桩基在腐蚀环境中的承载力规律

2021-11-13刘泽鹏谢衍谢超群鲁猛

安徽建筑 2021年1期

刘泽鹏，谢衍，谢超群，鲁猛

(1.华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045；2.中交一公局西南工程有限公司，福建厦门 361000)

0 前言

中国地处广阔的天地，拥有丰富的自然环境条件，桩基础位于错综复杂的服役环境，大海中的氯离子损害环境，与内陆咸水湖和盐碱地硫酸盐侵蚀环境十分常见。盐渍土在中国东北及西北区域遍布十分普遍，土中含有许多的浸蚀性硫酸根离子，对处在盐渍土中或与盐渍土接触的混凝土部件都拥有很强的浸蚀作用。这些环境情况下腐蚀性离子的侵蚀作用，将会造成混凝土桩基承载力减小，而目前的设计、施工以及有关的理论研究方法，很少涉及混凝土桩基的承载力问题，相关的调查和资料也较为缺少。目前，中国正处于地下混凝土结构新建与维修并重阶段，随着经济、技术的发展，海工建筑物的使用年限要求也在不断增长。随着口岸码头的建造，近海构筑物的兴建，许多的预制钢筋混凝土桩基被用在建设中。而临海及大海里面含有许多的氯盐，导致桩基础里面钢筋很易于产生生锈，进而减小整个桩基的承载能力，对桩基的安全性产生作用。随着海工建筑物使用年限的增长，对建筑物的关键构筑部分的桩基承载力规律，也就有了更严格的标准。因此对不同腐蚀环境条件下混凝土桩基的桩基承载力规律展开研究，为新建桩基的承载力设计与在役桩基的承载力评估供应需要的理论依据，具有重要的理论和现实意义。

1 在腐蚀环境中桩基的水平承载力规律

在大海中服役的混凝土桩基，其水平承载特性拥有显著的时变特征。暴露条件越差，其时变特征越显著。随着露出时长的延伸，桩身的抗弯刚度表现为非线性减少，桩身的水平位移和桩身的负剪力最大的值表现为逐步变大，桩身的弯矩则逐步变小。桩顶的水平位移适合决定水平承载力。

姚贤华等发现了桩体的脱落厚度是对桩基水平向极限承载力有作用的关键原因，当桩体的脱落厚度大于16cm，桩基水平向极限承载力减小率明显。对于水平向荷载的存在，桩体表面的脱落厚度对于桩基极限承载力具有最大的作用，桩基的极限承载力减小率到29.3%是最大的情况。

邵伟等认为氯离子侵蚀时间越长，桩身抗弯强度折减系数呈现减小的趋势，管桩水平承载特性随着钢筋锈蚀膨胀而降低。

冯忠居等通过离心模型实验的方案，调查了钢管混凝土桩的承载特性，结果表明，当钢管的埋深在12cm的范围内变大时，能明显提升钢管混凝土桩横轴向极限承载力。

2 在腐蚀环境中桩基的竖向承载力规律

在桩基的研究中，最关键的研究参数是桩基的竖向极限承载力，在桩基础工程中，确定其大小这是必要的过程。调查桩基的竖向极限承载力常见有3个途径：理论计算、承载力检测和数值模拟，但是对于受腐蚀的桥梁桩基础进行数值模拟是较可行的方法。对于混凝土制作的灌注桩来说，持力层、桩身的混凝土强度、桩长、桩径是决定单桩的竖向承载力的关键原因。桩顶沉降适合决定竖向承载力。

竖向承载能力的衰退是硫酸盐腐蚀环境中桩基的耐久性问题的关键体现。①在同一腐蚀时间下，随着腐蚀深度的增长，SO42-含量越来越少；在同一腐蚀深度下，随着时长的增长，SO42-含量越来越大。②虽然露在硫酸盐环境中的混凝土桩基随着时间的增长，其抵抗腐蚀的能力逐渐变弱，但其腐蚀速度会逐渐变慢。

在混凝土桩成桩后，其存在的这段时间里，随着土地里的硫酸根，向桩体里面逐渐扩展，从混凝土桩体表面向里面，逐步有腐蚀的反应发生，导致混凝土外部侵蚀出现开裂，丧失了对于竖向承载能力的作用，并伴有不能恢复的破坏。

冯忠居等调查了地面水对黄土区域桩基承载力的作用，发现黄土浸水后会降低桩基的极限承载力，并结合地质特征，调查了影响桩基承载特性的原因，经过桩侧压浆与注水测试，研究出桩基承载力会随着压浆而提升，注水则会降低。

王富春等研究了盐沼泽环境对桩基竖向承载特性产生的影响，桩基受腐蚀后，其竖向极限承载力将会有较大程度降低，发现侵蚀深度对于桩基的竖向极限承载力的作用程度大于剥落厚度。当剥落的厚度不大于6cm，增加桩长可以提升桩基竖向极限承载力；当剥落的厚度大于6cm，增加桩径可以提升桩基竖向极限承载力。

姚贤华等在青海盐沼泽区，发现了桩体的腐蚀长度是对桩基竖向极限承载力有影响的关键原因，当桩体的腐蚀长度多于8m的时候，桩基的竖向极限承载力减小率明显。

郑扬等研究了在不同的桩长情况下，随着受腐深度的增长，受侵蚀的桩基的极限承载力，出现减小的趋向。随着桩长的增长，桩基极限承载力降低率逐步减小，故桩长的增加有利于降低腐蚀带来的不利影响。桩径的增长或减小，对于桩基的竖向承载力的作用不明显。从剥落厚度的改变，分析桩基的极限承载力，竖向承载力随着桩径越小，其减小得越快。侵蚀到桩基的保护层之后，桩径越小的桩基的竖向承载力，被侵蚀后会产生较大的作用。

王凤池等通过研究认为，钢桩表面产生腐蚀产物后，使桩体和土体之间的粘聚力降低，进而降低了桩基的竖向承载力。