一种沿海高桩码头PHC管桩修复方法及运用

吴启明

中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200063

1 沿海高桩码头PHC管桩产生裂缝的原因

PHC管桩属于先张法预应力管桩，具有强度高、抗裂能力强、节省混凝土、耐久性高等优点，近年来PHC管桩行业得到迅猛发展，在沿海港口码头等工程中得到了普遍应用。然而沿海高桩码头工程PHC管桩在施工过程中，也存在一些质量问题，其中最常见的当数基桩施打完毕后桩身出现不同程度的表面龟裂，这一现象并未引起大家的关注，而桩身出现横向或纵向通长裂缝，这对于整个水运建设行业来说出现的次数是微乎其微的，从而引起了大家的高度关注和重视，而究其产生裂缝的原因无非是生产工艺、原材料、运输、施打偏心操作不当导致的。通长裂缝（横向或者纵向）直接影响码头桩基结构的耐久性和使用安全性，必须进行桩基修复工作，以便码头工程建成后能正常投入使用[1-2]。

2 高桩码头PHC管桩桩型类别及裂缝检测情况

PHC管桩有A、B、AB这3种桩型，桩径、壁厚各有不同。本文选取直径为1 200 mm、壁厚150 mm的B型管桩来说明，其横截面积为494 801 mm2，单位质量为1 286 kg/m，预应力钢筋数量为46根直径为12.6 mm的钢棒，抗裂弯矩为1 668 kN·m，极限弯矩为3 002 kN·m，单桩结构允许承载力为8 783 kN。依据相关检测规范并结合高桩码头的具体特点，高桩码头PHC管桩桩基主要采用低应变反射波法、高应变测试法进行裂缝检测。基桩桩身完整性和承载力分别采用低应变反射波法和高应变测试法进行检测。依据相关规范规定，裂缝宽度在0～3 mm之间，外观劣化度分级标准属于B、C级，混凝土结构耐久性为C级；裂缝宽度大于3 mm，外观劣化度分级标准为D级，混凝土结构耐久性为D级，应立即进行修复、补强。

以华南某高桩码头为例，该工程PHC管桩沉桩总数为472根，有130根存在质量缺陷，其中轻微缺陷（裂缝宽度0～3 mm）有48根，外观劣化度分级标准为C级，混凝土结构耐久性为C级；严重缺陷（裂缝宽度大于3 mm）有82根，外观劣化度分级标准为D级，混凝土结构耐久性为D级，裂缝缺陷延伸至泥面以下的有63根。

3 管桩修复设计及施工

3.1 管桩修复设计方案

针对以上桩检情况和不同裂缝的缺陷程度类型分别制定了不同的管桩修复方案，经过多次设计方案的讨论及多轮专家评审，最终形成了如下设计方案并得以实施。

1）情况Ⅰ-1（C级）：轻微缺陷，裂缝宽度W≤3 mm的纵向裂缝1条，采用桩芯素混凝土＋密封胶＋纤维布1。桩芯素混凝土处理范围为：裂缝上下各加1 m（对裂缝延伸到海床面以下的，往下灌注至泥面以下3 m处）。

2）情况Ⅰ-2（C级）：W≤3 mm的横向裂缝1条，或W≤3 mm的裂缝2条及以上，或局部破损，采用桩芯钢筋混凝土＋密封胶＋纤维布2。桩芯钢筋混凝土处理范围为：上至桩顶，下至泥面以下6 m处。

3）情况Ⅱ-1（D级）：严重缺陷，3 mm＜W≤30 mm的纵向裂缝1条，采用桩芯钢筋混凝土＋密封胶＋纤维布1。桩芯钢筋混凝土处理范围为：上至桩顶，下至泥面以下6 m处。

4）情况Ⅱ-2（D级）：W＞30 mm的纵向裂缝1条，或W＞3 mm的横向裂缝1条，或W＞3 mm的裂缝2条及以上，或局部破损，采用桩芯钢筋混凝土＋密封胶＋纤维布2。桩芯钢筋混凝土处理范围为：上至桩顶，下至泥面以下6 m处。

需注意以下几个方面：

1）纤维布1为水下贴覆1层复合纤维布，复合纤维布贴覆范围为裂缝两侧各20 cm，并在裂缝位置向上、向下各延伸50 cm（对裂缝延伸到海床面以下的，往下贴覆至泥面）；纤维布2为沿桩周缠绕1层，并在裂缝位置向上、向下各延伸50 cm（对裂缝延伸到海床面以下的，往下包覆至泥面）。

2）对情况Ⅱ-1（D级）和情况Ⅱ-2（D级），桩芯灌注C30钢筋混凝土至桩顶，并以C30桩芯钢筋混凝土替代原桩顶部2 m的C45桩芯混凝土及其配筋。

3）对同一排架有多根桩出现严重缺陷，或轨道梁下桩基（斜桩）出现严重缺陷的情况，修复方案已考虑了通过管桩内侧灌注桩芯混凝土（上至桩顶、下至泥面以下6 m处）的替代方式，外侧密封胶封堵并包覆纤维布进行重点加固。

3.2 修复后管桩承载力计算

管桩承载力的计算内容包括承载力极限状态下的管桩偏心受压承载力、偏心受拉承载力、横截面受剪承载力计算，正常使用极限状态下管桩的抗裂验算。

1）承载力极限状态下的管桩偏心受压承载力按行业标准JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》中的5.2.6和5.3.7条计算。

2）承载力极限状态下的管桩偏心受拉承载力按行业标准JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》中的5.4.3和5.4.4条计算。

3）承载力极限状态下的管桩横截面受剪承载力按10G409《预应力混凝土管桩》中的6.3.2条计算。

4）正常使用极限状态下管桩的抗裂验算按行业标准JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》中的6.3.1和6.3.2条计算。

管桩修复后的计算结果及评估如表1所示。

表1 管桩修复后的计算结果及评估

通过以上计算可知，在修补受损混凝土截面基础上再往管桩桩芯灌注实体混凝土，实体混凝土结构已能承受相应桩基内力，增加了管桩的安全储备，满足结构受力和使用要求，耐久性可以满足50 a的设计使用年限。

3.3 修复施工

管桩缺陷修复的总体施工流程如图1所示。

图1 管桩缺陷修复施工流程

3.4 关键施工方法

3.4.1 水下密封胶封堵

PHC管桩外侧裂缝采用水下密封胶封堵，待水下密封胶封堵后，在裂缝位置附近水下贴（包）覆1层复合纤维布。复合纤维布贴覆范围为裂缝两侧各20 cm，并在裂缝位置向上、向下各延伸50 cm。复合纤维布包覆范围为裂缝位置向上、向下各50 cm，水下缠绕1层复合纤维布。

1）水下密封胶的性能指标（表2）。水下密封胶为使用环氧树脂、特种固化剂、无机填料等材料制备的一种环氧胶泥，是一种双组分反应固化型高分子材料，是水溶性胶泥状物质，对材料、人体无腐蚀。具有修补、防漏、接驳、绝缘、造型、制模等功能，使用极为简便，可徒手操作不黏手，干固后呈刚性，黏结强度高、抗霉变性能好，同时具备了耐高温、耐酸碱、耐水压、不收缩、不老化、不龟裂，可对表面进行打磨、上油漆等优异性能。

表2 水下密封胶的性能指标

2）水下密封胶封堵的施工方法。严格按规定的比例（从 A、B两种成分中各取规定的比例）完全混合均匀。施工前应清除干净修复基层上的浮灰、锈层、水生物等不牢附着物。在实际应用过程中，应该按施工需要配制，配制好的物料宜在30～40 min内用完；由潜水员在水下用气动工具或高压水枪清除局部破损部位表层海生物、松散混凝土及其他不牢附着物直至露出坚硬部分，并清洗裂缝内两侧，由潜水员采用水下密封胶将裂缝封堵；施工后用手或工具蘸水将表面推平抹光，并略施压力以增强复合效果。

3）水下密封胶封堵的施工质量检验。管桩表面裂缝涂胶均匀、无脱落现象；管桩表面修复后，表面平整，裂缝无凹槽现象；施工过程中，采用水下拍照的方法，对每道工序进行拍照监控和检查。水质条件允许时，对关键工序进行全程水下录像。修复完成后，采用水下录像或拍照的方法，进行基桩外观修复效果检查。

3.4.2 水下贴（包）覆复合纤维布

1）复合纤维及配套水下浸渍胶的性能指标（表3）。复合纤维采用碳纤维布，并配备黏结碳纤维布配套的浸渍胶。产品特点为：适用于不同水质，利用纤维材料对化学反应的惰性，可抗各种化学制剂，耐酸、耐碱；适用于不同环境，配套加固材料在水下仍有超强紧密的黏结力。可由潜水员在水下直接操作，避免搭设围堰；其耐久性可抵抗因气候循环引起的干湿、冷热、冻融等交互作用，及水流、海洋潮汐、废水、电解等持续性或间歇性的腐蚀作用，耐久性佳，防腐寿命长；材料强度高，环保无污染。

表3 碳纤维复合材料和配套浸渍胶、黏结剂的性能指标

2）水下贴（包）覆复合纤维布的施工方法。由潜水员在水下用气动工具或高压水枪清除破损部位表层海生物、松散混凝土及其他不牢附着物直至露出坚硬部分（可同裂缝处水下密封胶封堵时的清理同步进行）；水下贴（包）覆复合纤维布在水下密封胶固化之后进行；在水上采用配套水下浸渍胶浸渍纤维布；由潜水员在水下将设计范围内浸渍后的纤维布对桩身进行贴覆。采用滚筒或手工将浸渍后的纤维布按规定的取向方向粘贴在待修复的桩基表面，并用滚筒或手工加压的方式排除接触面的空气，保证纤维布能够坚固地粘贴在桩基表面。

3）水下贴（包）覆复合纤维布的施工质量检验。复合纤维布的实际粘贴面积不应小于设计面积，位置偏差不大于10 mm；复合纤维布与管桩之间的黏结质量，可用小锤轻轻敲击或手压纤维布表面的方法检查，总有效面积不应低于95%。当复合纤维布的空鼓面积不大于10 cm2时，可采用针管注胶的方法进行修复；当空鼓面积大于10 cm2时，宜将空鼓部位的纤维布片材切除，重新搭接贴上等量的纤维布片材，搭接长度不应小于100 mm。

4 修复完成后桩基检测效果

管桩外侧密封包覆修复施工前对原材料进行检测，检测结果合格；施工完成后对包覆效果进行正拉黏结强度检测，检测结果合格。施工完毕后根据有关规定对灌芯修复桩进行了小应变检测，检测结果合格，同时委托第三方进行了小应变抽检，全数检测130根桩，其中129根桩桩身完整性均为Ⅰ类，占比99%，1根桩桩身完整性为Ⅱ类，未发现Ⅲ、Ⅳ类桩，检测结果合格。

5 结语

本文简述了我国沿海高桩码头PHC管桩裂缝产生的原因、检测与评估现状，提出了修复方案并验算了其内力，通过验算确定了其修复方案的安全性和适用性，最终通过现场科学细致的施工，经桩基桩身完整性检测，施工效果良好。同时较好地解决了同类工程中PHC管桩裂缝修复工作的建设任务。当然，本文按实际工程条件进行修复的方法可能具有一定的局限性，工程研究人员可扩大调查研究及进行统计分析，在对沿海高桩码头PHC管桩裂损研究总结的基础上提出更为多样化的修复方法，从而促进我国高桩码头桩基修复技术不断提高。