一種沿海高樁碼頭PHC管樁修復(fù)方法及運(yùn)用

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(lèi)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(lèi)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(zhuān)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(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力和使用要求，耐久性可以滿(mǎn)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?？捎蓾撍畣T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(lèi)，占比99%，1根樁樁身完整性為Ⅱ類(lèi)，未發(fā)現(xiàn)Ⅲ、Ⅳ類(lèi)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(lèi)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。