高桩码头PHC管桩裂缝原因分析及防治措施
汤渭清
摘 要：从PHC管桩制作、沉桩及使用等阶段详细分析了易导致该桩型出现裂缝的原因，同时对裂缝的检测方法进行了探讨，最后提出了PHC管桩裂缝的具体防治措施，对高桩码头PHC管桩的裂缝防治工作具有一定的指导意义。
关键词：高桩码头 PHC管桩 裂缝 防治措施
预应力高强度混凝土管桩（简称PHC桩）是预应力技术与离心制管技术相结合的产物， 在沿江沿海港口工程建设领域得到了广泛的应用，成为高桩码头结构最主要的桩基型式。然而PHC管桩在工程实践中仍然发现会存在一些质量通病问题，其中最突出的问题即为桩身的裂缝，因为PHC管桩为环状薄壁结构且是码头结构主要的受力单元，裂缝的存在对高桩码头结构的安全运营或使用寿命均存在一定的影响，因此有必要对裂缝产生的原因进行探讨，以便采取合理的应对措施，提出防治办法。
裂缝产生原因分析
1、生产工艺方面
PHC管桩是采用先张预应力离心成型工艺，其工厂工艺流程一般为钢筋切断、墩头→钢筋笼编织→混凝土搅拌→混凝土喂料→预应力张拉→离心成型→常压蒸汽养护→脱模及标识→高压蒸汽养护→管节拼接。从PHC管桩整个生产工艺流程分析看，在这阶段桩身裂缝产生的可能原因主要反映在以下几个方面：①从离心成型机理可以看出，离心成型后的管桩管壁断面是一种分层结构，由混凝土层、砂浆层和净浆层组成，因净浆层的水灰比较大，干缩性大，又处于内表面，很容易产生干缩裂缝，随着管桩直径和壁厚的增加，而净浆层厚度随之增加，干缩裂缝的深度也会加大，净浆层存在的这种干缩裂缝在后期吊桩或沉桩过程中，可能会影响到管壁混凝土。②目前单根桩管节长度已能做到50米甚至更长，这对模板和离心旋转生产线的要求甚高，如工艺水平不高，很容易在管节离心成型过程中受到抖动，导致离心成型后的管节表面有裂缝产生。③离心成型后，在吊运至养护槽的过程中，可能因受力不均匀或微小碰撞等问题导致尚未凝固的混凝土产生变形，从而导致裂缝及破损的产生。④高温高压蒸养后的混凝土管节出釜后的卸压制度和降温制度控制不当，会造成管桩管壁内外温差过大，外表收缩过快而产生表面裂缝。
2、施工工艺方面
高桩码头PHC管桩多采用锤击法沉桩，其原理是利用桩锤自由下落时的冲击力锤击桩头，其所产生的能量克服土体对桩的侧阻力和端阻力，导致桩土之间原有的静力平衡体系失效，桩体随之下沉，直到桩土之间达到一新的平衡，因此锤击法沉桩过程也是桩土静力平衡体系不断被打破又不断达到一新的平衡的过程。从锤击沉桩裂缝产生机理可见，桩身裂缝的产生主要是锤击过程中桩身应力过大引起的，若桩体较长，桩尖土质较差，最大拉应力大多发生在打桩初期桩身中部一定范围，约（0.3～0.7）倍桩长位置；当桩尖土质较硬时最大拉应力一般发生在桩的上部，因此锤击沉桩过程中的裂缝控制其实就是桩身锤击应力的合理控制。
裂缝检测技术分析
PHC管桩裂缝检测的方法主要有低应变反射波法和高应变测试法，对水上可见裂缝则直接采用目测法结合仪器设备检测，对水下部分裂缝的检测则多采用潜水探摸结合摄像开展。同时由于PHC 管桩特有的内腔，使孔内摄像技术也逐渐被应用到管桩裂缝检测中。
1、动测法
低应变法。目前，低应变法已成为应用最为广泛的基桩裂缝检测手段，其测桩轻便、速度快、操作简单；相比高应变，可以检测到距桩顶较近部位的缺陷及轻微缺陷。但在码头PHC管桩裂缝检测中也存在以下一些问题：①由于PHC 管桩独特的环状结构，应力波传播途径会多样化，因此，当出现平行于桩轴线的纵向裂缝时，应力波极易绕射过去而无法检测到。②由于应力波反射法靠单一的波形特征来判断桩的缺陷，但缺乏对缺陷程度的定量分析，因此不能定量给出裂缝宽度的准确值。③当第1 裂缝缺陷较大时，会阻断信号的上行与下达，增加深部裂缝缺陷的识别困难，特别是当第2缺陷为第1 缺陷的2 倍时更难以识别。④由于港口工程中应用的PHC 管桩桩长与桩径比值较大，且为环状结构，而低应变反射波的锤击能量较小，因此很难识别深部缺陷。
高应变法。高应变动力测试采用重锤锤击，和低应变法相比锤击能量大，使得应力波所能传达的深度增大，可反映出桩身深部裂缝缺陷；高应变测试时在PHC 管桩两侧对称安装1 对加速度传感器和1 对力传感器，不仅使测点布置合理、测试参数较多，而且使得桩身完整性检测更加可靠。特别在判定桩身水平整合型裂缝、多道裂缝缺陷等情况时，能够在查明缺陷是否影响竖向抗压承载力的基础上，合理判定裂缝缺陷程度。由于高应变法动力测试数据的采集质量直接关系计算结果的准确性，因此，正确采集信号是良好结果的前提条件。但影响采集信号的因素很多，如，桩头处理好坏、锤击位置及能量大小、传感器安装、外界干扰、仪器本身性质等，都会影响数据的采集质量。此外由于高应测试涉及锤击系统，高应变测试大都采用打桩船上的打桩锤锤击，因此，对沉桩施工进度有一定的影响，不可能大面积使用。
2、外观调查检测
外观调查检测只能对泥面以上PHC管桩的裂缝开展相关调查检测工作，对于水面以上的裂缝可直接采用肉眼观察，结合裂缝放大镜、非金属超声波检测仪等仪器检测的方法进行，可准确读取裂缝的宽度和深度情况。对于泥面以上水面以下PHC的管桩裂缝则可以采用水下探摸结合水下摄像的方法探明裂缝位置和缺陷程度，但水下探摸也受桩基所处河段的水文及水质情况制约。
3、孔内摄像法
孔内摄像是一种较为直观的基桩检测方法，以空孔为观察行进通道，采用防水摄像头、定位装置及其配套设备按一定的速度对整根桩或桩身局部的内侧面进行观察或拍摄，并记录拍摄过程。通过对摄取图像的现场观察及后期逐帧观察、分析，可识别桩身的缺陷位置、形式及大小，据此定量分析桩身的完整性并能准确判定缺陷位置。该法能较为全面地观察到低应变检测不能反映或难以判别的缺陷问题。具有检测技术直观、精确确定缺陷位置、定量分析缺陷等优点。可见，这一方法对以上检测方法而言也是一种很好的补充和验证，但同时也存在一些不足之处：对检测环境要求较高、孔内摄像支架较难固定、检测速度较慢等。
从以上各检测技术的分析可以看出，各种裂缝检测技术均有各自优势及适用范围，单一的运用某种检测方法很难准确识别PHC管桩的裂缝缺陷，甚至会引起误判，进而影响工程的质量。因此在对PHC管桩进行裂缝检测时，建议首先对桩身水面以上部位进行全数外观调查，并按照规范要求抽取一定比例的管桩进行动测，对外观调查中发现的裂缝问题，如有必要对基桩水下部位进行探摸检测，以全面考察裂缝出现的范围及其形态。对于沉桩过程中出现异常的桩，如低应变检测未能明确为完整桩或对低应变结果有怀疑时，则应进一步采用高应变动测法予以验证，以防误判，必要时可采用孔内摄像等检测技术进行进一步佐证。
裂缝防治措施
从以上分析PHC管桩裂缝产生的主要原因看，要预防PHC管桩裂缝的产生，可主要从以下几个方面入手：①严格控制混凝土配合比，认真选择原材料，保证熟料混凝土生产的均匀性。②PHC管桩离心成型工艺已日趋成熟，制桩过程中主要预防的裂缝首先应是温差引起的收缩裂缝，这种温差最可能发生在管桩常压蒸汽养护后的脱模阶段以及高压蒸汽养护结束后的降压降温阶段，因此管桩经常压蒸汽养护后不应立即拆模，而应等混凝土温度降至与室温大致相当后再拆模，经高压蒸汽养护后，应建立合理的降压降温制度，逐级降温降压。③PHC管桩成品出厂前应对桩身混凝土观感进行全数检查，管桩运至码头现场时还应进一步检查，确保存在明显裂缝的管桩不能用于码头建设工程中。④PHC管桩施打前要对区域地质资料进行充分分析，搜集临近码头的试桩资料，如地质条件复杂，特别是存在软硬突变土层或预计贯入难度较大时，应先行试桩，通过试桩确定合理的锤击参数和停锤标准，选择合适的桩垫锤垫。⑤当锤击沉桩过程中桩端未达到设计标高，但贯入度已满足设计要求或桩端已达到设计标高，但贯入度仍较大等异常情况时不应继续盲目锤击，而应仔细分析地质资料，并会同设计单位协商解决。⑥为加强PHC管桩的耐打性，可根据管节直径大小适当加密箍筋，同时在桩顶以下3-5m范围每隔1-1.5m外加钢抱箍，以预防纵向裂缝的发生，此外还可以在管桩混凝土中产掺加钢纤维，也可起到很好的抗裂效果。⑦PHC管桩沉桩全部结束后，在横梁现浇前对水面以上PHC管桩的裂缝情况开展一次全面普查，如存在裂缝，应视裂缝开展的程度采用合适的检测方法予以检测，并视检测情况给出具体修补措施，确保码头PHC管桩最终的使用质量。
结语
在总结高桩码头PHC管桩制桩及施工工艺的基础上，本文对PHC管桩在制桩及锤击沉桩过程中可能产生裂缝的原因或机理进行了初步的分析，在此基础上提出相应的防治措施。
PHC管桩裂缝检测手段较多，但每种检测方法均有其适用范围，如单一的运用某种检测方法很难准确识别PHC管桩的裂缝缺陷，甚至会引起误判，因此实际检测过程中应视裂缝的情况采取多种检测手段联合检测，以掌握裂缝的程度，便于采取合理的处治措施。
参考文献：
[1] 王勇昌，李洪.PHC 桩在海港工程中的应用[J].港工技术.2005（9）：27-28.
[2] 刘翔，赵鹏.PHC 桩在天津港码头工程中的应用[J].中国港湾建设，2005（12）：53-55
[3] 史佩栋.桩基工程手册[M].人民交通出版社，2008
[4] 黄阳.孔内摄像技术在PHC 管桩完整性检测中的应用[J].工程质量，2005（9）：17-21
[5] 金舜，匡红杰，周杰.我国预应力混凝土管桩的发展近况和方向[J].混凝土与水泥制品，2004（2）：27-29
（作者单位：江苏省交通运输厅工程质量监督局）
