灌浆加固在桩基修补工程中的应用技术研究

2022-02-16张悦然

水电与新能源 2022年1期

张恒，张悦然

(中交港湾(上海)科技有限公司，上海 200032)

由于码头前沿水深不断增大，桩基自由长度增大，靠泊船舶吨位和装卸机械的大型化，桩基承受荷载增大，现役高桩码头基础桩受损现象增多[1-3]。潮差区段桩基础直接处于海水腐蚀最严重区域，是高桩码头最易遭受侵蚀破坏的部位，直接影响桩基基础的承载性、耐久性[4-5]。

灌浆加固是一种施工方便、快速有效的加固方法，可保证后加固部分与原构件连接可靠，共同工作，提高构件的承载力，可广泛的用于混凝土管桩等构件的加固[6-9]。其中，钢套筒灌浆修补技术是一种采用“夹克法”的桩基修补技术，该技术采用新型水下抗分散高性能水泥基灌浆料、钢套筒水下止水和安装工装、小型灌浆施工专业设备以及水下灌浆工艺，现场操作简单，施工效率高，修补加固效果明显，具有较高的性价比优势[10-11]。

目前我国桩基基础灌浆加固修补技术及其施工工艺还有待完善，亟需相关工程实践为后续桩基灌浆加固施工技术提供宝贵的工程经验，进一步指导灌浆加固技术的工程实践。

1 项目概况及要求

1.1 工程概况

辽宁省盘锦市某码头位于渤海辽东湾北部，距离最近海岸约17 km的浅海地区。该码头长度为120 m，码宽度为12 m，原为板桩码头，后因板状构件出现明显外倾，为达到使用功能，在原结构前方增加高桩码头，桩身材料为PHC管桩，高桩码头面层部分与板桩码头胸墙用混凝土板搭接。

在使用过程中发现有19根PHC管桩多处出现竖向裂缝，另有3根PHC管桩与上部梁帽连接处出现脱离现象。基于此，为确保码头使用安全，需对受损PHC管桩进行修补，以提高桩基基础结构的承载力和耐久性。PHC管桩的受损典型图如图1所示。

图1 PHC管桩的受损典型图

1.2 灌浆加固修补施工情况

本项目主要针对以下三部分进行修补：①对19根存在竖向裂缝的PHC管桩进行环氧封闭、化学注浆处理；②对上述19根PHC管桩完成裂缝修补作业后，外包钢套筒并灌注灌浆材料处理；③对3根上部帽梁与PHC管桩桩身脱离的桩，将脱离处原有混凝土掏空后，灌注灌浆材料处理。

1.3 灌浆材料技术要求

根据工程特点，本项目灌浆加固修补所用灌浆材料的技术指标应满足如下要求：

1)具有大流动特性，能够满足灌浆工艺要求；

2)具有微膨胀特性，灌浆材料硬化后，填充灌浆空间，不出现因收缩导致的裂缝；

3)与桩基本体和钢套筒具有良好的粘结性；

4)28 d强度应大于本体强度，使得灌浆加固后的桩基恢复其破坏前的承载能力。

基于上述性能要求，本项目对比了巴斯夫MasterFlow系列环氧树脂灌浆材料和中交港湾(上海)科技有限公司自主研发的优固特®SKG-3型灌浆材料，其性能指标如表1所示。

由表1可知，巴斯夫MasterFlow系列环氧树脂灌浆材料虽然具备较好的初始流动度，但其流动度保持能力欠佳，若面对突发情况导致灌浆中断时，该型灌浆材料容易因流动度损失而导致无法完成灌浆施工，而中交港湾(上海)科技有限公司自主研发的优固特®SKG-3型灌浆材料具备更好的流动度保持能力，且其1、3 d和28 d强度均高于MasterFlow系列环氧树脂灌浆材料，表明优固特®SKG-3型灌浆材料具备更好的施工性和高强特性。综上，优固特®SKG-3型灌浆材料更加适用于本项目灌浆加固修补工程。

表1 两种灌浆材料技术指标

2 灌浆加固施工

本项目采用中交港湾(上海)科技有限公司自主开发的一体化、集成化的灌浆施工工艺和优固特®SKG-3型灌浆材料，成功地完成了受损庄基的灌浆加固修补，根据工程经验，灌浆加固施工步骤可总结如下。

2.1 桩基表面清理

为保证灌浆加固连接质量，本项目将原桩基表面松散的混凝土凿除，至混凝土露出新鲜密实面，并及时清除原桩基表面的水生物附着物、防腐涂层和玻璃钢包覆物等，并对原桩基的竖向裂缝进行环氧封闭、化学注浆处理。经此工序后，灌浆材料和受损桩基间会粘结得更加牢固，进而保证工程质量。

2.2 钢套筒安装

本项目受损的PHC管桩，直径1 200 mm，根据设计要求，钢套筒内径1 320 mm，环形空间60 mm。钢套筒剖面图如图2所示。

图2 钢套筒剖面图

本项目钢套筒与混凝土表面原有玻璃钢包覆层有约20 cm高度的搭接，同时为保证工程质量，在钢套筒安装过程中，严格控制上下钢抱箍、筒体的安装方位，确保高强螺栓连接处在设计要求的轴线位置，具体安装步骤如下：

1)由施工平台将半片套筒筒体运送至已安装完上部钢抱箍的桩基处；

2)潜水人员配合施工平台上的施工人员将半片套筒慢慢吊装至指定标高；

3)施工平台上的施工人员将半片套筒与上部钢抱箍固定，潜水人员在水下配合，稳固该半片套筒，直至套筒与上部钢抱箍固定完成；

4)剩下的另半片套筒以同样的方式运送至吊装至指定位置，并与上部钢抱箍固定；

5)当两片套筒均与钢抱箍固定完成后，由施工人员将两片套筒的拼接螺母自上而下进行安装紧固处理；

6)由施工平台上的施工人员及潜水员共同完成套筒的水上部分、水下部分拼接安装工作。

为保证施工质量，钢套筒安装结束后，还应检查钢套筒的垂直度、平整度和密封性。

2.3 灌浆加固施工工艺流程

灌浆工序是灌浆加固工程的关键步骤，能否将灌浆材料成功地灌入钢套筒内，是评判灌浆加固工程成败的关键指标。本项目根据施工经验，优化灌浆工艺，成功地将灌浆材料一次性灌入钢套筒内，顺利完成了受损桩基的灌浆修补，显著提高了灌浆加固施工效率。灌浆加固工程布置图如图3所示，主要步骤如下：

图3 灌浆加固工程布置图

1)根据设计要求，将灌浆管线从码头面层的泵送设备，引至码头下部钢套筒的预制管线；管线应顺滑，布置清晰可见，不得被其他遮盖物覆盖；

2)在正式泵送灌浆料前，必须对灌浆软管进行润管处理，以防止在泵送灌浆料浆体时产生堵塞情况；

3)将搅拌好的灌浆料浆体经灌浆管线，通过泵送的方式自下而上顶升，置换钢套筒和受损桩基间形成的环形空间中的海水；

4)当环形空间顶部有溢浆发生时，静置，使浆料中的气泡充分溢出，随后再次进行压力屏浆，此时，单个钢套筒灌浆结束；

5)停止泵送，拆除管线并将其移到下一个环形空间灌浆口，进行下一次灌浆作业；

6)全部灌浆结束后，拆除灌浆管线，清洗灌浆设备。

2.4 灌浆加固施工效果及检测

图4是PHC管桩灌浆修复施工照片。本项目采用自主研发的灌浆设备、材料顺利完成了19根PHC管桩的灌浆修补，施工效果得到业主好评。

图4 现场灌浆加固施工图

同时模拟海上灌浆加固施工环境，在岸上进行灌浆材料和钢套筒间的粘结性试验，经检测，灌浆材料与表面钢套筒28 d的粘结强度可达6 MPa以上，表明硬化后的灌浆料与钢套筒实现了良好的结合，可有效提升灌浆加固后，桩基结构的整体性。将硬化后的灌浆料，表面的钢套筒剥开，结果见图5。

图5 钢套筒剥开后灌浆料的表面外观图

由图5可知，硬化后的灌浆料表面光滑平整，无气泡、夹渣。表明灌浆料已完全填充于钢套筒和受损桩基间的环形空间，随着其硬化后强度的逐步提升，极大程度上提高了整体结构的承载力和耐久性。

为了确保灌浆质量得到有效控制，在灌浆施工过程中，需密切关注灌浆料浆体的温度、流动度、含气量、表观密度的变化情况，同时观察灌浆泵出口处灌浆施工压力，并在施工过程中留样制作抗压强度试块，进行三方送检。本项目灌浆加固工程具体检测项目和检测频次见表2。

表2 灌浆加固施工现场检测项目及检测频率表

灌浆现场测试及强度测试结果分别见表3、表4。试验结果表明，中交港湾(上海)科技有限公司自主研发的优固特®SKG-3型灌浆料材料综合性能优异，28 d抗压强度可达90 MPa以上，各项性能指标均符合设计要求。

表3 灌浆现场测试结果

表4 优固特®SKG-3灌浆料28 d抗压强度测试结果 MPa

2.5 灌浆加固关键技术控制

1)灌浆加固前，应综合考虑桩基结构缺陷的成因，及其对桩基承载力和耐久性的影响程度，综合确定灌浆加固工程量、灌浆工艺、设备和灌浆材料。单个加固的实际灌浆用量不应小于理论灌浆用量，本项目19根桩PHC管桩灌浆加固的实际灌浆用量均高于理论用量。

2)灌浆设备应选用一体化、集成化的灌浆作业系统。灌浆应根据灌浆方案，对灌浆设备进行系统的检查与调试，确认设备空间清洗干净、灌浆线路连接完整、灌浆、压力屏浆程序成熟可靠。其中，压力屏浆工序可有效保证钢套筒内灌浆填充的充盈度，是保证灌浆连接质量的重要工序。

3)灌浆材料的性能是决定灌浆加固工程质量好坏的关键因素。应根据工程特点，选择与该工程相匹配的灌浆材料，重点考虑灌浆材料的工作性、强度和微膨胀性等性能。为应对现场突发情况导致的灌浆中断情况，灌浆材料还应有良好的流动性保持能力。本项目选取的优固特®SKG-3灌浆材料，兼具大流动性和良好的流动性保持能力，初始流动度可达300 mm以上，30 min流动度可达280 mm以上。

4)灌浆检测是确保灌浆工程质量的重要环节。在灌浆的全过程都应进行质量检测，包括灌浆材料浆体的温度、流动度和表观密度等。每根桩基的灌浆加固，都应将溢浆口处灌浆材料留样，制作抗压强度试块，进行三方送检，试件强度应满足设计要求。