蘇昕，劉思國，劉岳鑫，趙金山，蔡軍

鋼管樁抗拉、抗彎、抗剪性能強，施工速度快，在離岸深水碼頭、跨海大橋、海洋平臺、海上風電等近海工程中得到越來越廣泛的應用。但隨著服役年限的增加，鋼管樁的腐蝕問題日益突出[1]。海水是天然的強電解質溶液，與各類懸浮物、溶解的氣體、海生物、腐敗的有機物組成了復雜的海洋環(huán)境，處于惡劣海洋環(huán)境中的鋼管樁長期受波浪力、水流力以及生產作業(yè)引起的拉、壓、彎、剪等荷載作用，其浪濺區(qū)成為腐蝕最嚴重的區(qū)域。雖然鋼結構防腐技術已取得長足的進步，但因鋼管樁浪濺區(qū)容易遭受漂浮的樹木、海冰，甚至小漁船的觸碰，局部防腐涂層或包覆層常受損傷，難以達到理想的防腐效果。

海洋環(huán)境中鋼管樁的局部腐蝕速度約為平均腐蝕速度的5～10倍，局部腐蝕會造成結構物腐蝕穿孔或應力集中，以平均腐蝕速度為計算依據的腐蝕裕量法并不能完全彌補局部腐蝕造成的危害[2]。鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕給結構帶來安全隱患，成為影響海港工程正常使用、降低結構使用壽命的難題之一。然而，目前針對鋼管樁浪濺區(qū)腐蝕缺陷的維修方法仍集中在防腐蝕處理方面，忽視了因腐蝕導致的鋼管樁有效厚度減小、承載能力下降問題。本文提出一種澆筑混凝土樁芯的浪濺區(qū)銹蝕鋼管樁補強加固方法，并對補強加固機理、有效獲取黏結力的措施、樁芯黏結長度分別進行探討。

1　問題的提出

華南沿海某大型集裝箱碼頭為高樁梁板結構，樁基采用1 000 mm和1 300 mm兩種外徑的鋼管樁，壁厚分別為18 mm和20 mm，工程于2008年完工；2016年對鋼管樁腐蝕情況進行檢測（實測結果列于表1），兩種鋼管樁浪濺區(qū)的剩余壁厚的最小值分別為14.60 mm和16.30 mm，樁基水面以上部分外觀見圖1。JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》規(guī)定鋼管樁的外徑D與最小壁厚t宜滿足式（1）要求，按實測的剩余壁厚的最小值和腐蝕速率計算，兩種鋼管樁浪濺區(qū)分別為17.0 a和11.0 a即達到規(guī)范限值要求。對于該碼頭，鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕已成為限制結構使用壽命的關鍵問題，除了盡快采取防腐蝕處理減緩鋼管樁腐蝕，還應選擇有效的補強加固方法，恢復樁基的設計承載力。

應該警惕的是，上述碼頭鋼管樁面臨的情況并非沒有代表性。根據JTS 153-3—2007《海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)范》數據，對于有掩護條件的海港工程，鋼結構單面平均腐蝕速度為0.20～0.30 mm/a；當無掩護條件時，鋼結構的單面平均腐蝕速度為0.40～0.50 mm/a。隨著近海工程鋼管樁服役年限的增加，鋼管樁浪濺區(qū)補強加固的迫切性將逐漸凸顯。

表1　某大型集裝箱碼頭鋼管樁腐蝕情況檢測結果Table1　Test resultsof corrosion of steel pipe pile in a large container terminal

圖1　某大型集裝箱碼頭鋼管樁腐蝕情況Fig.1　Corrosion status of steel pipe pile in a large container terminal

2　在役鋼管樁補強加固方法

2.1　補強加固機理

當鋼管樁浪濺區(qū)壁厚腐蝕減薄厚度已顯著影響樁基使用年限時，在鋼管樁內澆筑混凝土樁芯是一種有效的恢復樁基承載力的補強加固方法。該方法的機理是：通過混凝土與鋼管樁內壁的界面黏結力傳遞拉、壓荷載。試驗研究表明，混凝土與鋼管樁之間存在明顯的黏結應力。

1）根據1994年徐有鄰采用平鋼板進行的混凝土與鋼板黏結力試驗[3]，可近似得到界面黏結應力為：

式中：τ為界面黏結應力，fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。

2）2005年廣州四航工程技術研究院通過鋼管樁和混凝土芯黏結力模擬試驗[4]，實測混凝土和鋼管之間單位面積平均黏結力為2 402～3 276 kN/m2。

3）中國海洋石油總公司等采用美國石油學會標準（API RP 2A—WSD，21st，Dec 2000，IDT）[5]，對于樁與結構的灌漿（水泥漿）連接的軸向荷載傳遞應力容許值?。?/p>

持久狀況正常使用極限狀態(tài)τ=0.138 MPa

持久狀況承載能力極限狀態(tài)τ=0.184 MPa

2.2　鋼管樁內澆筑混凝土的施工方法

高樁碼頭鋼管樁樁頂與樁帽或橫梁之間的錨固形式有[6]：樁頂直接伸入樁帽或橫梁內、樁頂通過錨固鐵件或鋼筋伸入樁帽或橫梁的形式、樁頂伸入與錨固鐵件或鋼筋組合伸入，有經驗時也可采用樁頂部設置樁芯鋼筋混凝土的連接方式。

對在役鋼管樁采用澆筑混凝土樁芯的補強加固方法時，宜盡量降低施工對碼頭生產運營的影響，應在復核驗算的基礎上，選擇經濟、快速的施工方法：

1）當計算表明浪濺區(qū)鋼管樁剩余壁厚抗壓承載力不足，而抗拉承載力滿足設計要求時，可在鋼管樁靠近樁帽或橫梁的樁壁上開孔自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土。

2）當計算表明浪濺區(qū)鋼管樁剩余壁厚抗拉承載力不滿足設計要求時，宜在鋼管樁上部的樁帽或橫梁上鉆孔，鉆孔直徑不宜超過主筋凈距，在鉆孔處向鋼管樁內安放型鋼鋼骨，并自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土。

3）混凝土澆筑施工完成后，應及時修復鋼管樁的開孔或樁帽、橫梁的鉆孔。

2.3　有效獲取黏結力的措施

澆筑混凝土樁芯的補強加固方法成功的關鍵是有效獲取混凝土與鋼管樁內壁的黏結力。一般認為該方法將存在如下難點：

1）鋼管樁內壁存在銹蝕物或附著物且難以清理，銹蝕物和附著物會阻止混凝土與鋼管樁內壁的黏結。

2）對于開口鋼管樁，澆筑混凝土后，樁內土體將發(fā)生固結沉降，樁芯隨之沉降，混凝土與鋼管樁內壁無法黏結。

根據國內外工程經驗，目前的施工技術已經可以克服上述兩個難點。

1）JTS 153-3—2007《海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)范》[2]指出，密閉結構內氧氣不能得到有效補充，腐蝕過程不可能連續(xù)進行，無需考慮防腐蝕措施?？梢?，鋼管樁內壁的銹蝕物或附著物不多。對鋼管樁內部進行抽水干燥施工后，自下而上澆筑高流態(tài)膨脹混凝土即可。

2）通過計算可判斷混凝土引起的附加應力是否會引起樁內土體發(fā)生固結沉降，如果不引起固結沉降則直接澆筑混凝土。如果引起固結沉降，可先澆筑1層厚度為h的膨脹混凝土，硬化后再澆筑上部混凝土；先澆筑的混凝土硬化后可起到底模的作用，厚度h不宜過大，以不引起鋼管樁內土體明顯固結沉降為宜。

3）樁芯混凝土應采用膨脹混凝土；必要時，樁芯應按承載力極限狀態(tài)配置鋼骨。

3　樁芯與鋼管樁的黏結長度

混凝土樁芯向鋼管樁傳遞拉、壓荷載時，必須有足夠的黏結長度。為簡化黏結長度計算方法，可近似認為黏結長度內，樁芯與鋼管樁內壁的黏結應力均勻分布，則最小黏結長度可按下式計算：

式中：lmin為樁芯與鋼管樁間的最小黏結長度；Fmax為最大拉樁力或最大壓樁力；d為鋼管樁內徑。

對上述廣東沿海某大型集裝箱碼頭鋼管樁，澆筑強度等級為C45的高性能混凝土樁芯，以最大壓樁力為控制荷載，計算補強加固的樁芯黏結長度。考慮鋼管樁浪濺區(qū)部分腐蝕殆盡、退出工作的極端情況，此時壓樁力均由混凝土樁芯通過界面黏結力傳遞給水位變動區(qū)及以下的鋼管樁，黏結應力值按式（2）取，計算結果列于表2，表中同時列出了混凝土樁芯的實際黏結長度。偏于安全，建議樁芯的實際黏結長度不低于計算黏結長度lmin的1.5倍。

表2　混凝土樁芯黏結長度計算Table2　Calculation of the bond length of reinforced concretepile core

4　結語

1）鋼管樁浪濺區(qū)的腐蝕成為限制結構使用壽命的關鍵問題，隨著近海工程鋼管樁服役年限的增加，鋼管樁浪濺區(qū)補強加固的迫切性將逐漸凸顯，為此提出一種澆筑混凝土樁芯的浪濺區(qū)銹蝕鋼管樁補強加固方法。將防腐蝕技術與混凝土樁芯補強加固法結合，既可修復鋼管樁承載力，又可減緩樁基腐蝕。

2）對現有試驗研究結果的分析表明，混凝土與鋼管樁之間存在明顯的黏結應力?；炷翗缎狙a強加固鋼管樁的機理正是利用混凝土與鋼管樁內壁的界面黏結力傳遞拉、壓荷載。

3）國內外工程經驗表明目前的施工技術可有效解決混凝土與鋼管樁內壁黏結、樁芯沉降等難題，混凝土樁芯補強加固法具有可施工性。

4）提出一種簡化的混凝土樁芯黏結長度計算方法，偏于安全，建議樁芯的實際黏結長度不低于計算黏結長度lmin的1.5倍。

參考文獻：

[1] 吳軍強，錢菲菲，王鵬，等.鋼管樁耐久性研究的發(fā)展與應用[J].寧波工程學院學報，2010，22（3）：66-71.WUJun-qiang,QIANFei-fei,WANGPeng,et al.Development of research on steel pipepiledurability and application[J].Journal of Ningbo University of Technology,2010,22(3):66-71.

[2]JTS153-3—2007，海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)范[S].JTS153-3—2007,Technical specification for corrosion protection of steel structuresfor seaport construction[S].

[3] 徐有鄰.變形鋼筋-混凝土黏結錨固性能的試驗研究[D].北京：清華大學，1990.XU You-lin.Experimental study on bond anchorage performance between deformed reinforcement and concrete[D].Beijing:Tsinghua University,1990.

[4]王友元，蘇林王.鋼管樁與混凝土芯黏結力及抗彎應力傳遞模擬試驗研究[J].水運工程，2005（9）：3-6.WANG You-yuan,SU Lin-wang.Model experimental study on bondingstrength and bending stresstransfer between steel pileand concretecoreof CFSTpile[J].Port&Waterway Engineering,2005(9):3-6.

[5]SY/T 10030—2004，海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造的推薦作法工作應力設計法[S].SY/T 10030—2004,Recommended practice for planning,designingand constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].

[6]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].