高樁碼頭混凝土樁基修復(fù)加固技術(shù)

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)境下對淤積土體影響的適應(yīng)能力相對較差。近年來，混凝土樁基高樁碼頭在使用過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)用實施，取得了較好的效果，對類似工程具有較好的參考價值。

1 常規(guī)修復(fù)加固方法

1.1 加樁法

對于樁基斷裂或者檢測報告中判定為受損嚴(yán)重的Ⅲ類樁，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“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

針對海洋鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)和水位變動區(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區(qū)的涂層破損問題，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)，對施工設(shè)備要求低，現(xiàn)場施工速度快，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。對于受損程度較輕的Ⅱ類樁，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，可實現(xiàn)碼頭樁基的水下修復(fù)加固。

3 工程實例

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范圍以內(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區(qū)，只有低水位才能露出水面，需要趕潮作業(yè)，施工時間和空間都極為有限，大型船機(jī)及設(shè)備均無法進(jìn)場。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)，對碼頭生產(chǎn)運(yùn)營影響較大，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也全部沒于水中，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現(xiàn)“水下施工”，無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，空腔灌漿量會大幅增加，根據(jù)施工單位報價單根樁修復(fù)費(fèi)用接近10萬元。

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，無法保證水上裂縫封閉施工時間時，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，通過壓力灌漿可實現(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4萬元；裂縫在樁頂附近，具備水上封閉裂縫施工條件時，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，裂縫位置露出水面時間較短，無法保證裂縫注膠或裂縫封閉施工時間，采用鋼套筒壓力灌漿法進(jìn)行修復(fù)，見圖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，實現(xiàn)對裂縫的封閉包覆，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。鋼套筒包覆長度原則上超過裂縫位置不小于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)計使用年限20 a；保護(hù)效率按70%考慮，計算得出腐蝕裕量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。流動度適合灌漿工藝，初始流動度≥290，30 min流動度≥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，確保灌滿鋼套筒。

3.2.2 復(fù)合纖維材料包覆法

對于裂縫在樁頂及樁頂附近的基樁，具備低水位時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)（簡稱TFRP粘貼法），見圖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用樹脂現(xiàn)場粘合而成的強(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 水下專用樹脂性能指標(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)計規(guī)范》[8]進(jìn)行抗彎加固設(shè)計。經(jīng)計算，在不考慮原大管樁鋼絞線的作用時，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，無氣泡。

4）粘結(jié)樹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，纖維材料的實際粘貼尺寸不得小于設(shè)計要求，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)檢查粘貼密實度，要求水下復(fù)合纖維空鼓數(shù)量不得超過10個/m2，空隙率不超過5%及空鼓最大直徑小于20 mm，當(dāng)纖維布的單個空鼓面積小于100 cm2，可采用針管注膠的方式進(jìn)行補(bǔ)救。當(dāng)纖維布的單個空鼓面積大于100 cm2時，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)量檢測要求

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

2）在灌漿的過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況對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)試驗樣本，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度指標(biāo)性能測試，見表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，為驗證鋼套筒水下壓力灌漿密實性，對部分鋼套筒進(jìn)行了鉆芯取樣，取樣結(jié)果顯示灌漿料飽滿密實。

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

3）施工完成后對潮濕環(huán)境下的復(fù)合纖維粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場正拉拔測試，見表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。

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

3.4 修復(fù)實施效果

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)計修復(fù)方案時與施工單位反復(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后第三方檢測單位拍攝的實景圖，根據(jù)檢測報告結(jié)論，修復(fù)樁基的鋼套筒未見明顯變形變位，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)測結(jié)果，碼頭未出現(xiàn)明顯的趨勢性水平位移，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)加固樁基實景Fig.4 Picture of strengthen pile foundation

4 結(jié)語

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)計為例，針對其樁基缺陷位置位于水位變動區(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，可為今后類似樁基修復(fù)加固工程的設(shè)計提供借鑒。