码头预应力管桩裂缝检测及修补加固工艺探讨
魏小明
摘 要：预应力高强混凝土管桩具有明显的优点，在码头工程得到广泛使用。然而在制造、施工及服役使用中，管壁极易产生裂缝，对大直径PHC管桩而言，其裂缝桩的出现概率5%～30%，较大的裂缝会降低管桩的承载力和耐久性，本文以长江中游某码头的管桩裂缝检测和修补加固工艺为例，进行了实践和探讨。
关键词：预应力管桩；裂缝；检测；修补加固
中图分类号：U655.4 文献标识码：A 文章編号：1006—7973（2018）2-0058-02
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，自上世纪80年代引入中国以来，在码头工程建设领域得到广泛的应用，成为高桩码头结构最主要的桩基型式。然而PHC管桩在工程使用中仍然发现存在一些质量技术问题，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存在一定的影响，因此有必要对裂缝产生的管桩进行修补，避免建设码头投资效益的损伤和浪费。
1 工程概况
某5000DWT件杂泊位码头，结构形式为高桩梁板式。桩基前沿方向布置Φ1000钢管直桩，后沿方向布置叉桩（斜桩为Φ1000-B型PHC管桩+Φ800δ16钢管桩的组合桩）。组合桩码头部分设计管节长度为43.5～50m，其中钢管节部分长为6m。
桩基工程在中水位经打桩船沉桩完工后，发现PHC管桩出现了较多的竖向裂缝。为查实PHC桩出现裂缝的具体数量和相关参数，委托有资质的检测单位对码头桩基水面以上部分裂缝进行了检测。
2 桩基裂缝检测情况及处理原则
经检测，该工程PHC桩无横向裂缝，均为竖向裂缝。发现竖向裂缝的有114根桩，累计裂缝长度677.94m。现场实测裂缝宽度最大为0.23mm；其中0.2mm宽度以上的裂缝6条，累计长度约34.07m；0.15mm～0.2mm宽度的15条，累计长度62.58m；其余均在0.15mm以下。PHC桩出现1条竖向裂缝的桩有79根，出现2条竖向裂缝的桩有28根，出现3条和3条以上竖向裂缝的桩有7根。
对沉桩施工工艺、沉桩记录及裂缝出现的位置综合分析，PHC管桩竖向裂缝出现的主要原因是锤击应力造成的疲劳损伤，由于条件限制，未做高应变检测及裂缝深度检测，查看全部PHC管桩低应变完整性桩基检测，未发现断桩。
PHC管桩空心构造减少了混凝土之间的有效粘结面积，裂缝恢复能力较低，表面裂缝恢复值随裂缝宽度增大而增大，但裂缝恢复率随裂缝宽度增大而减小，PHC桩外表面裂缝恢复率一般在50%以下。裂缝出现的位置位于长江历年水位变动区，对码头的耐久性产生不利影响，为了提高码头的耐久性，确保结构安全，对裂缝进行修补十分必要。
3 修补依据
（1）《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）。
（2）《港口水工建筑物修补加固技术规范》（JTS311-2011）。
（3）《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）。
4 修补总体思路及施工工艺
裂缝宽度≥0.2mm：化学灌胶法先对裂缝进行处理，然后绕桩周以螺旋状全裂缝长度粘贴两层碳纤维布进行加固，最后采用防腐涂装防护；裂缝宽度<0.2mm：封闭法修复，对裂缝切“U”型槽封闭，然后间隔1m绕桩周间断粘贴两层碳纤维布进行加固，最后采用防腐涂装防护；修补时机为最低水位时，逐根对最低水位以上PHC管桩桩基范围内的裂缝补充检测，然后按照实际裂缝长度进行修补。
4.1 封闭法修复
施工工艺如下：①采用机械或人工方法， 沿裂缝走向骑缝凿深度不小于30mm 和宽度不小于 20mm 的 U 型凹槽；②清除槽内松散层、 油污、 浮灰及其它不牢附着物；③在槽内的混凝土表面刷涂界面粘结材料；④刷涂界面粘结材料后，2小时内用聚合物砂浆对待修复面进行填充修复；⑤聚合物砂浆填充完，在砂浆表面洒水养护；⑥对裂缝处理部位进行打磨修整；⑦裂缝封闭法修复工艺流程如下：施工准备→沿裂缝走向凿U型槽→清洗U型槽→U型槽内涂刷界面剂→聚合物砂浆填充修补→裂缝修补表面打磨修平→养护；⑧施工质量要求：“U”形槽的宽不小于 2cm、深度不小于 3cm；涂刷胶液前，应保证”U”形槽干净；聚合物砂浆的固化时间保持在 2 个小时内。
4.2 化学灌胶法修复
施工工艺如下：①清除混凝土裂缝表面松散物和缝内异物；②按 200～500mm 间距设置灌浆嘴。裂缝的端部和裂缝交叉处均应埋设灌浆嘴；③埋设灌浆嘴采用结构胶粘贴法；④对裂缝进行封缝处理后，进行压气检查灌浆嘴的连通和密封效果；⑤按试验配比准确称量配置灌浆液，根据灌浆液的固化时间和灌浆速度随配随用；⑥按竖向缝自下而上、水平缝自一端向另一端的顺序进行压力灌浆，灌浆压力为0.2～0.4MPa；⑦待浆液固化后，拆除灌浆嘴，并对混凝土表面进行修整，打磨平整。⑧压力灌胶工艺流程如下：施工准备→清除裂缝松散物和异物→埋设灌浆嘴→封缝处理并进行密封效果→配置灌浆胶液→压力灌入结构胶液→胶液固化后拆除灌浆嘴→修补后的裂缝表面修平。
4.3 碳纤维布加固
在裂缝部位修复完成后，采用粘贴碳纤维布的方法进行维修加固处理，桩周粘贴两层碳纤维布。
4.3.1 施工准备
对所使用碳纤维片材、配套树脂、机具等作好施工前的准备工作。
4.3.2 混凝土表面处理
将PHC桩表面打磨平整，清除表面浮灰并保持干燥。
4.3.3 涂刷底胶
按照产品生产厂提供的工艺规定配制底胶，然后采用滚筒刷将底胶均匀涂抹于混凝土表面，底胶表面指触干燥后，立即进行下一道工序的施工。若当天未粘贴碳纤维布时，第二日应用干布擦拭已固化的底胶表面，并让其自然风干后才可进行下一道工序，底胶涂刷面边界应不小于所粘贴的碳纤维布范围。
4.3.4 找平处理
对混凝土表面凹陷部位用修补胶填补平整，不留棱角。待找平材料指触干燥后进行下一道工序的施工。
4.3.5 粘贴碳纤维布
（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。碳纤维布须避免在运输、放置、裁剪及粘贴过程中受弯折或浸水。
（2）按工艺规定配制胶材，根据粘接胶的标准用量，计算出所涂布面积的需用量，视现场气温等实际情况，确保在使用期内一次用完，按粘接胶使用说明规定的比例把粘接胶主剂和固化剂置于配胶容器中，用电动搅拌器搅拌均匀。
（3）用干燥的滚筒将浸渍胶均匀涂刷于构件表面，进行下层树脂作业。300g/m2的纤维片，用量约500～600g/m2，作业方式同涂刷底胶。
（4）粘贴碳纤维布于下层树脂上，用专用的滚筒在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并反复碾压，使树脂胶液充分浸渍碳纤维布，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接。及时检查有无未密合现象，若有，则以美工刀顺纤维方向剪开，充分注满树脂后压平。最后采用气囊顶压法对碳纤维布表面进行处理，保证碳纤维布粘贴牢固。
（5）碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面方法来判断，总有效粘结面积不应低于95%。如有空鼓现象应加以相应处理：用刀片将碳纤维布划开，然后采用注射器针管将调制好的粘接胶注入空鼓或气泡内填充至密实。
（6）养护。粘贴碳纤维布后需自然养护24小时，以达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
（7）粘贴碳纤维布施工工艺流程如下。施工准备→混凝土表面处理→涂底胶→用修补胶对构件表面残缺修补→贴碳纤维布→养护固化→工程验收。
4.4 表面防护
在粘贴碳纤维并形成复合材料凝胶固化后，在复合层表面施加防腐涂层，厚度为390μm。
5 修补后检查
码头PHC管桩检测列明的裂缝按修补加固工艺施工完成后，经现场初步验收后委托专业检测单位进行裂缝检查，并出具修补报告，报告显示修补前后对比照片，修补效果比较理想。
6 体会及建议
低应变检测因轻便、快捷在码头PHC管桩质量检测中广泛使用，但靠单一的波形特征，难以对竖向裂缝的判断和缺陷的定量分析，并对管桩结构型深长的桩基部位缺陷难以识别，可以利用小波分析法识别裂缝缺陷的准确性进行进一步的判断，避免难以水下目测的管桩裂缝等缺陷发现的难题。
PHC管桩裂缝的控制在于预防，大面积沉桩完成后再进行处理，修补方案选择性小，技术难度增加，处理效果难以全面检测，因此，管桩在进场验收和沉桩施工过程，应该对表面仔细观察，因为水位、潮汐等外界影响暂时无法查看，等待低水位，一定应及时查看管桩表面是否有裂缝等破损，做到早发现早防止早处理。
建议每年低水位时期，或水下采用CCTV摄像，观测管桩完成加固处理的表面变化，检查桩周是否有新的裂缝出现，对新出现的裂缝必要时进行再次检测评估，防止管桩施工遗留的混凝土裂缝造成对码头正常使用的较大影响。
7 结论
以本工程为例，对PHC管樁裂缝工后的修补加固，在检测和工艺方法方面逐渐成熟，满足了管桩耐久性使用的要求，为类似码头施工出现的裂缝质量问题提供了解决的思路和实践，亦为老旧码头项目改造和升级，提供了可借鉴的方案。
参考文献：
[1] 汤渭淸.高桩码头PHC管桩裂缝原因分析及防治措施[J].中国水运，2015，06.
[2] 岳著文、李镜培、邵伟著.PHC管桩劈裂试验裂缝开展特征[J].哈尔滨工业大学学报，2014，10.
[3] 郭杨等.应用小波分析法检测预应力管桩裂缝的研究与实践[J].岩土工程学报，2013，10.
摘 要：预应力高强混凝土管桩具有明显的优点，在码头工程得到广泛使用。然而在制造、施工及服役使用中，管壁极易产生裂缝，对大直径PHC管桩而言，其裂缝桩的出现概率5%～30%，较大的裂缝会降低管桩的承载力和耐久性，本文以长江中游某码头的管桩裂缝检测和修补加固工艺为例，进行了实践和探讨。
关键词：预应力管桩；裂缝；检测；修补加固
中图分类号：U655.4 文献标识码：A 文章編号：1006—7973（2018）2-0058-02
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，自上世纪80年代引入中国以来，在码头工程建设领域得到广泛的应用，成为高桩码头结构最主要的桩基型式。然而PHC管桩在工程使用中仍然发现存在一些质量技术问题，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存在一定的影响，因此有必要对裂缝产生的管桩进行修补，避免建设码头投资效益的损伤和浪费。
1 工程概况
某5000DWT件杂泊位码头，结构形式为高桩梁板式。桩基前沿方向布置Φ1000钢管直桩，后沿方向布置叉桩（斜桩为Φ1000-B型PHC管桩+Φ800δ16钢管桩的组合桩）。组合桩码头部分设计管节长度为43.5～50m，其中钢管节部分长为6m。
桩基工程在中水位经打桩船沉桩完工后，发现PHC管桩出现了较多的竖向裂缝。为查实PHC桩出现裂缝的具体数量和相关参数，委托有资质的检测单位对码头桩基水面以上部分裂缝进行了检测。
2 桩基裂缝检测情况及处理原则
经检测，该工程PHC桩无横向裂缝，均为竖向裂缝。发现竖向裂缝的有114根桩，累计裂缝长度677.94m。现场实测裂缝宽度最大为0.23mm；其中0.2mm宽度以上的裂缝6条，累计长度约34.07m；0.15mm～0.2mm宽度的15条，累计长度62.58m；其余均在0.15mm以下。PHC桩出现1条竖向裂缝的桩有79根，出现2条竖向裂缝的桩有28根，出现3条和3条以上竖向裂缝的桩有7根。
对沉桩施工工艺、沉桩记录及裂缝出现的位置综合分析，PHC管桩竖向裂缝出现的主要原因是锤击应力造成的疲劳损伤，由于条件限制，未做高应变检测及裂缝深度检测，查看全部PHC管桩低应变完整性桩基检测，未发现断桩。
PHC管桩空心构造减少了混凝土之间的有效粘结面积，裂缝恢复能力较低，表面裂缝恢复值随裂缝宽度增大而增大，但裂缝恢复率随裂缝宽度增大而减小，PHC桩外表面裂缝恢复率一般在50%以下。裂缝出现的位置位于长江历年水位变动区，对码头的耐久性产生不利影响，为了提高码头的耐久性，确保结构安全，对裂缝进行修补十分必要。
3 修补依据
（1）《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）。
（2）《港口水工建筑物修补加固技术规范》（JTS311-2011）。
（3）《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）。
4 修补总体思路及施工工艺
裂缝宽度≥0.2mm：化学灌胶法先对裂缝进行处理，然后绕桩周以螺旋状全裂缝长度粘贴两层碳纤维布进行加固，最后采用防腐涂装防护；裂缝宽度<0.2mm：封闭法修复，对裂缝切“U”型槽封闭，然后间隔1m绕桩周间断粘贴两层碳纤维布进行加固，最后采用防腐涂装防护；修补时机为最低水位时，逐根对最低水位以上PHC管桩桩基范围内的裂缝补充检测，然后按照实际裂缝长度进行修补。
4.1 封闭法修复
施工工艺如下：①采用机械或人工方法， 沿裂缝走向骑缝凿深度不小于30mm 和宽度不小于 20mm 的 U 型凹槽；②清除槽内松散层、 油污、 浮灰及其它不牢附着物；③在槽内的混凝土表面刷涂界面粘结材料；④刷涂界面粘结材料后，2小时内用聚合物砂浆对待修复面进行填充修复；⑤聚合物砂浆填充完，在砂浆表面洒水养护；⑥对裂缝处理部位进行打磨修整；⑦裂缝封闭法修复工艺流程如下：施工准备→沿裂缝走向凿U型槽→清洗U型槽→U型槽内涂刷界面剂→聚合物砂浆填充修补→裂缝修补表面打磨修平→养护；⑧施工质量要求：“U”形槽的宽不小于 2cm、深度不小于 3cm；涂刷胶液前，应保证”U”形槽干净；聚合物砂浆的固化时间保持在 2 个小时内。
4.2 化学灌胶法修复
施工工艺如下：①清除混凝土裂缝表面松散物和缝内异物；②按 200～500mm 间距设置灌浆嘴。裂缝的端部和裂缝交叉处均应埋设灌浆嘴；③埋设灌浆嘴采用结构胶粘贴法；④对裂缝进行封缝处理后，进行压气检查灌浆嘴的连通和密封效果；⑤按试验配比准确称量配置灌浆液，根据灌浆液的固化时间和灌浆速度随配随用；⑥按竖向缝自下而上、水平缝自一端向另一端的顺序进行压力灌浆，灌浆压力为0.2～0.4MPa；⑦待浆液固化后，拆除灌浆嘴，并对混凝土表面进行修整，打磨平整。⑧压力灌胶工艺流程如下：施工准备→清除裂缝松散物和异物→埋设灌浆嘴→封缝处理并进行密封效果→配置灌浆胶液→压力灌入结构胶液→胶液固化后拆除灌浆嘴→修补后的裂缝表面修平。
4.3 碳纤维布加固
在裂缝部位修复完成后，采用粘贴碳纤维布的方法进行维修加固处理，桩周粘贴两层碳纤维布。
4.3.1 施工准备
对所使用碳纤维片材、配套树脂、机具等作好施工前的准备工作。
4.3.2 混凝土表面处理
将PHC桩表面打磨平整，清除表面浮灰并保持干燥。
4.3.3 涂刷底胶
按照产品生产厂提供的工艺规定配制底胶，然后采用滚筒刷将底胶均匀涂抹于混凝土表面，底胶表面指触干燥后，立即进行下一道工序的施工。若当天未粘贴碳纤维布时，第二日应用干布擦拭已固化的底胶表面，并让其自然风干后才可进行下一道工序，底胶涂刷面边界应不小于所粘贴的碳纤维布范围。
4.3.4 找平处理
对混凝土表面凹陷部位用修补胶填补平整，不留棱角。待找平材料指触干燥后进行下一道工序的施工。
4.3.5 粘贴碳纤维布
（1）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。碳纤维布须避免在运输、放置、裁剪及粘贴过程中受弯折或浸水。
（2）按工艺规定配制胶材，根据粘接胶的标准用量，计算出所涂布面积的需用量，视现场气温等实际情况，确保在使用期内一次用完，按粘接胶使用说明规定的比例把粘接胶主剂和固化剂置于配胶容器中，用电动搅拌器搅拌均匀。
（3）用干燥的滚筒将浸渍胶均匀涂刷于构件表面，进行下层树脂作业。300g/m2的纤维片，用量约500～600g/m2，作业方式同涂刷底胶。
（4）粘贴碳纤维布于下层树脂上，用专用的滚筒在碳纤维布上沿纤维方向施加压力并反复碾压，使树脂胶液充分浸渍碳纤维布，消除气泡和除去多余树脂，使碳纤维和底层充分粘接。及时检查有无未密合现象，若有，则以美工刀顺纤维方向剪开，充分注满树脂后压平。最后采用气囊顶压法对碳纤维布表面进行处理，保证碳纤维布粘贴牢固。
（5）碳纤维片材与混凝土之间的粘结质量可用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面方法来判断，总有效粘结面积不应低于95%。如有空鼓现象应加以相应处理：用刀片将碳纤维布划开，然后采用注射器针管将调制好的粘接胶注入空鼓或气泡内填充至密实。
（6）养护。粘贴碳纤维布后需自然养护24小时，以达到初期固化，并保证固化期间不受干扰。
（7）粘贴碳纤维布施工工艺流程如下。施工准备→混凝土表面处理→涂底胶→用修补胶对构件表面残缺修补→贴碳纤维布→养护固化→工程验收。
4.4 表面防护
在粘贴碳纤维并形成复合材料凝胶固化后，在复合层表面施加防腐涂层，厚度为390μm。
5 修补后检查
码头PHC管桩检测列明的裂缝按修补加固工艺施工完成后，经现场初步验收后委托专业检测单位进行裂缝检查，并出具修补报告，报告显示修补前后对比照片，修补效果比较理想。
6 体会及建议
低应变检测因轻便、快捷在码头PHC管桩质量检测中广泛使用，但靠单一的波形特征，难以对竖向裂缝的判断和缺陷的定量分析，并对管桩结构型深长的桩基部位缺陷难以识别，可以利用小波分析法识别裂缝缺陷的准确性进行进一步的判断，避免难以水下目测的管桩裂缝等缺陷发现的难题。
PHC管桩裂缝的控制在于预防，大面积沉桩完成后再进行处理，修补方案选择性小，技术难度增加，处理效果难以全面检测，因此，管桩在进场验收和沉桩施工过程，应该对表面仔细观察，因为水位、潮汐等外界影响暂时无法查看，等待低水位，一定应及时查看管桩表面是否有裂缝等破损，做到早发现早防止早处理。
建议每年低水位时期，或水下采用CCTV摄像，观测管桩完成加固处理的表面变化，检查桩周是否有新的裂缝出现，对新出现的裂缝必要时进行再次检测评估，防止管桩施工遗留的混凝土裂缝造成对码头正常使用的较大影响。
7 结论
以本工程为例，对PHC管樁裂缝工后的修补加固，在检测和工艺方法方面逐渐成熟，满足了管桩耐久性使用的要求，为类似码头施工出现的裂缝质量问题提供了解决的思路和实践，亦为老旧码头项目改造和升级，提供了可借鉴的方案。
参考文献：
[1] 汤渭淸.高桩码头PHC管桩裂缝原因分析及防治措施[J].中国水运，2015，06.
[2] 岳著文、李镜培、邵伟著.PHC管桩劈裂试验裂缝开展特征[J].哈尔滨工业大学学报，2014，10.
[3] 郭杨等.应用小波分析法检测预应力管桩裂缝的研究与实践[J].岩土工程学报，2013，10.
