林建茂

（1.福建省交通科研院有限公司；2.福建省路翔工程设计有限公司；3.福建省公路、水运工程重点实验室，福州 350004）

随着交通事业的快速发展, 我国已成为名副其实的桥梁基建大国。 桥梁号称为道路的“咽喉”,其建设质量的好坏直接影响人民生命财产安全保障问题。 然而,由于早期设计技术标准、施工质量、运营管理水平等因素导致大部分桥梁均存在不同程度的质量缺陷。 桩基作为桥梁的承重结构之一,同时也是极易出现病害的构件,如河床下切、海水侵蚀、钢筋外露锈迹等因素均会导致桩基承载力下降等严重问题,给社会带来了重大安全隐患。

本文以某在役的跨江桥梁水中桩基病害维修加固为工程背景,详细分析了水中桩基病害诱因、并对常见的桩基病害处治方法进行比选、 以及探讨施工过程应注意的事项,该研究可为同类桥梁的桩基维修处治提供参考。

1 工程概况

某跨江桥建成于2004 年,全长485m,Ⅳ级航道,桥梁桥跨布置为[(5×35)+(45+80+45)+4×35]m,其中主桥采用预应力混凝土单箱单室箱形变截面连续刚构, 主孔下部为薄壁双肢墩,群桩基础；引桥上部结构为预应力混凝土T形截面连续梁,下部结构为柱式墩,钻孔桩基础,桩基混凝土强度标号均为C25。 设计行车荷载为超汽-20 级, 挂-120。

该桥4#～8# 墩常年处于水中,共有14 根桩基,分别为6 根直径1.8m 和8 根直径2.0m 两种形式, 桩长28.3m～43.7m,局部水深达到9.8m。 平均水流速度1.8m/s,受上游水口电站泄洪及潮水影响,水流变化复杂,高低水位差约2.5m。 通过对其水下桩基进行专项摄影检测,发现该桥水中桩基均存在不同程度的混凝土剥落、露石、钢筋网锈蚀外露等严重病害,严重威胁到桥梁的正常使用功能。 其中典型桩基病害示意见图1～2。

图1 竖筋、箍筋外露、锈蚀

图2 桩基顶部混凝土剥落、钢筋网外露

2 桩基病害分析

2.1 施工质量缺陷

通过对14 根桩的病害位置对比分析发现,水中桩基顶部区域均出现系统性的钢筋网外露,如图2 所示。 其主要原因可归为以下两方面：

(1)钻孔灌注桩灌注过程中,桩顶混凝土超灌量没有满足规范要求的0.8m 以上,使得砍桩后的桩顶段含有大量的浮渣、混凝土酥松等现象,最终导致桩顶区域混凝土强度没有满足设计要求。

(2)桩基顶部处于水面线处,常年受潮汐水位变化影响,桩基表面干湿不断交替、水中携带的有害杂质与空气中的氯离子等混合作用加速浪尖区段混凝土的剥落速率。

2.2 混凝土劣化

桩基采用的混凝土材质是一种不均匀的多空隙材质, 该介质处于水中不可避免受到外界有害介质的侵蚀或者导致结构出现损伤而发生劣化。 混凝土材质出现劣化主要与以下三个因素有关[1-2]：

(1)氯离子和硫酸根有害离子侵蚀。 当氯离子遇到钢筋时形成闭合电路,使得钢筋发生锈蚀、膨胀、胀裂；硫酸根离子与混凝土材料中的铝酸钙发生化学反应, 生成高硫型水化铝酸杂质,促进桩身混凝土体积不断增大,最后胀裂。

(2)混凝土材料成分中的活性氧化硅与碱性氧化物反应生成硅酸盐胶凝,遇水后会不断地吸水。体积无限膨胀,从而导致混凝土胀裂。

(3)桩基长期处于水中,江水温度不断地变化,会使得桩基混凝土一直处于冻融循环交替模式, 最终使得桩身表面出现混凝土剥落等病害。

2.3 钢筋保护层不足

引起水下桩基钢筋锈蚀的最根本因素是江水中含有大量的氯离子,当钢筋保护层厚度不足时,混凝土碳化深度达到钢筋表面时,外界氯离子就环绕在钢筋四周,逐步侵蚀钢筋表面的钝化膜,一旦钝化膜出现损伤后,在杂质的作用下,局部钢筋就会形成锈蚀电池,从而加速钢筋锈蚀速率。

2.4 水流冲刷

该河流随水文环境变化显著, 容易出现河床冲刷现象, 表现为桩基河床四周岩土不断地被水流冲刷剥落,使得河床面不断地下切。 另一方面,当桩基外露的面积增大后,在江水侵蚀介质等杂物作用下,也会加剧病害的发展速度,导致桩基耐久性出现大幅度的下降。

3 桩基病害处治方案比选

目前, 常见的桩基病害维修处治方法主要有水下玻纤套筒、增大桩基截面法和钢套筒法三大类。以下分别对这三类方法特点展开分析。

3.1 玻纤套筒法

玻纤套筒法又称为“夹克法”,是近年来一种新型的水下桩基修复和防护方式, 主要由玻纤套筒和环氧灌浆料组成,适用于混凝土桩、钢管桩、木桩等材质耐久性处治。 该处治方案具有防腐蚀性能好、耐久性高、施工操作便捷(不需要围堰等辅助措施)等优势[3]。 其主要施工工艺流程： 放样测量→工厂定做玻纤套筒→表面处理→玻纤套筒安装→底部密封条安装→泵送灌浆料灌注→顶部密封→完成。 维修处治示意见图3。

图3 水下玻纤套筒桩基处治示意图

3.2 钢护筒法

钢护筒法是一种适用于桩基长期受水流冲刷严重、桩基受外力漂流物撞击等影响导致结构表面出现各种病害,为了保证结构的安全性能,而在其外围套箍一层钢护筒,并往空隙灌注水下混凝土的一种修复方法。 其施工工艺主要流程： 桩基表面杂物凿除→钢护筒定制及安装→灌浆导管安装→混凝土浇筑→导管拆除→完成。 处治示意图见图4。

图4 钢护筒增大桩基截面示意图

3.3 增大截面法

增大截面法是一种传统的桩基维修处治方法。 该修复方法适用于桩基病害较为严重、 严重影响到结构的正常使用功能,为了降低桥梁的安全隐患,确保行车安全,改善桩基的安全使用寿命而采取的一种加固维修方法。 但该方法处治总体费用高,需要搭设栈桥、围堰等辅助措施,工期较长[4]。 其施工工艺主要流程： 施工准备→施工便道→围堰施工→搭设施工平台→凿除缺陷混凝土→植筋挂网→浇筑混凝土→养护→完成。 维修处治示意见图5。

图5 增大桩基截面示意图

3.4 方案比选

玻纤套筒法是一种采用新型化学材料处治的方法,可有效改善原有结构的耐腐蚀、盐碱、抗冻融等外界环境因素影响, 但该方法采用新材料其加固质量效果有待进一步考验；钢护筒法技术较为成熟,处治质量也较为理想,但该方法不适用于深水环境, 施工安全得不到有效保障,且需要较大的操作空间,在群桩式桩基中无法展开；增大截面法是一种传统的处治方法, 该方法对桩基处治不受水深影响,且加固质量可得到充分的保障,但需要辅助措施,总体造价昂贵[5]。 分别从加固效果、施工难度、工期和费用等方面进行三种处治方案比选,详见表1。

表1 三种处治方案比选

综合各方面因素权衡考虑, 建议采用玻纤套筒法处治方案,可最大程度降低施工对周边环境的影响、造价最低,且施工安全有保障,较为适合本项目实际情况。

4 玻纤套筒施工技术要点

严格把控好玻纤套筒处治法施工过程中的每一个环节,是保证桩基加固质量的最重要途径。 实践表明桩基旧表面处治、玻纤套筒安装、灌浆料三个环节是该方法处治的核心工艺环节。

4.1 桩基旧表面处治

能否将桩基表面的旧杂物清洗干净, 是影响处治后玻纤材料与桩基形成整体性的一个关键。 由于桩基长期处于水中,表面有大量微生物、苔藓和泥土等杂物附着,需要潜水员用钢丝等工具潜入水中对其表面认真清理干净,直至桩基表面露出新鲜的混凝土,并采用高压水枪对其冲洗干净。

4.2 玻纤套筒安装

玻纤套筒材料是由专业的厂家生产定制, 运至现场实施前,应严格检查相关产品证书,并现场再次抽样检查,对不合格的产品,一律禁止使用。产品经过验收合格后,采用配套的固定限位器,确保套筒与桩基间距一致,并控制好紧固带和不锈钢钉的间距,保证玻纤套筒安装牢固、不偏位。

4.3 灌浆料

灌浆料包括两个内容, 一是指环氧灌浆料材料的配制,二是指灌浆料灌注过程中应注意的事项。 拌制灌浆料时,应严格按照设计配合比搅拌,采用精度较高仪器称量,且装料桶应是干净的空桶, 每次添加的拌制灌浆料不宜过多,以免造成浪费和配合比不准确,并控制好拌和料的均匀性,在规定的时间内将其用完,以免材料发生变异。

灌注过程中应时时监测套筒的密封情况, 若出现漏浆现象因立即停止,并采取有效措施堵塞后,方可继续灌注；第一次灌注封底灌浆料高度宜为15cm 后暂停,待封底灌浆料固化后方可继续灌注剩余的水下环氧灌浆料。浇筑过程中应控制好速度,避免速度过快,导致玻纤套筒与桩基之间出现真空现象, 另一方面要多次插导导管保证灌浆料的密实度,直至套筒内的水全部排干为止。

5 结束语

现有的跨江桥梁桩基均存在不同程度的质量缺陷,其病害处治方案是否合理, 直接关乎到整个桥梁的使用寿命与安全。 设计人员应结合实际桥梁状况准确分析病害产生的诱因,并综合考虑处治后的质量、可行性以及经济效益等因素,从而做出相应的处治方案。