樁基在腐蝕環境中的承載力規律

劉澤鵬，謝衍，謝超群，魯猛

(1.華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045；2.中交一公局西南工程有限公司，福建 廈門 361000)

0 前言

中國地處廣闊的天地，擁有豐富的自然環境條件，樁基礎位于錯綜復雜的服役環境，大海中的氯離子損害環境，與內陸咸水湖和鹽堿地硫酸鹽侵蝕環境十分常見。鹽漬土在中國東北及西北區域遍布十分普遍，土中含有許多的浸蝕性硫酸根離子，對處在鹽漬土中或與鹽漬土接觸的混凝土部件都擁有很強的浸蝕作用。這些環境情況下腐蝕性離子的侵蝕作用，將會造成混凝土樁基承載力減小，而目前的設計、施工以及有關的理論研究方法，很少涉及混凝土樁基的承載力問題，相關的調查和資料也較為缺少。目前，中國正處于地下混凝土結構新建與維修并重階段，隨著經濟、技術的發展，海工建筑物的使用年限要求也在不斷增長。隨著口岸碼頭的建造，近海構筑物的興建，許多的預制鋼筋混凝土樁基被用在建設中。而臨海及大海里面含有許多的氯鹽，導致樁基礎里面鋼筋很易于產生生銹，進而減小整個樁基的承載能力，對樁基的安全性產生作用。隨著海工建筑物使用年限的增長，對建筑物的關鍵構筑部分的樁基承載力規律，也就有了更嚴格的標準。因此對不同腐蝕環境條件下混凝土樁基的樁基承載力規律展開研究，為新建樁基的承載力設計與在役樁基的承載力評估供應需要的理論依據，具有重要的理論和現實意義。

1 在腐蝕環境中樁基的水平承載力規律

在大海中服役的混凝土樁基，其水平承載特性擁有顯著的時變特征。暴露條件越差，其時變特征越顯著。隨著露出時長的延伸，樁身的抗彎剛度表現為非線性減少，樁身的水平位移和樁身的負剪力最大的值表現為逐步變大，樁身的彎矩則逐步變小。樁頂的水平位移適合決定水平承載力。

姚賢華等發現了樁體的脫落厚度是對樁基水平向極限承載力有作用的關鍵原因，當樁體的脫落厚度大于16cm，樁基水平向極限承載力減小率明顯。對于水平向荷載的存在，樁體表面的脫落厚度對于樁基極限承載力具有最大的作用，樁基的極限承載力減小率到29.3%是最大的情況。

邵偉等認為氯離子侵蝕時間越長，樁身抗彎強度折減系數呈現減小的趨勢，管樁水平承載特性隨著鋼筋銹蝕膨脹而降低。

馮忠居等通過離心模型實驗的方案，調查了鋼管混凝土樁的承載特性，結果表明，當鋼管的埋深在12cm的范圍內變大時，能明顯提升鋼管混凝土樁橫軸向極限承載力。

2 在腐蝕環境中樁基的豎向承載力規律

在樁基的研究中，最關鍵的研究參數是樁基的豎向極限承載力，在樁基礎工程中，確定其大小這是必要的過程。調查樁基的豎向極限承載力常見有3個途徑：理論計算、承載力檢測和數值模擬，但是對于受腐蝕的橋梁樁基礎進行數值模擬是較可行的方法。對于混凝土制作的灌注樁來說，持力層、樁身的混凝土強度、樁長、樁徑是決定單樁的豎向承載力的關鍵原因。樁頂沉降適合決定豎向承載力。

豎向承載能力的衰退是硫酸鹽腐蝕環境中樁基的耐久性問題的關鍵體現。①在同一腐蝕時間下，隨著腐蝕深度的增長，SO42-含量越來越少；在同一腐蝕深度下，隨著時長的增長，SO42-含量越來越大。②雖然露在硫酸鹽環境中的混凝土樁基隨著時間的增長，其抵抗腐蝕的能力逐漸變弱，但其腐蝕速度會逐漸變慢。

在混凝土樁成樁后，其存在的這段時間里，隨著土地里的硫酸根，向樁體里面逐漸擴展，從混凝土樁體表面向里面，逐步有腐蝕的反應發生，導致混凝土外部侵蝕出現開裂，喪失了對于豎向承載能力的作用，并伴有不能恢復的破壞。

馮忠居等調查了地面水對黃土區域樁基承載力的作用，發現黃土浸水后會降低樁基的極限承載力，并結合地質特征，調查了影響樁基承載特性的原因，經過樁側壓漿與注水測試，研究出樁基承載力會隨著壓漿而提升，注水則會降低。

王富春等研究了鹽沼澤環境對樁基豎向承載特性產生的影響，樁基受腐蝕后，其豎向極限承載力將會有較大程度降低，發現侵蝕深度對于樁基的豎向極限承載力的作用程度大于剝落厚度。當剝落的厚度不大于6cm，增加樁長可以提升樁基豎向極限承載力；當剝落的厚度大于6cm，增加樁徑可以提升樁基豎向極限承載力。

姚賢華等在青海鹽沼澤區，發現了樁體的腐蝕長度是對樁基豎向極限承載力有影響的關鍵原因，當樁體的腐蝕長度多于8m的時候，樁基的豎向極限承載力減小率明顯。

鄭揚等研究了在不同的樁長情況下，隨著受腐深度的增長，受侵蝕的樁基的極限承載力，出現減小的趨向。隨著樁長的增長，樁基極限承載力降低率逐步減小，故樁長的增加有利于降低腐蝕帶來的不利影響。樁徑的增長或減小，對于樁基的豎向承載力的作用不明顯。從剝落厚度的改變，分析樁基的極限承載力，豎向承載力隨著樁徑越小，其減小得越快。侵蝕到樁基的保護層之后，樁徑越小的樁基的豎向承載力，被侵蝕后會產生較大的作用。

王鳳池等通過研究認為，鋼樁表面產生腐蝕產物后，使樁體和土體之間的粘聚力降低，進而降低了樁基的豎向承載力。

3 結論

本文著重對樁基在腐蝕環境中的承載力規律進行了簡要的論述，簡要介紹了在腐蝕情況下樁基的承載力分類，總結和歸納了當前的研究現狀。

由以上論述可知：①樁體的脫落厚度是對樁基水平向極限承載力有影響的關鍵原因；②樁體的腐蝕長度是對樁基豎向極限承載力有影響的關鍵原因；③樁長的增加有利于降低侵蝕帶來的不利影響，樁徑的增長或減小，對于樁基的豎向承載力的影響不明顯；④樁頂水平位移適合決定水平承載力，樁頂沉降適合決定豎向承載力。