高桩码头混凝土桩基修复加固技术

韩路，顾祥奎

（1.宁波舟山港股份有限公司，浙江 宁波 315040；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

预应力混凝土桩具有刚度大、防腐蚀性能好、造价低等优点，被广泛应用于港口工程码头结构中。但是预应力混凝土桩抗弯能力有限，在回淤环境下对淤积土体影响的适应能力相对较差。近年来，混凝土桩基高桩码头在使用过程中由于码头下方及后方水域回淤所形成的淤积岸坡作用，导致桩基出现裂缝或破损，具有一定的普遍性。另外，在船舶意外撞击等海损事故中，混凝土桩基也可能受损甚至断裂，严重影响码头结构的安全和使用。因此，有必要对高桩码头受损混凝土桩基修复加固技术进行研究。

本文对目前港口工程中常用的桩基修复加固技术进行了探讨，并以浙江某码头受损混凝土桩基为例，提出了两种桩基修复加固方案，且已成功应用实施，取得了较好的效果，对类似工程具有较好的参考价值。

1 常规修复加固方法

1.1 加桩法

对于桩基断裂或者检测报告中判定为受损严重的Ⅲ类桩，经常采用加桩的修复加固措施，即在原桩位附近加设桩基，然后将桩顶通过现浇桩帽节点与原结构相连。

1.2 现浇混凝土包覆法

现浇混凝土包覆法即在桩基破损位置搭设模板并在其间浇筑混凝土，以恢复桩基原有尺寸[1]或局部加大截面尺寸，从而达到桩基耐久性修复的目的。

1.3 玻纤套筒加固法

玻纤套筒加固法又称“夹克法”[2]，是一种应用于存在混凝土脱落、钢筋露筋、桩基裂缝等缺陷的码头桩基和桥墩柱的修复加固技术，主要由灌浆料和定制玻纤套筒组成。玻纤套筒既是灌浆料的模板，也是耐腐蚀的保护结构。

1.4 外包覆防腐系统法

针对海洋钢结构浪溅区和水位变动区腐蚀的严重性，选用两种新型外包覆防腐系统（PTC新型包覆防蚀系统和Denso矿脂防腐带冷包缠系统），用于解决某码头钢管桩水位变动区的涂层破损问题，取得了良好的修复效果[3-4]。

2 新型修复加固方法

2.1 钢套筒压力灌浆加固法

钢套筒压力灌浆技术是应用于海上风电基础桩基与导管架之间连接的新技术[5]，荷载传递效果较好，施工质量比较稳定。钢套筒压力灌浆加固法是采用外套钢板套筒并压力灌入高强灌浆料，形成类似钢管混凝土桩结构与原有桩基共同受力。该加固方法充分利用了钢套筒的承载能力，通过空腔内高强灌浆料可使钢套筒和原桩有效连接为整体，加固效果明显，可用于部分Ⅲ类桩的修复加固；缺点是钢套筒需额外防腐，耐久性较差，另外钢套筒重量较大，施工相对不便，施工措施费较高。

2.2 复合纤维材料包覆法（TFRP法）

复合纤维材料具有强度高、耐腐蚀、质量轻、厚度薄、基本不增加加固构件自重及截面尺寸等优点，对施工设备要求低，现场施工速度快，被广泛应用于结构的加固补强。但复合纤维抗压强度低，因此港口工程中复合材料包覆法主要应用于结构耐久性修复或者考虑抗拉补强的结构加固中。对于受损程度较轻的Ⅱ类桩，比如存在细微裂缝的混凝土桩，其承载力降低有限，可采用复合纤维材料包覆，以确保其耐久性。

以前由于复合纤维适用胶均不能水下固化，所以复合纤维材料包覆法一般用于码头上部结构修复加固。但现在国内外已研究出可水下固化的复合纤维材料适用胶，可实现码头桩基的水下修复加固。

3 工程实例

3.1 工程概况

本文所引工程为浙江某高桩码头，桩基采用φ1 200 mm预应力混凝土组合管桩（上部φ1 200 mm大管桩+下部φ938 mm钢管桩），每榀排架布置12根基桩。

码头建成后，受桩基阻流及外部边界条件变化影响，码头下方及后方淤积严重，部分大管桩受淤积土体影响桩顶出现裂缝，耐久性明显下降，需进行修复加固。根据检测结果，受损桩基裂缝均位于向岸斜桩桩顶岸侧，且基本上位于桩顶2 m范围以内，极少数裂缝位于距桩顶2～3 m范围之间。典型桩基受损情况见图1。

图1 桩基裂缝情况Fig.1 Crack of pile foundation

3.2 修复加固方案

本工程桩顶裂缝基本上位于水位变动区，只有低水位才能露出水面，需要赶潮作业，施工时间和空间都极为有限，大型船机及设备均无法进场。因此，本工程采用的修复加固技术及施工工艺需适应这一特点，所用材料应能满足水下固化的要求。

若采用加桩方案，新增桩基费用较高，且需拆除码头上部结构，对码头生产运营影响较大，因此码头使用单位明确表示不予考虑；常规现浇混凝土包覆法需搭设模板并在码头下方浇筑混凝土，由于本工程桩基破损位置仅低水位才能露出水面，部分裂缝即使在低水位时也全部没于水中，因此模板搭设及混凝土浇筑基本不具备施工可行性。玻纤套筒加固法可实现“水下施工”，无需搭建围堰和排水设备，可用于本工程桩基修复，但是本工程桩基裂缝为受力裂缝，其修复措施应该兼具封闭和补强作用，修复材料应提供一定的抗拉抗压强度，而玻纤套筒加固主要为耐久性修复，若考虑强度补强需在套筒与桩基的环形空腔中增加钢筋网片，空腔灌浆量会大幅增加，根据施工单位报价单根桩修复费用接近10万元。

为此根据现有新材料新技术，经综合比选，结合桩基裂缝出现位置的不同，采用两种不同的修复方法：裂缝与桩顶距离较大，无法保证水上裂缝封闭施工时间时，采用钢套筒压力灌浆法，钢套筒作为高强灌浆料的模板和受力构件，通过压力灌浆可实现水下施工，并与原桩形成整体提高抗弯强度，单根桩修复费用约4万元；裂缝在桩顶附近，具备水上封闭裂缝施工条件时，采用复合纤维材料包裹法，复合材料采用水下固化胶，施工方便，费用最省，单根桩修复费用约2.5万元，两种方法都能起到耐久性修复和补强作用。

3.2.1 钢套筒压力灌浆法

当裂缝与桩顶距离S较大时，裂缝位置露出水面时间较短，无法保证裂缝注胶或裂缝封闭施工时间，采用钢套筒压力灌浆法进行修复，见图2。

图2 钢套筒压力灌浆法示意图（mm）Fig.2 Steel sleeve pressure grouting method（mm）

在大管桩外部包覆钢套筒，并在钢套筒与管桩间的环形空腔内压力灌注高性能灌浆材料，实现对裂缝的封闭包覆，确保桩基耐久性。钢套筒一方面作为灌浆模板，另一方面与原桩基通过高强灌浆料形成整体后原桩基承载能力明显提高。钢套筒内壁设置剪力键以增强传力效果。钢套筒在现场合抱拼接，拼缝采用高强螺栓连接。根据GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》[6]要求，确定钢套筒内壁与大管桩之间的环形空间厚度为60 mm。钢套筒包覆长度原则上超过裂缝位置不小于500 mm，底部和顶部均设置橡胶止浆条。钢套筒的设计使用年限按40 a考虑，防腐措施为预留腐蚀裕量加防腐涂层。防腐涂层防腐蚀年限按照20 a考虑，平均腐蚀速度k取0.3 mm/a；涂层设计使用年限20 a；保护效率按70%考虑，计算得出腐蚀裕量Δδ=7.8 mm。

本工程钢套筒壁厚取12 mm，扣除腐蚀裕量剩余厚度4.2 mm，经计算，可提供抗弯强度约1 798.8 kN·m，与原大管桩的抗裂弯矩（1 576.614 kN·m）相近。

原大管桩的混凝土强度为C60，本工程选用的高性能灌浆材料，1 d后抗压强度达30 MPa，28 d后的抗压强度≥80 MPa。流动度适合灌浆工艺，初始流动度≥290，30 min流动度≥260。钢套筒内灌浆采用压力灌浆，压力灌浆从预制安装在钢套筒底部的注浆管进去，在钢套筒顶部的溢浆口排出套筒内的水、气，确保灌满钢套筒。

3.2.2 复合纤维材料包覆法

对于裂缝在桩顶及桩顶附近的基桩，具备低水位时水上封闭裂缝施工条件，采用复合纤维修复系统进行修复（简称TFRP粘贴法），见图3。

图3 复合材料包覆法示意图（mm）Fig.3 Composite fiber material cladding method（mm）

TFRP纤维增强复合材料是由纤维布与水下专用树脂现场粘合而成的强韧复合纤维板，单层厚度1.3 mm，能保证水下固化。其性能指标如表1、表2所示。

表1 复合纤维修复系统性能指标Table 1 Property index of composite fiber repair system MPa

表2 水下专用树脂性能指标Table 2 Property index of underwater special epoxy material

TFRP纤维增强复合材料与混凝土的弹性模量相当，应力应变关系为线弹性，与混凝土桩身的正粘结强度及水平抗剪强度足够大，能与桩身结构粘结成一体[7]。因此可以参考GB 50367—2013《混凝土加固设计规范》[8]进行抗弯加固设计。经计算，在不考虑原大管桩钢绞线的作用时，原大管桩粘贴单层复合材料可提供抗弯强度610.7 kN·m，则3层竖向纤维布可提供610.7×3=1 832.1 kN·m的抗弯强度，与原大管桩抗裂弯矩（1 576.614 kN·m）相近。

本工程复合纤维材料包覆法先采用化学注浆法对裂缝进行封闭，封闭完成后，在大管桩外部包覆复合材料。本工程采用4层复合纤维布修复系统，对于存在裂缝的一侧粘贴3层竖向纤维布（主纤维方向与裂缝走向垂直），外围再环向包覆一周纤维布（主纤维方向与裂缝走向平行），确保修补后的裂缝在使用期的耐久性。

复合纤维修复系统施工技术要求如下[9]：

1）对粘贴水下复合纤维的桩体表面打磨、清理，要求磨出混凝土新鲜面，并保证粘贴面平整度达到3 mm/m。

2）经清理打磨后的混凝土表面，若有凹陷处应用修补胶找平。

3）将准备好的水下复合纤维粘贴在桩体上，再用特制的滚筒沿表面多次滚压，使粘结剂充分浸透，且使其平整，无气泡。

4）粘结树脂配比混合及涂刷浸透纤维布：配比准确，充分渗透纤维布，纤维材料的实际粘贴尺寸不得小于设计要求，位置偏差不得大于10 mm，角度偏差不得大于5°。

5）粘贴完成后应检查粘贴密实度，要求水下复合纤维空鼓数量不得超过10个/m2，空隙率不超过5%及空鼓最大直径小于20 mm，当纤维布的单个空鼓面积小于100 cm2，可采用针管注胶的方式进行补救。当纤维布的单个空鼓面积大于100 cm2时，必须将该处纤维布切除，重新搭建粘贴。

6）施工环境温度应≥4℃。

3.3 质量检测要求

1）施工前由有资质的检测单位现场取样送第三方检测单位检测。

2）在灌浆的过程中，根据现场情况对灌浆泵中材料和溢浆口溢出材料进行取样，制作和养护试验样本，进行抗压强度指标性能测试，见表3。要求1 d后抗压强度达30 MPa，28 d后的抗压强度≥80 MPa。另外，为验证钢套筒水下压力灌浆密实性，对部分钢套筒进行了钻芯取样，取样结果显示灌浆料饱满密实。

表3 试块抗压强度检测值Table 3 Test value of compressive strength of test block MPa

3）施工完成后对潮湿环境下的复合纤维粘结强度进行现场正拉拔测试，见表4，正拉粘结强度要求≥2.5 MPa[10]，并应按有关要求进行质量检验。

表4 正拉粘结强度检测值Table 4 Test value of tensile bond strength MPa

3.4 修复实施效果

本工程为水下赶潮施工，且码头下方空间有限，施工条件极其复杂。设计修复方案时与施工单位反复沟通，重点考虑了施工可行性和便捷性，最后确保了桩基修复按期顺利完工。图4为施工完成2 a后第三方检测单位拍摄的实景图，根据检测报告结论，修复桩基的钢套筒未见明显变形变位，桩身复合材料包裹层完好。根据桩基修复完工后码头沉降位移的跟踪监测结果，码头未出现明显的趋势性水平位移，未出现显著位移和沉降，码头结构安全，处于稳定状态。

图4 修复加固桩基实景Fig.4 Picture of strengthen pile foundation

4 结语

目前港口工程混凝土桩基修复加固方法主要包括加桩法、现浇混凝土包覆法、玻纤套筒加固法、复合纤维材料包覆法和钢套筒压力灌浆加固法，每种方法各有优劣，应根据不同工程的特点有针对性的选择桩基修复方案。本文以浙江某码头混凝土桩基修复设计为例，针对其桩基缺陷位置位于水位变动区的特点，分别提出了钢套筒压力灌浆法和复合纤维材料包覆法进行修复，并成功应用实施。取得了很好的效果，确保了码头结构安全，可为今后类似桩基修复加固工程的设计提供借鉴。