潘新恩

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

高樁碼頭結(jié)構(gòu)輕,受力體系明確清晰,主要由樁、梁、板分別承受豎向和水平荷載[1]。碼頭基樁是碼頭結(jié)構(gòu)受力的重要支撐,承載著上部的所有荷載并將其傳遞給地基,同時(shí)還起到穩(wěn)固地基和岸坡的作用。基樁發(fā)生病損或失效可能導(dǎo)致碼頭不再安全[2]。高樁碼頭工作的自然環(huán)境惡劣,鋼筋混凝土基樁由于耐久性設(shè)計(jì)不足、環(huán)境侵蝕、過(guò)載、疲勞、撞損以及材料本身某些特性隨著時(shí)間推移,會(huì)出現(xiàn)不同程度的劣化,造成基樁混凝土開(kāi)裂、剝落、鋼筋銹蝕等常見(jiàn)病害[3]。在役基樁病損的危害性高、影響大,會(huì)極大地影響碼頭結(jié)構(gòu)整體的耐久性能與承載能力,其健康狀況關(guān)乎整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的安全。水中樁基病損具有隱蔽性強(qiáng)、不易被發(fā)現(xiàn),且病害劣化速度較快的特點(diǎn)。因此,及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)和界定基樁損傷程度,恰當(dāng)?shù)卦u(píng)價(jià)其在不同損傷程度下的安全狀況、預(yù)測(cè)剩余使用壽命并及時(shí)采取管制維護(hù)措施,是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界亟待解決的問(wèn)題。

1 基樁病害類型及影響分析

高樁碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比較于其他形式碼頭較為薄弱,往往在建成投產(chǎn)后10年左右就會(huì)出現(xiàn)破損病害,個(gè)別病害嚴(yán)重時(shí)碼頭甚至無(wú)法正常使用。高樁碼頭基樁處于水下區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和濺浪區(qū),較其他構(gòu)件更易受損,且破損帶來(lái)的影響較其他部位要嚴(yán)重,其病害會(huì)加劇結(jié)構(gòu)性能的劣化。在役高樁碼頭混凝土基樁常見(jiàn)病害主要有:裂縫、鋼筋銹蝕、剝落等[4-5]。

在役高樁碼頭混凝土基樁病害的發(fā)生不分先后,且往往不是單一類型的,而是伴隨著同時(shí)出現(xiàn)的,病害影響相互疊加、相互促進(jìn)發(fā)展。如基樁表面混凝土發(fā)生沖蝕、剝落會(huì)減小構(gòu)件的有效截面尺寸,使得鋼筋保護(hù)層厚度不斷變小;腐蝕介質(zhì)不斷侵襲會(huì)破壞鋼筋鈍化層,導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕和材料劣化;鋼筋銹蝕引起體積膨脹,混凝土發(fā)生脹裂、破碎、剝落,進(jìn)一步加速鋼筋的銹蝕和裂縫的擴(kuò)展,加劇基樁損壞,引發(fā)連鎖反應(yīng)。病害的發(fā)展會(huì)影響基樁的承載能力,導(dǎo)致樁基承載力降低和不足,使結(jié)構(gòu)支座不穩(wěn)、碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著的變形變位和功能喪失,帶來(lái)重大的安全生產(chǎn)隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

2 在役基樁的檢測(cè)與評(píng)估

2.1 常用檢測(cè)方法

高樁碼頭的基樁是碼頭結(jié)構(gòu)受力的重要支撐。如果在役基樁存在明顯質(zhì)量缺陷或受損,會(huì)嚴(yán)重危及上部結(jié)構(gòu)的安全。對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)及基樁損壞情況進(jìn)行定期檢測(cè)評(píng)估,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)損壞程度、病害發(fā)展及影響情況,加強(qiáng)碼頭設(shè)施經(jīng)常性的維修保養(yǎng)工作,有助于保證碼頭結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

在役混凝土基樁的主要檢測(cè)內(nèi)容包括水下結(jié)構(gòu)外觀破損情況檢測(cè)和樁身完整性檢測(cè),綜合判定基樁的技術(shù)安全狀況。水下結(jié)構(gòu)外觀破損情況檢測(cè)多采用潛水員法,在役基樁樁身完整性檢測(cè)多采用低應(yīng)變反射波法[6-7]?；鶚顿|(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵是檢測(cè)樁身完整性及樁身材料劣化情況,在役基樁實(shí)際承載能力需根據(jù)檢測(cè)的樁身完整性情況及材料劣化情況驗(yàn)算樁的實(shí)際承載能力,并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。

目前主流的水下結(jié)構(gòu)外觀破損情況檢測(cè)仍然以可視化檢測(cè)為主,多依賴潛水員以目視、探摸、拍照攝像結(jié)合尺量的方法對(duì)基樁表觀缺陷和損傷情況進(jìn)行檢測(cè),記錄基樁表面破損、剝落、開(kāi)裂、露筋銹蝕等病害情況,必要時(shí)進(jìn)行基樁截面尺寸的測(cè)量等,全過(guò)程以目測(cè)為主。在水質(zhì)較好、流速緩慢的條件下檢測(cè)結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確可靠。但是存在一些弊端:(1)檢測(cè)作業(yè)受環(huán)境條件影響較大,特別是結(jié)構(gòu)物表面附著較厚的大面積水生物、水質(zhì)不清、水流流速較大時(shí),會(huì)影響檢測(cè)質(zhì)量;(2)潛水員潛水深度及時(shí)間受限,不能對(duì)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測(cè),檢測(cè)效率不高,且存在安全隱患;(3)潛水員通常缺乏工程專業(yè)背景,并且水下視覺(jué)和觸覺(jué)誤差大,特別是檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)不足且責(zé)任心不強(qiáng)時(shí),檢測(cè)結(jié)果的可靠性受影響。因此,潛水檢測(cè)時(shí)需要選拔具有經(jīng)驗(yàn)豐富、高度責(zé)任心的潛水員,對(duì)潛水員進(jìn)行全面的技術(shù)和安全培訓(xùn),選擇合適的作業(yè)時(shí)間段,避開(kāi)大風(fēng)浪等易造成水質(zhì)渾濁的天氣,對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行全程錄像留底。

由于在役基樁樁頂存在縱梁、橫梁等上部結(jié)構(gòu)的影響和限制,低應(yīng)變反射波法樁身完整性檢測(cè)不具備樁頂自由的檢測(cè)面和條件。因此檢測(cè)時(shí)需要在樁側(cè)切口進(jìn)行激振和檢測(cè),檢測(cè)受到的干擾因素和約束條件較多。在樁側(cè)激振與接收時(shí)應(yīng)力波的傳播較為復(fù)雜,造成信號(hào)分析與解釋的困難,不僅需要提高現(xiàn)有儀器的性能和診斷精度,還需要具有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程師結(jié)合理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和分析。

現(xiàn)有在役基樁檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性和可靠性受限于試驗(yàn)檢測(cè)人員的技術(shù)水平、專業(yè)能力和工程經(jīng)驗(yàn),以及作業(yè)環(huán)境等因素的綜合影響。因此,試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)往信息化和智能化的方向發(fā)展,以使得試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果更加真實(shí)可信。

2.2 基樁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)分級(jí)探討及建議

國(guó)內(nèi)的規(guī)范[8-10]采用分層綜合思想,依據(jù)基樁檢測(cè)的客觀結(jié)果,對(duì)碼頭基樁結(jié)構(gòu)的各類病害進(jìn)行了量化規(guī)定,就病害的有無(wú)、程度(輕度、中度、嚴(yán)重等)、范圍大小等進(jìn)行了明確的技術(shù)狀態(tài)分類、劣化度分級(jí)和評(píng)估等級(jí)分級(jí),據(jù)此可得到碼頭基樁的技術(shù)狀況并劃分安全等級(jí)。

規(guī)范[8-9]對(duì)基樁的分類和維護(hù)策略的劃分基本相同,均是基于樁的外觀劣化情況提出的?；鶚兜募夹g(shù)狀況分級(jí)可以通過(guò)外觀的劣化情況進(jìn)行分類判別,當(dāng)外觀劣化程度超出一定范圍時(shí),就需要進(jìn)行進(jìn)一步的安全性和適用性評(píng)估。如規(guī)范[8]對(duì)于外觀病害較為嚴(yán)重的五類(危險(xiǎn))基樁,提出了檢測(cè)評(píng)定的要求;規(guī)范[9]則對(duì)基樁劣化度外觀評(píng)估等級(jí)為C級(jí)或D級(jí)時(shí),提出了應(yīng)進(jìn)行安全性和適用性評(píng)估的要求。規(guī)范[9]對(duì)樁的安全性評(píng)估主要是基于樁基的承載能力相關(guān)比值進(jìn)行評(píng)估分級(jí);對(duì)樁的適用性評(píng)估主要是基于最大裂縫寬度相關(guān)比值進(jìn)行評(píng)估分級(jí);實(shí)際評(píng)估工作中,需要實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比。規(guī)范[10]將低應(yīng)變反射波法檢測(cè)對(duì)基樁完整性分為Ⅰ類樁～Ⅳ類樁共4種類別,依據(jù)樁身完整性程度即缺陷程度大小、對(duì)樁身結(jié)構(gòu)承載力影響程度,提出了不同的處理要求。

對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定和評(píng)價(jià)通常是對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷的目的,評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)損傷狀態(tài)下繼續(xù)服役性能的可靠性、剩余使用壽命,以及為實(shí)施維修提供決策依據(jù)。現(xiàn)行規(guī)范對(duì)在役碼頭基樁的病損進(jìn)行了檢測(cè)、界定損傷程度和評(píng)價(jià)其在不同損傷程度下的安全狀況、保證整體結(jié)構(gòu)安全使用、指導(dǎo)后期維修和加固工作等方面起到了積極作用,但是在耐久性評(píng)價(jià)方面仍停留在外觀劣化評(píng)估,缺少對(duì)結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。在役基樁結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)需進(jìn)一步與結(jié)構(gòu)可靠性和剩余使用壽命預(yù)測(cè)等相結(jié)合進(jìn)行研究。建議積極研發(fā)能延長(zhǎng)基樁使用壽命的新工藝、新材料和新技術(shù);對(duì)基樁的設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì),選擇更合理、抗腐蝕和抗劣化能力強(qiáng)的材料;施工過(guò)程中積極采用可提高結(jié)構(gòu)耐久性的新工藝、新技術(shù);對(duì)在役結(jié)構(gòu)選擇有效的附加防腐蝕措施以提高對(duì)基樁混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù);積極探索運(yùn)營(yíng)維護(hù)期內(nèi)在役基樁全壽命周期結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)控的研究及應(yīng)用。

2.3 基樁檢測(cè)評(píng)估實(shí)例應(yīng)用分析

沿海某高樁碼頭采用直徑1 m的鋼筋混凝土管樁。在定期檢測(cè)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)某基樁樁頂與承臺(tái)頂面連接處附近存在1條縱向裂紋,長(zhǎng)度約58 cm,最大寬度為0.12 mm;水下結(jié)構(gòu)外表普遍附著海生物,無(wú)明顯外觀破損、斷面侵蝕縮頸等其他異常狀況。經(jīng)管樁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè),管樁混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;結(jié)構(gòu)表面未見(jiàn)明顯銹跡,鋼筋腐蝕電位檢測(cè)顯示鋼筋銹蝕概率<10%,材料未見(jiàn)明顯劣化。在靠近樁頂側(cè)面切口采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行檢測(cè),在距檢測(cè)基準(zhǔn)面以下18.22 m處存在輕微缺陷,基樁完整性分類判定為Ⅱ類樁。

經(jīng)外觀劣化度評(píng)價(jià)為B級(jí),技術(shù)狀態(tài)為二類(較好),需要進(jìn)行小修?；鶚锻暾苑诸惻卸棰蝾悩?樁身基本完整,有輕度缺陷,不影響正常使用;樁身材料未見(jiàn)明顯劣化,結(jié)構(gòu)損傷尚不影響承載力,管樁結(jié)構(gòu)的耐久性基本滿足設(shè)計(jì)使用年限要求。綜合判定,該基樁的安全性、適用性及耐久性評(píng)估等級(jí)為B級(jí),建議加強(qiáng)檢(監(jiān))測(cè)并及時(shí)采取修復(fù)措施。

考慮到該工程處于海洋環(huán)境,為避免病害進(jìn)一步發(fā)展影響上部結(jié)構(gòu)安全,檢測(cè)評(píng)估建議對(duì)該水上樁身裂紋病害采用碳纖維包裹加固法進(jìn)行修復(fù)加固處理,即采用環(huán)氧修補(bǔ)膠表面封閉樁身裂紋,樁周包裹高強(qiáng)Ⅰ級(jí)碳纖維布處理。該基樁低應(yīng)變反射波測(cè)試波形如圖1所示。

圖1 基樁低應(yīng)變反射波法測(cè)試波形圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在役基樁工作環(huán)境惡劣,易受損失效;病害具有隱蔽性強(qiáng)、危害性大的特點(diǎn)。碼頭運(yùn)營(yíng)管理單位應(yīng)建立定期檢測(cè)評(píng)估機(jī)制,對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)及基樁損壞情況進(jìn)行定期檢測(cè)評(píng)估,及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)損壞程度、病害發(fā)展及影響情況,加強(qiáng)碼頭各項(xiàng)設(shè)施的經(jīng)常性維修保養(yǎng)工作,以保證碼頭結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

(2)現(xiàn)有在役基樁檢測(cè)成果的準(zhǔn)確性和可靠性受限于試驗(yàn)檢測(cè)人員的技術(shù)水平、專業(yè)能力、工程經(jīng)驗(yàn)以及作業(yè)環(huán)境等因素的綜合影響。試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)向信息化和智能化方向發(fā)展,使試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果更為真實(shí)可信。

(3)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)在役碼頭基樁病損檢測(cè)、界定損傷程度和評(píng)價(jià)其在不同損傷程度下的安全狀況起到了積極作用,然而缺少基于其在相應(yīng)損傷狀態(tài)下繼續(xù)服役性能的可靠性評(píng)價(jià)和剩余使用壽命的預(yù)測(cè)。在役基樁結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)需要進(jìn)一步與結(jié)構(gòu)可靠性、剩余使用壽命預(yù)測(cè)等方面相結(jié)合的研究。

(4)建議在工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各個(gè)階段采用各種先進(jìn)的工藝、材料和技術(shù)以提高混凝土基樁的抗腐蝕和抗劣化能力,同時(shí)加強(qiáng)在役基樁全壽命周期結(jié)構(gòu)健康安全監(jiān)控的研究和應(yīng)用。

(5)建議碼頭運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)加強(qiáng)碼頭運(yùn)營(yíng)期管理和監(jiān)控,避免不合理的超設(shè)計(jì)能力使用和超噸位船舶靠泊,嚴(yán)格控制船舶靠泊速度和角度等。