海洋环境码头桩基性能退化及剩余寿命预测研究

董勤学 仇陆锋 南京智航工程技术咨询有限公司

1.前言

我国海岸线较长，码头众多。海洋环境码头桩基桩身受氯离子侵蚀作用，随着氯离子侵入深度及浓度不断增加，桩基结构承载能力普遍存在降低的情况，对码头的使用寿命产生影响，当氯离子浓度扩散侵蚀导致混凝土中的钢筋发生锈蚀，将可能影响码头整体结构安全，威胁码头及作业人员生命财产安全，因此对海洋环境码头氯离子侵蚀作用下桩基性能退化及剩余寿命的研究意义较大。

相关学者对海洋环境桩基氯离子影响及剩余寿命进了研究，蔡荣[1]研究了海洋环境下混凝土表面氯离子浓度影响因素及量化指标；王骏[2]基于混凝土强度及氯离子变化研究了码头剩余寿命计算方法；鞠学莉等[3]建立了氯离子侵蚀模型并结合钢筋锈蚀速率模型，预测了相关结构的服役寿命。

本文为研究高桩码头桩基性能退化及码头剩余寿命准确计算，根据高桩码头桩基氯离子侵蚀破坏模型，基于实测资料研究了高桩码头桩基耐久性退化规律，以江苏省连云港多座码头为研究实例对象，对其剩余寿命进行预测，并进一步探讨了码头使用寿命延长措施。相关原理及计算方法可在其他海洋环境混凝土结构推广使用。

2.海洋环境混凝土桩基氯离子扩散模型及计算方法

2.1 海洋环境桩基耐久性退化模型

海洋环境高桩码头桩基与海水接触，桩基混凝土不同深度氯离子浓度典型分布情况如图1所示。码头结构混凝土桩中的钢筋受氯离子侵蚀发生锈蚀，由于氯离子的扩散过程较为复杂，国际上一般采用Fick第二定律，如图2所示的高桩码头桩基性能退化分析模型[4]，可以较好地描述混凝土桩不同时刻氯离子影响状况，以判别码头混凝土桩耐久性。因此结合Fick第二定律及图2所示的退化模型进行海洋环境桩基耐久性研究。

图1 海洋环境桩基氯离子浓度典型分布

图2 高桩码头桩基性能退化分析模型

2.2 氯离子扩散模型及计算方法

桩基氯离子扩散模型采用Fick第二定律扩散理论，公式如下：

利用文献[4]中建立的氯离子扩散模型可按下式表示：

式中，D(t)、D0分别为时刻t、t0的氯离子扩散系数，m为衰减拟合指数，可参考文献[4]取值。同时28天龄期的混凝土氯离子扩散模型以水灰比表示如下：

以综合系数对氯离子扩散模型进行改进，适应不同码头混凝土结构的差异，改进的公式如下：

式中，为综合系数，按照式（5）可进行反推，得到下式：

将式（6）代入公式（1），假设初始时刻混凝土氯离子浓度为0，可得到修正的Fick第二定律公式：

3.高桩码头桩基使用寿命计算

根据连云港地区多座码头桩基混凝土具体资料，其中部分码头桩基各深度氯离子浓度分布情况列于表1。根据图2所示的桩基性能退化模型，绘制了连云港地区桩基性能退化曲线，如图3所示。

表1 桩基各深度氯离子浓度分布取样结果

图3 高桩码头桩基性能退化曲线

可见，桩基表面20m m位置氯离子浓度达到临界浓度0.10%的时间约为5-10年，连云港地区桩基预应力钢筋表面的混凝土保护层厚度约为52.5mm，根据桩基性能退化曲线与氯离子临界浓度0.10%，可以判断连云港地区相关码头使用寿命约为50年。

4.高桩码头剩余寿命计算

以连云港L9码头工程为例，通过式（7）计算其剩余寿命，码头结构断面如图4所示。

图4 L9码头工程结构断面图

将实例工程实测数据代入式（2），可知实例工程混凝土设计水灰比为：

将式（9）计算结果与表1中码头各分层数据依次代入式（7），得到五个分层各自的综合系数依次如下：

根据工程资料，初始时刻L9码头混凝土表面氯离子浓度Cs为0.40，带入表1中码头各分层的综合系数，初始时刻混凝土表面氯离子浓度Cs为0.40，可计算得到钢筋表面氯离子浓度达到临界值时的时间。

L9码头五个分层的临界时间分别为51.6年、61.5年、72.3年、68.5年与54.3年，根据各分层的最不利值，可知实例码头工程最大使用寿命为51.6年。由于本码头已使用9.5年，因此，码头的剩余寿命为42.1年。

5.码头使用寿命延长措施研究

对于海洋环境码头桩基结构，在桩基设计建造时，可以通过提高密实度、添加影响氯离子扩散的添加剂等措施改善混凝土耐久性能，同时也可以通过在钢筋表面设置涂层，来减缓钢筋锈蚀，从而提高码头结构的耐久性及使用寿命[6]。

部分码头年代久远，随着码头不断使用，除受海洋侵蚀影响，码头本身存在的破坏情况，对码头使用寿命影响更大。为了延长码头的使用寿命，改善码头运营环境，有必要采取一定的码头加固措施。主要有如下加固方案[7]：

（1）对于码头栈桥等位置发现的锈蚀钢筋，可能是由于保护层厚度随使用逐渐减小或碳化深度增大原因导致的，对于此类情况应及时对钢筋进行除锈和放锈处理，并做好钢筋的保护措施，防止钢筋的进一步锈蚀。

（2）对于码头桩、柱等主要结构出现破损，钢筋锈蚀等问题，将严重影响码头的使用安全，针对此类情况，有必要采用一定的结构加强措施，如在结构四角添加角钢；在破损位置可以采用防腐砂浆，并利用钢板等包裹破损位置进行防护，并注意加固结构的保护措施。

同时，码头在使用过程中常受到船舶撞击影响，随着码头使用频率的增加，船舶撞击风险进一步提高，撞击严重时将直接造成船舶和码头结构的损坏，影响码头使用寿命及工作人员安全。因此有必要对码头增加一定的防撞措施，对撞击风险较高位置增加结构厚度，采用如橡胶等缓冲结构。

对于海洋环境高桩码头，在设计建造时应注意采取一定的措施减缓氯离子扩散，对于码头出现的破损、锈蚀情况应及时采取工程措施提高码头结构安全性，并结合一定的码头防撞措施，延长码头使用寿命。

6.研究结论

本文针对海洋环境高桩码头桩基氯离子侵蚀问题，基于高桩码头桩基性能退化模型对连云港地区码头桩基耐久性及使用寿命进行了研究，绘制了连云港地区桩基性能退化曲线，以L9码头工程为例，对其剩余寿命进行了分析预测，得到如下主要结论：

（1）桩基表面20mm位置氯离子浓度达到临界浓度0.1%的时间约为5-10年，桩基预应力钢筋表面的混凝土保护层厚度约为52.5mm，根据桩基性能退化曲线码头使用寿命约为50年。

（2）L9码头工程最大使用寿命为51.6年，由于本码头已使用9.5年，其剩余寿命约为42.1年。

（3）对于海洋环境高桩码头，在设计建造时应注意采取一定的措施减缓氯离子扩散，采取一定的码头防撞措施，对于码头出现的破损、锈蚀情况应及时采取工程措施提高码头结构安全性，延长码头使用寿命。

（4）后续可进一步研究不同混凝土桩基耐久性提高措施对氯离子侵蚀的改善作用及对码头使用寿命的提高情况。