在役高桩码头混凝土基桩检测评估探讨

潘新恩

(广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

高桩码头结构轻,受力体系明确清晰,主要由桩、梁、板分别承受竖向和水平荷载[1]。码头基桩是码头结构受力的重要支撑,承载着上部的所有荷载并将其传递给地基,同时还起到稳固地基和岸坡的作用。基桩发生病损或失效可能导致码头不再安全[2]。高桩码头工作的自然环境恶劣,钢筋混凝土基桩由于耐久性设计不足、环境侵蚀、过载、疲劳、撞损以及材料本身某些特性随着时间推移,会出现不同程度的劣化,造成基桩混凝土开裂、剥落、钢筋锈蚀等常见病害[3]。在役基桩病损的危害性高、影响大,会极大地影响码头结构整体的耐久性能与承载能力,其健康状况关乎整个码头结构的安全。水中桩基病损具有隐蔽性强、不易被发现,且病害劣化速度较快的特点。因此,及时准确地检测和界定基桩损伤程度,恰当地评价其在不同损伤程度下的安全状况、预测剩余使用寿命并及时采取管制维护措施,是当前学术界和工程界亟待解决的问题。

1 基桩病害类型及影响分析

高桩码头结构构件相比较于其他形式码头较为薄弱,往往在建成投产后10年左右就会出现破损病害,个别病害严重时码头甚至无法正常使用。高桩码头基桩处于水下区、水位变动区和溅浪区,较其他构件更易受损,且破损带来的影响较其他部位要严重,其病害会加剧结构性能的劣化。在役高桩码头混凝土基桩常见病害主要有:裂缝、钢筋锈蚀、剥落等[4-5]。

在役高桩码头混凝土基桩病害的发生不分先后,且往往不是单一类型的,而是伴随着同时出现的,病害影响相互叠加、相互促进发展。如基桩表面混凝土发生冲蚀、剥落会减小构件的有效截面尺寸,使得钢筋保护层厚度不断变小;腐蚀介质不断侵袭会破坏钢筋钝化层,导致钢筋发生锈蚀和材料劣化;钢筋锈蚀引起体积膨胀,混凝土发生胀裂、破碎、剥落,进一步加速钢筋的锈蚀和裂缝的扩展,加剧基桩损坏,引发连锁反应。病害的发展会影响基桩的承载能力,导致桩基承载力降低和不足,使结构支座不稳、码头结构出现显著的变形变位和功能丧失,带来重大的安全生产隐患和经济损失。

2 在役基桩的检测与评估

2.1 常用检测方法

高桩码头的基桩是码头结构受力的重要支撑。如果在役基桩存在明显质量缺陷或受损,会严重危及上部结构的安全。对高桩码头结构及基桩损坏情况进行定期检测评估,及时掌握结构损坏程度、病害发展及影响情况,加强码头设施经常性的维修保养工作,有助于保证码头结构长期安全运行。

在役混凝土基桩的主要检测内容包括水下结构外观破损情况检测和桩身完整性检测,综合判定基桩的技术安全状况。水下结构外观破损情况检测多采用潜水员法,在役基桩桩身完整性检测多采用低应变反射波法[6-7]。基桩质量检测的关键是检测桩身完整性及桩身材料劣化情况,在役基桩实际承载能力需根据检测的桩身完整性情况及材料劣化情况验算桩的实际承载能力,并与设计值进行对比。

目前主流的水下结构外观破损情况检测仍然以可视化检测为主,多依赖潜水员以目视、探摸、拍照摄像结合尺量的方法对基桩表观缺陷和损伤情况进行检测,记录基桩表面破损、剥落、开裂、露筋锈蚀等病害情况,必要时进行基桩截面尺寸的测量等,全过程以目测为主。在水质较好、流速缓慢的条件下检测结果相对较为准确可靠。但是存在一些弊端:(1)检测作业受环境条件影响较大,特别是结构物表面附着较厚的大面积水生物、水质不清、水流流速较大时,会影响检测质量;(2)潜水员潜水深度及时间受限,不能对水下结构进行全面检测,检测效率不高,且存在安全隐患;(3)潜水员通常缺乏工程专业背景,并且水下视觉和触觉误差大,特别是检测人员经验不足且责任心不强时,检测结果的可靠性受影响。因此,潜水检测时需要选拔具有经验丰富、高度责任心的潜水员,对潜水员进行全面的技术和安全培训,选择合适的作业时间段,避开大风浪等易造成水质浑浊的天气,对检测过程进行全程录像留底。

由于在役基桩桩顶存在纵梁、横梁等上部结构的影响和限制,低应变反射波法桩身完整性检测不具备桩顶自由的检测面和条件。因此检测时需要在桩侧切口进行激振和检测,检测受到的干扰因素和约束条件较多。在桩侧激振与接收时应力波的传播较为复杂,造成信号分析与解释的困难,不仅需要提高现有仪器的性能和诊断精度,还需要具有丰富工程经验的工程师结合理论与实践经验进行数据判读和分析。

现有在役基桩检测成果的准确性和可靠性受限于试验检测人员的技术水平、专业能力和工程经验,以及作业环境等因素的综合影响。因此,试验检测应往信息化和智能化的方向发展,以使得试验检测结果更加真实可信。

2.2 基桩技术状况评价分级探讨及建议

国内的规范[8-10]采用分层综合思想,依据基桩检测的客观结果,对码头基桩结构的各类病害进行了量化规定,就病害的有无、程度(轻度、中度、严重等)、范围大小等进行了明确的技术状态分类、劣化度分级和评估等级分级,据此可得到码头基桩的技术状况并划分安全等级。

规范[8-9]对基桩的分类和维护策略的划分基本相同,均是基于桩的外观劣化情况提出的。基桩的技术状况分级可以通过外观的劣化情况进行分类判别,当外观劣化程度超出一定范围时,就需要进行进一步的安全性和适用性评估。如规范[8]对于外观病害较为严重的五类(危险)基桩,提出了检测评定的要求;规范[9]则对基桩劣化度外观评估等级为C级或D级时,提出了应进行安全性和适用性评估的要求。规范[9]对桩的安全性评估主要是基于桩基的承载能力相关比值进行评估分级;对桩的适用性评估主要是基于最大裂缝宽度相关比值进行评估分级;实际评估工作中,需要实测值与理论值进行对比。规范[10]将低应变反射波法检测对基桩完整性分为Ⅰ类桩～Ⅳ类桩共4种类别,依据桩身完整性程度即缺陷程度大小、对桩身结构承载力影响程度,提出了不同的处理要求。

对结构损伤程度的标定和评价通常是对工程结构进行故障诊断的目的,评价结构在相应损伤状态下继续服役性能的可靠性、剩余使用寿命,以及为实施维修提供决策依据。现行规范对在役码头基桩的病损进行了检测、界定损伤程度和评价其在不同损伤程度下的安全状况、保证整体结构安全使用、指导后期维修和加固工作等方面起到了积极作用,但是在耐久性评价方面仍停留在外观劣化评估,缺少对结构剩余使用寿命的预测。在役基桩结构损伤诊断技术需进一步与结构可靠性和剩余使用寿命预测等相结合进行研究。建议积极研发能延长基桩使用寿命的新工艺、新材料和新技术;对基桩的设计使用年限进行耐久性设计,选择更合理、抗腐蚀和抗劣化能力强的材料;施工过程中积极采用可提高结构耐久性的新工艺、新技术;对在役结构选择有效的附加防腐蚀措施以提高对基桩混凝土结构的保护;积极探索运营维护期内在役基桩全寿命周期结构健康安全监控的研究及应用。

2.3 基桩检测评估实例应用分析

沿海某高桩码头采用直径1 m的钢筋混凝土管桩。在定期检测评估中发现某基桩桩顶与承台顶面连接处附近存在1条纵向裂纹,长度约58 cm,最大宽度为0.12 mm;水下结构外表普遍附着海生物,无明显外观破损、断面侵蚀缩颈等其他异常状况。经管桩混凝土结构耐久性检测,管桩混凝土强度满足设计要求;结构表面未见明显锈迹,钢筋腐蚀电位检测显示钢筋锈蚀概率<10%,材料未见明显劣化。在靠近桩顶侧面切口采用低应变反射波法进行检测,在距检测基准面以下18.22 m处存在轻微缺陷,基桩完整性分类判定为Ⅱ类桩。

经外观劣化度评价为B级,技术状态为二类(较好),需要进行小修。基桩完整性分类判定为Ⅱ类桩,桩身基本完整,有轻度缺陷,不影响正常使用;桩身材料未见明显劣化,结构损伤尚不影响承载力,管桩结构的耐久性基本满足设计使用年限要求。综合判定,该基桩的安全性、适用性及耐久性评估等级为B级,建议加强检(监)测并及时采取修复措施。

考虑到该工程处于海洋环境,为避免病害进一步发展影响上部结构安全,检测评估建议对该水上桩身裂纹病害采用碳纤维包裹加固法进行修复加固处理,即采用环氧修补胶表面封闭桩身裂纹,桩周包裹高强Ⅰ级碳纤维布处理。该基桩低应变反射波测试波形如图1所示。

图1 基桩低应变反射波法测试波形图

3 结语

(1)在役基桩工作环境恶劣,易受损失效;病害具有隐蔽性强、危害性大的特点。码头运营管理单位应建立定期检测评估机制,对高桩码头结构及基桩损坏情况进行定期检测评估,及时掌握结构损坏程度、病害发展及影响情况,加强码头各项设施的经常性维修保养工作,以保证码头结构的长期安全运行。

(2)现有在役基桩检测成果的准确性和可靠性受限于试验检测人员的技术水平、专业能力、工程经验以及作业环境等因素的综合影响。试验检测应向信息化和智能化方向发展,使试验检测结果更为真实可信。

(3)现行规范对在役码头基桩病损检测、界定损伤程度和评价其在不同损伤程度下的安全状况起到了积极作用,然而缺少基于其在相应损伤状态下继续服役性能的可靠性评价和剩余使用寿命的预测。在役基桩结构损伤诊断技术需要进一步与结构可靠性、剩余使用寿命预测等方面相结合的研究。

(4)建议在工程的设计、施工、运维等各个阶段采用各种先进的工艺、材料和技术以提高混凝土基桩的抗腐蚀和抗劣化能力,同时加强在役基桩全寿命周期结构健康安全监控的研究和应用。

(5)建议码头运营单位应加强码头运营期管理和监控,避免不合理的超设计能力使用和超吨位船舶靠泊,严格控制船舶靠泊速度和角度等。