在役高樁碼頭混凝土基樁檢測評估探討

潘新恩

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

高樁碼頭結構輕,受力體系明確清晰,主要由樁、梁、板分別承受豎向和水平荷載[1]。碼頭基樁是碼頭結構受力的重要支撐,承載著上部的所有荷載并將其傳遞給地基,同時還起到穩(wěn)固地基和岸坡的作用。基樁發(fā)生病損或失效可能導致碼頭不再安全[2]。高樁碼頭工作的自然環(huán)境惡劣,鋼筋混凝土基樁由于耐久性設計不足、環(huán)境侵蝕、過載、疲勞、撞損以及材料本身某些特性隨著時間推移,會出現(xiàn)不同程度的劣化,造成基樁混凝土開裂、剝落、鋼筋銹蝕等常見病害[3]。在役基樁病損的危害性高、影響大,會極大地影響碼頭結構整體的耐久性能與承載能力,其健康狀況關乎整個碼頭結構的安全。水中樁基病損具有隱蔽性強、不易被發(fā)現(xiàn),且病害劣化速度較快的特點。因此,及時準確地檢測和界定基樁損傷程度,恰當地評價其在不同損傷程度下的安全狀況、預測剩余使用壽命并及時采取管制維護措施,是當前學術界和工程界亟待解決的問題。

1 基樁病害類型及影響分析

高樁碼頭結構構件相比較于其他形式碼頭較為薄弱,往往在建成投產后10年左右就會出現(xiàn)破損病害,個別病害嚴重時碼頭甚至無法正常使用。高樁碼頭基樁處于水下區(qū)、水位變動區(qū)和濺浪區(qū),較其他構件更易受損,且破損帶來的影響較其他部位要嚴重,其病害會加劇結構性能的劣化。在役高樁碼頭混凝土基樁常見病害主要有:裂縫、鋼筋銹蝕、剝落等[4-5]。

在役高樁碼頭混凝土基樁病害的發(fā)生不分先后,且往往不是單一類型的,而是伴隨著同時出現(xiàn)的,病害影響相互疊加、相互促進發(fā)展。如基樁表面混凝土發(fā)生沖蝕、剝落會減小構件的有效截面尺寸,使得鋼筋保護層厚度不斷變小;腐蝕介質不斷侵襲會破壞鋼筋鈍化層,導致鋼筋發(fā)生銹蝕和材料劣化;鋼筋銹蝕引起體積膨脹,混凝土發(fā)生脹裂、破碎、剝落,進一步加速鋼筋的銹蝕和裂縫的擴展,加劇基樁損壞,引發(fā)連鎖反應。病害的發(fā)展會影響基樁的承載能力,導致樁基承載力降低和不足,使結構支座不穩(wěn)、碼頭結構出現(xiàn)顯著的變形變位和功能喪失,帶來重大的安全生產隱患和經濟損失。

2 在役基樁的檢測與評估

2.1 常用檢測方法

高樁碼頭的基樁是碼頭結構受力的重要支撐。如果在役基樁存在明顯質量缺陷或受損,會嚴重危及上部結構的安全。對高樁碼頭結構及基樁損壞情況進行定期檢測評估,及時掌握結構損壞程度、病害發(fā)展及影響情況,加強碼頭設施經常性的維修保養(yǎng)工作,有助于保證碼頭結構長期安全運行。

在役混凝土基樁的主要檢測內容包括水下結構外觀破損情況檢測和樁身完整性檢測,綜合判定基樁的技術安全狀況。水下結構外觀破損情況檢測多采用潛水員法,在役基樁樁身完整性檢測多采用低應變反射波法[6-7]。基樁質量檢測的關鍵是檢測樁身完整性及樁身材料劣化情況,在役基樁實際承載能力需根據檢測的樁身完整性情況及材料劣化情況驗算樁的實際承載能力,并與設計值進行對比。

目前主流的水下結構外觀破損情況檢測仍然以可視化檢測為主,多依賴潛水員以目視、探摸、拍照攝像結合尺量的方法對基樁表觀缺陷和損傷情況進行檢測,記錄基樁表面破損、剝落、開裂、露筋銹蝕等病害情況,必要時進行基樁截面尺寸的測量等,全過程以目測為主。在水質較好、流速緩慢的條件下檢測結果相對較為準確可靠。但是存在一些弊端:(1)檢測作業(yè)受環(huán)境條件影響較大,特別是結構物表面附著較厚的大面積水生物、水質不清、水流流速較大時,會影響檢測質量;(2)潛水員潛水深度及時間受限,不能對水下結構進行全面檢測,檢測效率不高,且存在安全隱患;(3)潛水員通常缺乏工程專業(yè)背景,并且水下視覺和觸覺誤差大,特別是檢測人員經驗不足且責任心不強時,檢測結果的可靠性受影響。因此,潛水檢測時需要選拔具有經驗豐富、高度責任心的潛水員,對潛水員進行全面的技術和安全培訓,選擇合適的作業(yè)時間段,避開大風浪等易造成水質渾濁的天氣,對檢測過程進行全程錄像留底。

由于在役基樁樁頂存在縱梁、橫梁等上部結構的影響和限制,低應變反射波法樁身完整性檢測不具備樁頂自由的檢測面和條件。因此檢測時需要在樁側切口進行激振和檢測,檢測受到的干擾因素和約束條件較多。在樁側激振與接收時應力波的傳播較為復雜,造成信號分析與解釋的困難,不僅需要提高現(xiàn)有儀器的性能和診斷精度,還需要具有豐富工程經驗的工程師結合理論與實踐經驗進行數據判讀和分析。

現(xiàn)有在役基樁檢測成果的準確性和可靠性受限于試驗檢測人員的技術水平、專業(yè)能力和工程經驗,以及作業(yè)環(huán)境等因素的綜合影響。因此,試驗檢測應往信息化和智能化的方向發(fā)展,以使得試驗檢測結果更加真實可信。

2.2 基樁技術狀況評價分級探討及建議

國內的規(guī)范[8-10]采用分層綜合思想,依據基樁檢測的客觀結果,對碼頭基樁結構的各類病害進行了量化規(guī)定,就病害的有無、程度(輕度、中度、嚴重等)、范圍大小等進行了明確的技術狀態(tài)分類、劣化度分級和評估等級分級,據此可得到碼頭基樁的技術狀況并劃分安全等級。

規(guī)范[8-9]對基樁的分類和維護策略的劃分基本相同,均是基于樁的外觀劣化情況提出的。基樁的技術狀況分級可以通過外觀的劣化情況進行分類判別,當外觀劣化程度超出一定范圍時,就需要進行進一步的安全性和適用性評估。如規(guī)范[8]對于外觀病害較為嚴重的五類(危險)基樁,提出了檢測評定的要求;規(guī)范[9]則對基樁劣化度外觀評估等級為C級或D級時,提出了應進行安全性和適用性評估的要求。規(guī)范[9]對樁的安全性評估主要是基于樁基的承載能力相關比值進行評估分級;對樁的適用性評估主要是基于最大裂縫寬度相關比值進行評估分級;實際評估工作中,需要實測值與理論值進行對比。規(guī)范[10]將低應變反射波法檢測對基樁完整性分為Ⅰ類樁～Ⅳ類樁共4種類別,依據樁身完整性程度即缺陷程度大小、對樁身結構承載力影響程度,提出了不同的處理要求。

對結構損傷程度的標定和評價通常是對工程結構進行故障診斷的目的,評價結構在相應損傷狀態(tài)下繼續(xù)服役性能的可靠性、剩余使用壽命,以及為實施維修提供決策依據。現(xiàn)行規(guī)范對在役碼頭基樁的病損進行了檢測、界定損傷程度和評價其在不同損傷程度下的安全狀況、保證整體結構安全使用、指導后期維修和加固工作等方面起到了積極作用,但是在耐久性評價方面仍停留在外觀劣化評估,缺少對結構剩余使用壽命的預測。在役基樁結構損傷診斷技術需進一步與結構可靠性和剩余使用壽命預測等相結合進行研究。建議積極研發(fā)能延長基樁使用壽命的新工藝、新材料和新技術;對基樁的設計使用年限進行耐久性設計,選擇更合理、抗腐蝕和抗劣化能力強的材料;施工過程中積極采用可提高結構耐久性的新工藝、新技術;對在役結構選擇有效的附加防腐蝕措施以提高對基樁混凝土結構的保護;積極探索運營維護期內在役基樁全壽命周期結構健康安全監(jiān)控的研究及應用。

2.3 基樁檢測評估實例應用分析

沿海某高樁碼頭采用直徑1 m的鋼筋混凝土管樁。在定期檢測評估中發(fā)現(xiàn)某基樁樁頂與承臺頂面連接處附近存在1條縱向裂紋,長度約58 cm,最大寬度為0.12 mm;水下結構外表普遍附著海生物,無明顯外觀破損、斷面侵蝕縮頸等其他異常狀況。經管樁混凝土結構耐久性檢測,管樁混凝土強度滿足設計要求;結構表面未見明顯銹跡,鋼筋腐蝕電位檢測顯示鋼筋銹蝕概率<10%,材料未見明顯劣化。在靠近樁頂側面切口采用低應變反射波法進行檢測,在距檢測基準面以下18.22 m處存在輕微缺陷,基樁完整性分類判定為Ⅱ類樁。

經外觀劣化度評價為B級,技術狀態(tài)為二類(較好),需要進行小修。基樁完整性分類判定為Ⅱ類樁,樁身基本完整,有輕度缺陷,不影響正常使用;樁身材料未見明顯劣化,結構損傷尚不影響承載力,管樁結構的耐久性基本滿足設計使用年限要求。綜合判定,該基樁的安全性、適用性及耐久性評估等級為B級,建議加強檢(監(jiān))測并及時采取修復措施。

考慮到該工程處于海洋環(huán)境,為避免病害進一步發(fā)展影響上部結構安全,檢測評估建議對該水上樁身裂紋病害采用碳纖維包裹加固法進行修復加固處理,即采用環(huán)氧修補膠表面封閉樁身裂紋,樁周包裹高強Ⅰ級碳纖維布處理。該基樁低應變反射波測試波形如圖1所示。

圖1 基樁低應變反射波法測試波形圖

3 結語

(1)在役基樁工作環(huán)境惡劣,易受損失效;病害具有隱蔽性強、危害性大的特點。碼頭運營管理單位應建立定期檢測評估機制,對高樁碼頭結構及基樁損壞情況進行定期檢測評估,及時掌握結構損壞程度、病害發(fā)展及影響情況,加強碼頭各項設施的經常性維修保養(yǎng)工作,以保證碼頭結構的長期安全運行。

(2)現(xiàn)有在役基樁檢測成果的準確性和可靠性受限于試驗檢測人員的技術水平、專業(yè)能力、工程經驗以及作業(yè)環(huán)境等因素的綜合影響。試驗檢測應向信息化和智能化方向發(fā)展,使試驗檢測結果更為真實可信。

(3)現(xiàn)行規(guī)范對在役碼頭基樁病損檢測、界定損傷程度和評價其在不同損傷程度下的安全狀況起到了積極作用,然而缺少基于其在相應損傷狀態(tài)下繼續(xù)服役性能的可靠性評價和剩余使用壽命的預測。在役基樁結構損傷診斷技術需要進一步與結構可靠性、剩余使用壽命預測等方面相結合的研究。

(4)建議在工程的設計、施工、運維等各個階段采用各種先進的工藝、材料和技術以提高混凝土基樁的抗腐蝕和抗劣化能力,同時加強在役基樁全壽命周期結構健康安全監(jiān)控的研究和應用。

(5)建議碼頭運營單位應加強碼頭運營期管理和監(jiān)控,避免不合理的超設計能力使用和超噸位船舶靠泊,嚴格控制船舶靠泊速度和角度等。