管桩竖向裂缝发生机理及防治措施综述

孙超, 汪鹏, 郭浩天*

(1.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院, 长春 130118; 2.吉林建筑大学季冻区岩土工程研究所, 长春 130118)

目前管桩在各个领域运用非常广泛,其是一种预制工程桩。管桩由于承载力高、稳定性强等特点通常作为建筑物的基础。此外,在施工过程中,通过侧向挤密和竖向挤压作用,可以显著增加承载力和侧摩阻力[1]。因此适用性广泛,密实的砂层、一般性土层和强风化岩层均适用[2]。随着管桩逐步发展,管桩已成为房屋建设、码头、光伏新能源、桥梁等行业的重要支撑结构[3]。自20世纪80年代高强度预应力管桩(pre-stressed high-strength concrete,PHC)被引入中国以来,中国一直致力于管桩的技术创新与工程应用,并通过不断完善相关标准,为管桩的普及应用提供了坚实的基础[4]。此外,预应力混凝土管桩地方标准逐步在天津、辽宁等地开始编制[5]。这些标准主要规定了管桩的材料、施工工艺、质量检测和承载力设计等方面。逐步在铁路、水利、码头、桥梁、市政以及大型设备的工程基础领域中得到运用,因此有着广阔的应用前景。然而PHC管桩在各个领域服役过程中发现有竖向裂缝,环向裂缝,桩身不规则裂纹等一些问题产生,其中最突出的问题即桩身竖向裂缝。在全部桩基中,PHC管桩出现裂缝的概率最大可超过40%[6]。

针对此问题,许多学者在各个领域均对管桩竖向裂缝进行了研究。在管桩生产过程中,林显才[7]和刘忠友[8]发现裂缝的产生与管桩生产工艺有着很大的关系。建筑物管桩大多属于大桩径管桩并且都是通过离心成型,成型后的管壁并不是一个整体,而是一种分层结构。但随桩径增大,水泥浆在管内壁厚度也增大。因管桩表层被水泥浆包裹,干缩性增强,导致在施工前就出现了干缩裂缝。吴启明[9]在对沿海高桩码头管桩竖向裂缝的研究中发现,裂缝的产生是在前期生产工艺、原材料、运输操作不当所导致的。汤渭清[10]在研究高桩码头中大管桩的生产制作过程中得出,PHC大管桩对模板和离心旋转速率的要求极高,若混凝土在未硬化前就脱离了模板或离心时受到抖动,导致在施工之前就会出现竖向裂缝。李沛昌等[11]研究提出在生产PHC管桩时,将混凝土强度提高到C80,降低混凝土的延性,一旦设计等环节处理不当,则常会出现竖向裂缝。 Liu等[12]提出了采用合理的配合比和蒸汽养护制度制备28 d龄期80 MPa,PHC管桩混凝土的新思路。通过对蒸汽养护和蒸压PHC管桩混凝土的氯离子渗透系数、抗冻性、耐盐性、水化产物、裂缝密度、孔隙率等进行测试,验证了这种新生产方式下PHC管桩混凝土的耐久性和微观结构变化。

施工原因造成的管桩竖向裂缝问题在20世纪80年代居多,翟剑峰等[13]采用锤击法进行沉桩,发现在此过程中,由于具有高度的模糊性与不确定性,产生的动能超过桩的端侧阻力,桩土间原有的静力平衡被破坏,导致在打桩初期桩身上部或中部一定范围内出现最大拉应力,导致在施工过程中出现诸多问题。潘紫伟等[1]通过对不平整基岩对管桩裂缝影响研究得出,管桩由于其桩身强度较高,桩身受到的应力回弹反射影响不明显,横向裂缝得不到发展,便出现了竖向裂缝,严重危害建筑物的安全。李勇等[14]发现码头大管桩在使用过程中多处存在竖向裂缝和周向裂缝,竖向裂缝沿桩轴线平行走向分布,无拓展迹象。周向裂缝大体上呈垂直于桩轴线分布,存在明显拓展现象。管桩的裂缝发生率为44.3%,其中竖向裂缝发生率为40.8%。王兵[15]从管桩的施工工艺方面进行综合分析,分析了PHC管桩裂缝的形成机理,得出在管桩施工时,其堆放不当;压桩过程中,桩的垂直度控制存在人为误差;接桩过程中,焊接操作不当;土方开挖时,对成品桩保护不到位等原因导致管桩产生竖向裂缝,有时还存在水平裂缝,并提出了PHC管桩裂缝和断桩缺陷的处理措施。刘忠友[8]指出正在施工的管桩在锤击应力作用下,首先会出现应力集中,由于管桩环向筋过少,抗裂能力低,则导致管桩产生裂缝。王建民等[16]通过实例,分析了在施工中管桩裂缝的成因,即在管桩下沉施工时,遇坚硬土层受阻,必然要加大摩擦力,此时只有加大抱紧力,从而在管桩侧面无意间产生了较大的弯矩和切向弯曲拉应力,当达到极限时,便产生裂缝,并提出了相应的处理及预防措施。在管桩服役过程中,岳著文等[17]结合工程后期管桩裂缝问题研究得出,管桩在后期使用时受到挤压,强荷载导致其发生大变形,从而出现竖向裂缝。

温度对管桩裂缝影响研究方面,贾约明等[18]和刘利强等[19]利用Abaqus进行了数值模拟,对受冻胀力影响的预应力高强混凝土管桩服役期间开裂状态进行了分析。研究得出,管桩内部填充物的冻胀作用是导致寒区水面管桩出现纵向裂缝的主要原因,在冻胀作用下,管桩环向应力从受压转变为受拉。模拟显示管桩首先在管桩内壁表现出损伤开裂,且表现出不连续性,裂缝随冻胀力而延伸,使得间断裂缝相互连通,从内壁延伸至外壁,最后导致贯穿裂缝的产生。乐毅等[20]通过研究预应力混凝土管桩基础在冬天开挖暴露后出现竖向裂缝的原因,提出了相对应的措施以及后期预防建议;孔祥逸等[21]、王学亮[22]和张丙吉等[23]都对寒冷地区水面光伏支架预应力高强度混凝土管桩在服役过程中出现竖向裂缝问题进行了探究,在大量实地项目调研和多年冻土试验的基础上结合有限元进行非线性数值模拟,对PHC管桩在冷湿环境中纵向开裂机理进行了分析。研究得出,主要是由于初始损伤,冻胀力作用,内部应力发生变化和内外温度差这四大方面导致;马建华[4]利用数值分析方法对寒区预应力管桩冻胀破坏进行了研究,设计出塑性损伤、不同管桩特征和预应力效应结合的有限元模型,对管桩填充物受冻胀影响时的响应规律进行了分析。Sun[24]和Lubliner[25]通过在冻胀环境下对正在服役的管桩进行裂缝研究得出,裂缝产生的重要原因是冰楔作用,管桩在含水地区,水分会从生产等环节产生的微裂缝中渗入,在毛细作用下逐步扩散。由于温度梯度的存在,水气受到冻结锋面温度的作用凝结为液态水,发生相变后形成冰楔,此过程会产生负压区,通过压力差导致水汽持续运移,如此往复,形成的冰楔将导致原裂纹发生扩展,裂缝宽度不断增大,直到箍筋失去限制随后管桩混凝土部分出现破碎。Yan等[26]对PHC管桩混凝土在多家管桩企业的抗冻性进行了研究。结果表明,高压PHC管桩混凝土的抗冻性具有较大的离散性。一些PHC管桩混凝土的抗冻性能非常好,抗冻等级可以达到F350甚至F1000。然而,PHC管桩混凝土很多形态抗冻性很差,抗冻等级低于F100。同样,Liu[27]和 He等[28]的实验研究也证实了PHC管桩混凝土在AC作用下的抗冻等级勉强可以达到F50。同时,同一混凝土在蒸汽养护下的抗冻等级可高于F300甚至大于F550。一般来说,AC会降低混凝土的抗碳化性、抗氯化物性和抗硫酸盐性。在抗冻性方面,虽然具有一定的离散性,但整体性能也在恶化。然而,导致蒸压混凝土抗冻性能下降的关键机理仍不清楚。提高混凝土抗冻性的研究也很有限[29-30]。对于普通混凝土,添加引气剂往往是提高其抗冻性的最有效方法。但由于操作过程中温度较高,引气剂引入的气泡会破裂,失去引气效果。同时,孔隙中水分的热膨胀也会引起混凝土的裂缝。Yan等[26]对PHC管桩混凝土耐久性的试验研究表明,添加细矿渣和细砂可以大大提高混凝土的抗氯离子性能,但不能改善混凝土的抗冻性能。张丙吉等[5]在研究寒冷地区管桩用于光伏支架的服役过程中发现,随着项目竣工投入使用,受到土壤冻胀力的影响,光伏桩陆续出现不同程度破坏,破坏形态以竖向裂缝为主,偶见水平裂纹。高焱等[31]通过对寒区衬砌结构冻胀破坏研究得出,冻胀力是造成寒区工程时常发生的主要原因。认为冻胀力是围岩整体冻胀和局部冻胀共同作用的结果。陈杰杰[32]在分析某工程静压管桩纵向裂缝事故中得出,工程竣工后存在50%的管桩桩身有贯通的纵向裂缝、钢筋锈蚀、混凝土脱落等问题,投入使用后,相继进行了修复措施,但是未能有效防治,后期裂缝相继发展,出现裂缝宽度向上变窄,向下变宽的新问题。

由此可见,许多学者针对该问题在各个领域都进行了原因分析,并提出了相应的防治措施以期解决管桩的竖向裂缝问题。现分析近年来关于管桩的竖向裂缝问题防治措施的文献,基于现有研究成果对不同使用领域的管桩竖向裂缝的产生机理、裂缝危害及裂缝防治措施进行归纳总结。并进行归纳总结,为进一步探究相应的防治措施提供有价值的参考。

1 裂缝产生原因

与传统的灌注桩相比,管桩有着明确的设计和使用目标。前者以使用为前提,而后者以既经济实用为中心,其在诸多形式的桩基中独占鳌头,逐步取代其他摩擦型桩[33]。但管桩在服役期间陆续出现竖向裂缝问题,危害着整个建筑物的结构安全。若不加以治理,裂缝会随之发展,造成不可估量的后果。治理的前提是需要了解不同情况下管桩竖向裂缝产生的原因,用科学的方法对管桩裂缝问题进行分析。

1.1 生产过程中的原因

中国在国外引进的管节结构长度上加以创新,逐步从国外的15 m发展现在的30～50 m。但是生产工艺还是依照离心成型的方法,管节的长度与生产工艺的精细程度成正比,管桩制作的工艺要求会随着管节长度的增加而更加精细,对模板及离心生产线也提出了更高的要求。另一方面,为了满足施工需求,需加大PHC管桩基础直径,结构的变化伴随着浮浆的增多,浮浆和管壁混凝土二者相结合,浮浆的裂缝直接作用于管壁混凝土,增加了管壁混凝土开裂几率。重新固定其结构过程中,增大桩径,减小管节内壁曲率,导致混凝土抗坍塌能力减小。当转动停止时,丧失了自身强度稳定性,导致未固化的混凝土下垂,从而产生微裂缝。综上可得,桩径大小直接影响管桩表面裂缝的产生。从实验桩外表的质量对这一问题做了进一步的查证,桩的外观由于是麻面而表现出并不光滑,表明PHC桩混凝土还未硬化,即已与模板分离[34]。在实际生产中,满足长度和桩径的要求以现有的工艺水平很难达到,离心过程中管节产生抖动,使管节预制质量下降,增加了管节的质量隐患。在离心成型后,管节需运输到养护槽中维护。分析此过程,仍有引起管桩开裂的因素,经高压蒸养后的管节,卸压制度没有得到适当的控制,导致管壁内、外温差过大,遇冷收缩,受力变得不均匀导致其发生变形,吊运期间又受到震动便促进了表面裂缝的出现。目前管桩的强度在90 MPa居多,此强度虽增加了管桩的工作能力,但其他病害也随之增加,例混凝土抗击打能力降低等。管节预应力钢筋长度随之增长,旋制时预应力筋受离心力作用向外扭曲程度随管节长度变大呈几何级递增。但停止后,钢筋因向心力的丧失将逐步归位,但此时,管节内混凝土已被浇筑,预应力筋微小的变形将撕裂浇筑致密的混凝土,细微裂缝由此产生。

1.2 施工过程中的原因

管桩施工过程中会发现各种缺陷,特别是现浇混凝土大直径管桩,在浇筑混凝土和回收双层壁钢套管的过程中,经常会出现胀形、缩颈、浆屑、混凝土弱、竖向裂缝等现象[35]。多数采用锤击法进行桩体入土施工,打桩工艺较为成熟,但因上述管桩制作时产生的裂缝,将受到锤击应力,致使出现应力集中现象,导致裂缝的延伸,并且管桩的环向配筋稀疏,抗裂能力较低,由此导致管桩开裂。通过大量工程案例发现,在打桩过程中产生的竖向裂缝主要还是体现在地基土层上。若桩尖阻力大,在砂层贯入施工时锤击能量会直接回弹。应力波回弹和锤击波叠加将使桩身环向拉应力增加,此时只有加大抱紧力,从而在管桩侧面无意间产生了较大的弯矩和切向弯曲拉应力,当达到极限时,便产生裂缝。除此之外,接桩过程中,焊接操作不当;土方开挖时,对成品桩保护不到位等也是导致管桩在施工过程中产生竖向裂缝的关键原因。利用高频液压振动锤对光伏桩及栈桥桩进行施工时,由于高频液压振动锤在管桩方面的运用没有相应的施工规范以及控制标准,导致机具选择不够严谨。施工时不能保证桩的垂直度,大大增加了桩体破损率,在激振力作用下若遇到硬度大的岩石,阻力增大,也会导致桩身产生竖向细微裂纹。

1.3 服役过程中的原因

PHC管桩的竖向裂缝多数在服役期间发展,早期管桩被用于高桩码头,但服役期间通过检测数据发现竖向裂缝发生率达到40.8%,并平行于桩轴线分布。经过学者分析得出,此问题是由于船舶频繁停靠,常因失误操作等多种因素,导致码头结构经常受到撞击和挤压,突变的强荷载导致管桩发生大变形,便出现了竖向裂缝。管桩在寒区应用也颇为广泛,服役期间同样出现上述问题。经过现场试验分析以及相应的数值模拟文献总结出造成此问题的原因,出现竖向裂缝的外部诱因是管桩内部径向冻胀力[15],管桩内部的填充物在冬期会发生冻结,此过程具有一定的时空效应。在实验中,使用水来进行管桩内部填充。当上部与空气接触时,这部分首先达到初始冻结温度,并开始发生相变。随着气温的下降,水分会不断凝固,并在开放的环境中逐渐向冻结锋面方向移动,形成冰透镜体,则增强了上部的冻结强度。上表面的水分被充分冻结时,会牢固地粘结在粗糙管壁上,构成坚实的上表面约束层,约束随着气温降低而不断增强,后形成的相变体受到管壁先期冻结层与管壁之间的有力制约,以及下部未冻层约束,基本构成近似闭合的约束空间,为径向冻胀力发展提供了有利条件。而管桩外部冻结层似为无约束的开放场,由于管桩在静压施工时,管桩内部密实度较大,在富水环境下,管桩冻胀力可得到有效发展。壁厚较小且刚度较低的管桩在此情况下更易破坏。通过分析微观层面可得,寒区管桩初始裂缝来源主要是管桩在富水环境下,水分可由生产环节中形成的微裂缝中直接渗透,并且以毛细作用扩散到内部。张士萍等[36]证实了这一观点,在干湿环境下对管桩研究发现,混凝土中的水分是逐渐渗入的,其表层含水率往往高于其内部含水率,这就导致混凝土受冻时的表层损伤发展较快,结构性能逐渐下降。且由于温度梯度的存在,水汽被冻结锋面冷凝为液态水,发生相变后形成冰楔,该过程为负压区的产生提供了条件,由此导致水汽的持续运移。冰楔可导致原裂纹的扩展,产生新裂纹,致使裂缝的宽度也相应增大,直到箍筋丧失约束,混凝土便发生了破碎。汪尧等[37]在冻融循环条件下对混凝土力学损伤特性进行了研究,得出此环境会对混凝土细观结构产生严重损伤,进而导致出现宏观的破裂。其冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。

通过对试验场地管桩竖向裂缝的记录数据分析,管桩出现裂缝的先决条件是环向应力的改变,用于制作管桩的混凝土主要利用了其良好的抗压性能,即在钢筋和混凝土变形不再协调的情况下进行钢筋混凝土构件设计时,忽略混凝土部分,其不参加作业,需要钢筋的应力状态超出混凝土材料抗拉强度,此时拉应力完全由受力筋承担,便出现了竖向裂缝。PHC管桩环向均匀布置了适量的预应力筋,为了提升管桩的抗压、抗剪和抗弯性能,其在环向对混凝土并未起到预压作用。在寒区水面处,因冻胀作用在管桩内壁产生了极大径向压力,改变了管桩在环向的受力状态。在主拉应力大于抗拉强度时,与主拉应力垂直的方向上会产生裂缝,管桩混凝土的内壁由弹性状态逐步进入塑性破坏状态,不断地向外延伸,直至出现贯通的裂缝,管桩螺旋箍筋随之由构造筋变为承担环向拉应力作用的主受力筋。混凝土在冻胀作用下会沿裂纹不断扩展,经过冻融循环后,管桩的裂缝会越来越长,管桩也就逐渐丧失其优良的性能。

2 管桩裂缝检测方法

2.1 动测法

目前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。低应变法[38]由于其测桩轻便、速度快、操作简单,故成为最为广泛的裂缝检测手段。目前对低应变完整性试验中桩缺陷检测的研究可分为两大类:桩-土动态相互作用和桩内三维波传播效应[39]。相比于高应变,可以检测到距桩顶较近部位的缺陷。然而,PHC管桩的环状结构使得应力波的传播方式变得复杂:①当出现与桩轴线垂直的纵向裂缝时,应力波会被绕射[40-41],从而导致无法被有效检测;②应力波反射法依靠单一波形特征对桩身缺陷进行判断,但是缺少对于缺陷大小的量化分析,所以无法定量地给出精确的裂缝宽度;③夹在颈部缺陷内的环形土的纵波速度是影响桩动力响应的主要因素。如果忽略桩颈缺陷与其夹土之间的动力相互作用,则会低估桩段的实际缺陷程度;④缺陷的非检测区主要与其还原程度和位置有关,并不能区分颈部和软弱混凝土缺陷的区别;⑤处于桩顶附近的缺陷,入射波后,负倾角峰值将显著升高,可用来对浅缺陷进行快速的初步评估。但处于桩脚处的缺陷,对纵向应力波复合速度的变化和动态速度响应曲线波形均很难发现缺陷;⑥脉冲宽度对管桩顶高频干扰的影响存在一个阈值。在此值以上,脉冲宽度的增加几乎不能减弱高频干扰,但会导致检测精度降低[38]。基于以上原因,李正印等[42]和陈凡等[43]为了定性定量地对管桩竖向裂缝进行评判,对PHC管桩进行了模型理论计算和低应变检测试验,研究得出了用尼龙锤和铁锤的搭配测试可以达到较好的效果,了解了管桩中波传播的特征,并且提出了计算不同点激励速度峰值时间差的关系式,从振型的角度解释了管桩顶面不同测点处高频干扰随加载脉冲变宽时的衰减现象。李彦生等[44]结合大量工程实例,对PHC管桩桩身完整性低应变反射波法测试曲线进行分析,得出PHC管桩各类测试信号的特征。郭杨等[45]通过低应变测试信号的时频分析法与小波分析法处理对比,发现小波分析方法可以更准确地识别细小裂缝的反射波。

二是采用重锤锤击的高应变测试法,与低应变法相比较,锤击的能量更高,使应力波能够传递的深度加大,可反映桩身深部的裂缝缺陷。在进行测试时管桩两侧对称安装力传感器和加速度传感器,获得的测试参数增多、测点合理布置,增加了桩身完整性检测的可靠性[46]。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[47]。魏小明[48]利用高应变测试法对长江中游某码头大直径管桩进行了裂缝检测,利用检测数据制定了修补措施。杨笔将[49]对上海市某新建住宅楼项目其中一单体预应力管桩进行高应变测试,旨对低应变检测数据进行复核。但由于高应变测试涉及锤击系统,大多采用打桩机上的打桩锤进行锤击,阻碍了施工进度,因此无法大面积使用。

2.2 外观调查

外观调查检测仅能针对泥面上方管桩开裂情况进行相关的调查和检测,对水位面之上的裂缝,可用肉眼结合非金属超声波检测仪等仪器直接观测,可以对裂缝的深度和宽度进行准确的读取。黄澧等[50]利用该法对某工程桩基基础800 mm钻孔灌注桩进行了前期检测。但位于水面之下,泥面之上的管桩裂缝则可采用水下探摸结合水下摄像的方法对缺陷程度和裂缝位置进行探明。

2.3 孔内摄像法

孔内摄像采用空孔作为前进的通道进行观测。使用定位装备,配套设备和防水摄像头以一定速度在整个桩体或桩体部分内部进行观测,对观测数据和拍摄过程进行逐一记录[51]。根据摄取图像进行现场观测,后期处理前期结果可以确定桩身缺陷部位和尺寸,并依此对桩身完整性进行定量分析。该法具有检测技术直观、精确确定缺陷位置、定量分析缺陷等优点[21],能较为全面地观察到低应变检测难以判别的缺陷问题。宋兵等[52]利用孔内摄像法对管桩进行检测,该法可准确判断桩底与持力层接触部分的质量问题的范围,且可辅助判断质量问题的性质。陈永福[53]利用摄像法对上海闵行区某工程项目桩体进行检测,检测结果照片与现场芯样照片进行对比辅助分析。罗剑[54]研究发现该法适用于辅助钻芯法进行灌注桩质量验证检测,进一步判别灌注桩桩身缺陷,确定沉渣厚度,鉴别桩端持力层岩土性状。但其有着相对苛刻的缺点,如支架难以固定,对检测环境要求较高,检测速度较慢等。大多数检测过程中是将孔内摄像技术与低应变检测结合使用,可为下一步工程处理提供准确、可靠的依据。黄荣荣等[55]将其两者结合对昆山市花桥镇的桩基项目进行检测,得到所需可靠数据。

2.4 裂缝检测方法综合对比

管桩裂缝检测方法综合对比如表1所示。

表1 管桩裂缝检测方法综合对比Table 1 Comprehensive comparison of pile crack detection methods

3 裂缝防治措施

3.1 生产过程中

管桩在生产过程中首先要着重注意混凝土的水灰比,混凝土的强度对管桩冻胀的影响。此影响不仅仅出现在管桩,例如在管道衬砌方面也是如此,Lu等[56]早期通过对管道衬砌混凝土冻胀的一系列观测试验,对冻胀力的影响及破坏机理进行了一些研究。结果表明:季节性冻胀作用下,管道衬砌混凝土最基本的破坏形式为裂缝,裂缝开始出现在管道衬砌底部和两侧;随着地基冻胀的加深,破坏程度逐渐增大。混凝土衬砌冻胀破坏的宏观形式主要有衬砌开裂、隆起、错位等。此研究提出的生产时增加混凝土强度与不同的涂覆裂缝方法对混凝土结构起到了很好的防治,为管桩裂缝防治起到借鉴作用。姜天华等[57]研究提出,在生产过程中利用掺合料替代水泥材料,制备超高性能混凝土,其性能在于颗粒和纤维的高密度堆积,使原材料达到更强的黏结性。其次管节环向钢筋宜采用刻痕高强钢丝,且必须随着管径的增大适当加密。建筑管桩需要对原材料进行准确选择,严格控制混凝土配合比以保证熟料混凝土生产的均匀性,适当增加旋制时间以减小混凝土的坍落度[8]。需要对长度在15 m以上管节进行着重处理,其主筋位于中点位置应增设高强熟料防护层支撑,减少向心力对预应力筋变形的影响,支架间距应严格控制在15 m范围内。在吊运过程中速度要缓慢,下落时要轻放,为避免管节受到冲击破坏,需要在垫点上设置橡胶缓冲垫。管桩在常压下蒸汽养护后,应等混凝土温度降至与室温大致相当后再拆模,不应立即拆模。管节经过高压蒸汽的维护后,要制定合理降压降温制度,分步逐级降压。

3.2 施工过程中

PHC管桩施打前,应收集邻近工程地试桩数据,全面分析区域地质资料,若地质条件比较复杂,尤其是在有软、硬突变的土层中,不应直接施打,应先通过试桩来确定锤击参数及停锤标准,并判断其合理性,选用适当的桩垫式锤垫。针对管桩的密集程度、入土深度以及周边建筑物的关系,开挖防挤沟,清除表层的杂填土,制定合理的打桩顺序,设置应力释放孔,适当控制每天的压桩数量,能有效地减小挤土效应。沉桩时选用合适的锤型、击锤的重度,控制落锤高度,重锤轻打。根据管节直径的大小,适当增加箍筋以加强PHC管桩的耐打性。同时,为预防竖向裂缝的产生,需在桩顶下3～5 m内每间隔1～1.5 m加设一个钢抱箍。另外,也可将钢纤维与管桩混凝土相结合,可起到良好的抗裂效果。

3.3 服役过程中

调查发现,大部分管桩工程都是与土直接作用,丑亚岭等[58]在冻融循环条件下探索了石灰-硅灰双掺固化剂、含盐量、冻融次数等因素对非饱和固化硫酸盐清土-混凝土接触面力学性能的影响。从而对土质进行改良,此法是换个角度保护混凝土桩体的措施。

从桩身角度出发,当裂缝较浅,大部分小于0.5 mm时,未深及高强钢绞索,对应于钢绞索深度处的氯离子含量较低,可对产生的裂缝采用密封胶封闭处理,外刷水泥砂浆,阻止外界氯离子的进一步侵入,同时对管桩混凝土外表面清理,除去淤泥和其他杂质,去除表面松散,脱落之类的劣质混凝土,将混凝土结构层露出,制备底胶,在混凝土表面的凹陷处采用找平胶进行补平,找平后用碳纤维布和加固用胶粘剂粘贴,增加破损桩的整体强度,对相应部位进行标记,并继续观察[21]。对于裂缝宽度超过2 mm的桩,用高分子沥青软膏嵌缝处理。裂缝宽度在2 mm以下的桩体,喷涂环氧树脂型高分子防腐防水材料。对较大规模的裂缝,要进行钻孔压力注胶对其进行加固处理。对于肉眼未能明显发现开裂的桩体,宜采用聚合物防水涂料进行喷涂处理,防止水分受到毛细作用通过微裂缝迁移,降低冻融条件下混凝土的含水率以提高混凝土的耐久性。管桩需要加装三角支撑架以用于光伏支架建设,为避免光伏组件的震动需将光伏板牢固固定,避免震动原因进一步给桩身裂缝带来了负面影响。裂缝的两头加上抱箍禁锢,阻止裂缝继续发育。

当PHC管桩服役期间受到挤压、劈裂和大变形时,多点接触对预防裂缝较为有利。当PHC管桩承受劈裂挤压时,由于内壁承受的压力较大[22],其内表面容易形成裂缝,此情况会导致管桩的抗拉强度增加。若管桩处于严重的腐蚀环境,须采取措施来进行防治,以阻止腐蚀物质通过裂缝侵入钢筋。另外,因为外表面裂缝的修复效果较差,在侵蚀性环境中使用PHC管桩时,应慎重考虑其抗侵蚀能力。

3.4 管桩越冬引发裂缝的防治

为将管桩内部积水排出,需在桩体距地表300 mm处开孔,防止冻胀导致桩身裂缝的进一步开展。开孔孔径严格控制在15 mm范围内,开孔位置可在垂直风荷载方向的桩身两侧开启,不能开在面对风荷载作用下桩身部位[59]。管桩施工出现越冬情况时,需要合理安排施工周期,应尽力避免冬天开槽造成高低跨处桩裸露大气环境中。若管桩的侧表面未产生裂缝,则水分很难渗透到管道中。因此,采取正确的施工方法和正确使用设备,可以有效地防止管道的早期损坏和管道的顶部和底部的破坏,从而降低受冻害的风险。同时,要进行技术交底,强化施工管理,避免超出技术要求的行为。在寒区管桩运用过程中建议,受冻胀影响的区域可采取减小箍筋间距、增加螺旋箍筋直径,以及采用大直径或壁厚的管桩等措施以提升管桩抗冻胀能力[60]。目前,提高管桩抗冻性能的常用方法是材料复合技术[61],将纳米材料和防冻剂掺入混凝土中可以明显改善混凝土的物理、力学、耐久性等方面性能[62-63]。其中最有效的纳米材料是SiO2,在混凝土中的有效分散可以显著提高混凝土的抗冻胀性能[64-65]。该材料的掺量需要进一步研究,并不是越多越好,学者研究发现[66-67],纳米SiO2的加入会起到润滑作用,但掺量过大时,该材料的高吸水使得新拌混凝土自由水含量降低,从而导致强度和耐久性能下降。李琦等[68]通过对橡胶混凝土进行蠕变测试,得出该法在混凝土防冻方面具有实用价值。总之,为了有效地减少冻胀对管桩的影响,应尽量避免填充物和水分的补给,并采取措施降低混凝土的抗渗性,以减少冻融循环对管桩耐久性的不利影响。

4 结论

(1)通过对近年来PHC管桩在生产、施工、服役、寒区应用四方面产生竖向裂缝的原因、防治措施及检测等文献资料的总结分析,发现PHC管桩在各领域均出现了相同的裂缝问题,目前主流的防治措施包括化学防治和物理防治两种,但防治措施并没有从根本上治理问题,而是仅延长了管桩进一步扩展竖向裂缝的时间,以上工程实例并不够全面,这是由于管桩竖向裂缝的研究起步较晚,作为基础部分,只在影响工程进度时才被重视起来,缺少现场调研数据和现场裂缝破坏特征,且受地域因素影响较大,如何设计防护措施,不仅需要研究裂缝的成因,还需要现场观察裂缝的走向以及特征,在理论分析和实践观测之间取得理想的互补平衡是解决和防治管桩竖向裂缝的关键问题之一。针对一般外部条件下,管桩裂缝进行现场试验是相对容易的,但在加入越冬的条件下,时间需要相应调整,把握好越冬时间周期,在此周期内完成现场试验并达到理想效果却不是一件容易的事。在数值模拟方面,目前在宏观上可以模拟出管桩出现的裂缝情况,但是在微观层面模拟出内部冻胀力以及环向径力仍然需要进一步突破,如何在越冬情况下对管桩裂缝进行定量的分析将是研究中需要着力解决的关键技术。管桩竖向裂缝更有效的防治仍然是目前需要研究的重点,针对管桩裂缝产生的机理从新材料、新工艺、新方法等方面寻求突破仍是研究的关键。

(2)随着《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要》(简称“十四五”规划)等国家方针政策的推进及光伏新能源建设工程实施、高速铁路及公路桥梁系统等建设规划的需求,数目众多的巨型土工构筑物工程的规划、设计和建设,使管桩运用更广,中国在相关的设计理论和方法、运用技术等方面取得了长足的进步。在许多方面已达到或接近世界领先水平。尽管如此,由于这些工程规模巨大,条件复杂,因此在其设计、建设以及对管桩运行管理过程中,仍存在众多复杂和极具挑战性的问题尚未得到很好的解决。这也为管桩运用工作提供了巨大的发展机遇。

(3)自21世纪以来,学者们对管桩竖向裂缝问题的研究逐渐向冻融环境转变,可以预见,中国有关管桩竖向裂缝问题的研究必将取得持续和突破性的发展。对此应进一步现场勘查,摸清不同环境下裂缝的开展形式,延伸状态,总结管桩改良研究的成果,开展相应的课题研究,为提高PHC管桩在中国工程建设的使用率打好理论基础。