷，3 mm＜W≤30 mm的縱向裂縫1條，采用樁芯鋼筋混凝土＋密封膠＋纖維布1。樁芯鋼筋混凝土處理范圍為：上至樁頂，下至泥面以下6 m處。

4）情況Ⅱ-2（D級(jí)）：W＞30 mm的縱向裂縫1條，或W＞3 mm的橫向裂縫1條，或W＞3 mm的裂縫2條及以上，或局部破損，采用樁芯鋼筋混凝土＋密封膠＋纖維布2。樁芯鋼筋混凝土處理范圍為：上至樁頂，下至泥面以下6 m處。

需注意以下幾個(gè)方面：

1）纖維布1為水下貼覆1層復(fù)合纖維布，復(fù)合纖維布貼覆范圍為裂縫兩側(cè)各20 cm，并在裂縫位置向上、向下各延伸50 cm（對(duì)裂縫延伸到海床面以下的，往下貼覆至泥面）；纖維布2為沿樁周纏繞1層，并在裂縫位置向上、向下各延伸50 cm（對(duì)裂縫延伸到海床面以下的，往下包覆至泥面）。

2）對(duì)情況Ⅱ-1（D級(jí)）和情況Ⅱ-2（D級(jí)），樁芯灌注C30鋼筋混凝土至樁頂，并以C30樁芯鋼筋混凝土替代原樁頂部2 m的C45樁芯混凝土及其配筋。

3）對(duì)同一排架有多根樁出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，或軌道梁下樁基（斜樁）出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的情況，修復(fù)方案已考慮了通過(guò)管樁內(nèi)側(cè)灌注樁芯混凝土（上至樁頂、下至泥面以下6 m處）的替代方式，外側(cè)密封膠封堵并包覆纖維布進(jìn)行重點(diǎn)加固。

3.2 修復(fù)后管樁承載力計(jì)算

管樁承載力的計(jì)算內(nèi)容包括承載力極限狀態(tài)下的管樁偏心受壓承載力、偏心受拉承載力、橫截面受剪承載力計(jì)算，正常使用極限狀態(tài)下管樁的抗裂驗(yàn)算。

1）承載力極限狀態(tài)下的管樁偏心受壓承載力按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的5.2.6和5.3.7條計(jì)算。

2）承載力極限狀態(tài)下的管樁偏心受拉承載力按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的5.4.3和5.4.4條計(jì)算。

3）承載力極限狀態(tài)下的管樁橫截面受剪承載力按10G409《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》中的6.3.2條計(jì)算。

4）正常使用極限狀態(tài)下管樁的抗裂驗(yàn)算按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 151—2011《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的6.3.1和6.3.2條計(jì)算。

管樁修復(fù)后的計(jì)算結(jié)果及評(píng)估如表1所示。

表1 管樁修復(fù)后的計(jì)算結(jié)果及評(píng)估

通過(guò)以上計(jì)算可知，在修補(bǔ)受損混凝土截面基礎(chǔ)上再往管樁樁芯灌注實(shí)體混凝土，實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)已能承受相應(yīng)樁基內(nèi)力，增加了管樁的安全儲(chǔ)備，滿足結(jié)構(gòu)受力和使用要求，耐久性可以滿足50 a的設(shè)計(jì)使用年限。

3.3 修復(fù)施工

管樁缺陷修復(fù)的總體施工流程如圖1所示。

圖1 管樁缺陷修復(fù)施工流程

3.4 關(guān)鍵施工方法

3.4.1 水下密封膠封堵

PHC管樁外側(cè)裂縫采用水下密封膠封堵，待水下密封膠封堵后，在裂縫位置附近水下貼（包）覆1層復(fù)合纖維布。復(fù)合纖維布貼覆范圍為裂縫兩側(cè)各20 cm，并在裂縫位置向上、向下各延伸50 cm。復(fù)合纖維布包覆范圍為裂縫位置向上、向下各50 cm，水下纏繞1層復(fù)合纖維布。

1）水下密封膠的性能指標(biāo)（表2）。水下密封膠為使用環(huán)氧樹(shù)脂、特種固化劑、無(wú)機(jī)填料等材料制備的一種環(huán)氧膠泥，是一種雙組分反應(yīng)固化型高分子材料，是水溶性膠泥狀物質(zhì)，對(duì)材料、人體無(wú)腐蝕。具有修補(bǔ)、防漏、接駁、絕緣、造型、制模等功能，使用極為簡(jiǎn)便，可徒手操作不黏手，干固后呈剛性，黏結(jié)強(qiáng)度高、抗霉變性能好，同時(shí)具備了耐高溫、耐酸堿、耐水壓、不收縮、不老化、不龜裂，可對(duì)表面進(jìn)行打磨、上油漆等優(yōu)異性能。

表2 水下密封膠的性能指標(biāo)

2）水下密封膠封堵的施工方法。嚴(yán)格按規(guī)定的比例（從 A、B兩種成分中各取規(guī)定的比例）完全混合均勻。施工前應(yīng)清除干凈修復(fù)基層上的浮灰、銹層、水生物等不牢附著物。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該按施工需要配制，配制好的物料宜在30～40 min內(nèi)用完；由潛水員在水下用氣動(dòng)工具或高壓水槍清除局部破損部位表層海生物、松散混凝土及其他不牢附著物直至露出堅(jiān)硬部分，并清洗裂縫內(nèi)兩側(cè)，由潛水員采用水下密封膠將裂縫封堵；施工后用手或工具蘸水將表面推平抹光，并略施壓力以增強(qiáng)復(fù)合效果。

3）水下密封膠封堵的施工質(zhì)量檢驗(yàn)。管樁表面裂縫涂膠均勻、無(wú)脫落現(xiàn)象；管樁表面修復(fù)后，表面平整，裂縫無(wú)凹槽現(xiàn)象；施工過(guò)程中，采用水下拍照的方法，對(duì)每道工序進(jìn)行拍照監(jiān)控和檢查。水質(zhì)條件允許時(shí)，對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行全程水下錄像。修復(fù)完成后，采用水下錄像或拍照的方法，進(jìn)行基樁外觀修復(fù)效果檢查。

3.4.2 水下貼（包）覆復(fù)合纖維布

1）復(fù)合纖維及配套水下浸漬膠的性能指標(biāo)（表3）。復(fù)合纖維采用碳纖維布，并配備黏結(jié)碳纖維布配套的浸漬膠。產(chǎn)品特點(diǎn)為：適用于不同水質(zhì)，利用纖維材料對(duì)化學(xué)反應(yīng)的惰性，可抗各種化學(xué)制劑，耐酸、耐堿；適用于不同環(huán)境，配套加固材料在水下仍有超強(qiáng)緊密的黏結(jié)力。可由潛水員在水下直接操作，避免搭設(shè)圍堰；其耐久性可抵抗因氣候循環(huán)引起的干濕、冷熱、凍融等交互作用，及水流、海洋潮汐、廢水、電解等持續(xù)性或間歇性的腐蝕作用，耐久性佳，防腐壽命長(zhǎng)；材料強(qiáng)度高，環(huán)保無(wú)污染。

表3 碳纖維復(fù)合材料和配套浸漬膠、黏結(jié)劑的性能指標(biāo)

2）水下貼（包）覆復(fù)合纖維布的施工方法。由潛水員在水下用氣動(dòng)工具或高壓水槍清除破損部位表層海生物、松散混凝土及其他不牢附著物直至露出堅(jiān)硬部分（可同裂縫處水下密封膠封堵時(shí)的清理同步進(jìn)行）；水下貼（包）覆復(fù)合纖維布在水下密封膠固化之后進(jìn)行；在水上采用配套水下浸漬膠浸漬纖維布；由潛水員在水下將設(shè)計(jì)范圍內(nèi)浸漬后的纖維布對(duì)樁身進(jìn)行貼覆。采用滾筒或手工將浸漬后的纖維布按規(guī)定的取向方向粘貼在待修復(fù)的樁基表面，并用滾筒或手工加壓的方式排除接觸面的空氣，保證纖維布能夠堅(jiān)固地粘貼在樁基表面。

3）水下貼（包）覆復(fù)合纖維布的施工質(zhì)量檢驗(yàn)。復(fù)合纖維布的實(shí)際粘貼面積不應(yīng)小于設(shè)計(jì)面積，位置偏差不大于10 mm；復(fù)合纖維布與管樁之間的黏結(jié)質(zhì)量，可用小錘輕輕敲擊或手壓纖維布表面的方法檢查，總有效面積不應(yīng)低于95%。當(dāng)復(fù)合纖維布的空鼓面積不大于10 cm2時(shí)，可采用針管注膠的方法進(jìn)行修復(fù)；當(dāng)空鼓面積大于10 cm2時(shí)，宜將空鼓部位的纖維布片材切除，重新搭接貼上等量的纖維布片材，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100 mm。

4 修復(fù)完成后樁基檢測(cè)效果

管樁外側(cè)密封包覆修復(fù)施工前對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格；施工完成后對(duì)包覆效果進(jìn)行正拉黏結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。施工完畢后根據(jù)有關(guān)規(guī)定對(duì)灌芯修復(fù)樁進(jìn)行了小應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格，同時(shí)委托第三方進(jìn)行了小應(yīng)變抽檢，全數(shù)檢測(cè)130根樁，其中129根樁樁身完整性均為Ⅰ類，占比99%，1根樁樁身完整性為Ⅱ類，未發(fā)現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ類樁，檢測(cè)結(jié)果合格。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了我國(guó)沿海高樁碼頭PHC管樁裂縫產(chǎn)生的原因、檢測(cè)與評(píng)估現(xiàn)狀，提出了修復(fù)方案并驗(yàn)算了其內(nèi)力，通過(guò)驗(yàn)算確定了其修復(fù)方案的安全性和適用性，最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)細(xì)致的施工，經(jīng)樁基樁身完整性檢測(cè)，施工效果良好。同時(shí)較好地解決了同類工程中PHC管樁裂縫修復(fù)工作的建設(shè)任務(wù)。當(dāng)然，本文按實(shí)際工程條件進(jìn)行修復(fù)的方法可能具有一定的局限性，工程研究人員可擴(kuò)大調(diào)查研究及進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在對(duì)沿海高樁碼頭PHC管樁裂損研究總結(jié)的基礎(chǔ)上提出更為多樣化的修復(fù)方法，從而促進(jìn)我國(guó)高樁碼頭樁基修復(fù)技術(shù)不斷提高。