管樁豎向裂縫發(fā)生機理及防治措施綜述

孫超, 汪鵬, 郭浩天*

(1.吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院, 長春 130118; 2.吉林建筑大學(xué)季凍區(qū)巖土工程研究所, 長春 130118)

目前管樁在各個領(lǐng)域運用非常廣泛,其是一種預(yù)制工程樁。管樁由于承載力高、穩(wěn)定性強等特點通常作為建筑物的基礎(chǔ)。此外,在施工過程中,通過側(cè)向擠密和豎向擠壓作用,可以顯著增加承載力和側(cè)摩阻力[1]。因此適用性廣泛,密實的砂層、一般性土層和強風(fēng)化巖層均適用[2]。隨著管樁逐步發(fā)展,管樁已成為房屋建設(shè)、碼頭、光伏新能源、橋梁等行業(yè)的重要支撐結(jié)構(gòu)[3]。自20世紀(jì)80年代高強度預(yù)應(yīng)力管樁(pre-stressed high-strength concrete,PHC)被引入中國以來,中國一直致力于管樁的技術(shù)創(chuàng)新與工程應(yīng)用,并通過不斷完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),為管樁的普及應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)[4]。此外,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁地方標(biāo)準(zhǔn)逐步在天津、遼寧等地開始編制[5]。這些標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了管樁的材料、施工工藝、質(zhì)量檢測和承載力設(shè)計等方面。逐步在鐵路、水利、碼頭、橋梁、市政以及大型設(shè)備的工程基礎(chǔ)領(lǐng)域中得到運用,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。然而PHC管樁在各個領(lǐng)域服役過程中發(fā)現(xiàn)有豎向裂縫,環(huán)向裂縫,樁身不規(guī)則裂紋等一些問題產(chǎn)生,其中最突出的問題即樁身豎向裂縫。在全部樁基中,PHC管樁出現(xiàn)裂縫的概率最大可超過40%[6]。

針對此問題,許多學(xué)者在各個領(lǐng)域均對管樁豎向裂縫進(jìn)行了研究。在管樁生產(chǎn)過程中,林顯才[7]和劉忠友[8]發(fā)現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生與管樁生產(chǎn)工藝有著很大的關(guān)系。建筑物管樁大多屬于大樁徑管樁并且都是通過離心成型,成型后的管壁并不是一個整體,而是一種分層結(jié)構(gòu)。但隨樁徑增大,水泥漿在管內(nèi)壁厚度也增大。因管樁表層被水泥漿包裹,干縮性增強,導(dǎo)致在施工前就出現(xiàn)了干縮裂縫。吳啟明[9]在對沿海高樁碼頭管樁豎向裂縫的研究中發(fā)現(xiàn),裂縫的產(chǎn)生是在前期生產(chǎn)工藝、原材料、運輸操作不當(dāng)所導(dǎo)致的。湯渭清[10]在研究高樁碼頭中大管樁的生產(chǎn)制作過程中得出,PHC大管樁對模板和離心旋轉(zhuǎn)速率的要求極高,若混凝土在未硬化前就脫離了模板或離心時受到抖動,導(dǎo)致在施工之前就會出現(xiàn)豎向裂縫。李沛昌等[11]研究提出在生產(chǎn)PHC管樁時,將混凝土強度提高到C80,降低混凝土的延性,一旦設(shè)計等環(huán)節(jié)處理不當(dāng),則常會出現(xiàn)豎向裂縫。 Liu等[12]提出了采用合理的配合比和蒸汽養(yǎng)護(hù)制度制備28 d齡期80 MPa,PHC管樁混凝土的新思路。通過對蒸汽養(yǎng)護(hù)和蒸壓PHC管樁混凝土的氯離子滲透系數(shù)、抗凍性、耐鹽性、水化產(chǎn)物、裂縫密度、孔隙率等進(jìn)行測試,驗證了這種新生產(chǎn)方式下PHC管樁混凝土的耐久性和微觀結(jié)構(gòu)變化。

施工原因造成的管樁豎向裂縫問題在20世紀(jì)80年代居多,翟劍峰等[13]采用錘擊法進(jìn)行沉樁,發(fā)現(xiàn)在此過程中,由于具有高度的模糊性與不確定性,產(chǎn)生的動能超過樁的端側(cè)阻力,樁土間原有的靜力平衡被破壞,導(dǎo)致在打樁初期樁身上部或中部一定范圍內(nèi)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力,導(dǎo)致在施工過程中出現(xiàn)諸多問題。潘紫偉等[1]通過對不平整基巖對管樁裂縫影響研究得出,管樁由于其樁身強度較高,樁身受到的應(yīng)力回彈反射影響不明顯,橫向裂縫得不到發(fā)展,便出現(xiàn)了豎向裂縫,嚴(yán)重危害建筑物的安全。李勇等[14]發(fā)現(xiàn)碼頭大管樁在使用過程中多處存在豎向裂縫和周向裂縫,豎向裂縫沿樁軸線平行走向分布,無拓展跡象。周向裂縫大體上呈垂直于樁軸線分布,存在明顯拓展現(xiàn)象。管樁的裂縫發(fā)生率為44.3%,其中豎向裂縫發(fā)生率為40.8%。王兵[15]從管樁的施工工藝方面進(jìn)行綜合分析,分析了PHC管樁裂縫的形成機理,得出在管樁施工時,其堆放不當(dāng);壓樁過程中,樁的垂直度控制存在人為誤差;接樁過程中,焊接操作不當(dāng);土方開挖時,對成品樁保護(hù)不到位等原因?qū)е鹿軜懂a(chǎn)生豎向裂縫,有時還存在水平裂縫,并提出了PHC管樁裂縫和斷樁缺陷的處理措施。劉忠友[8]指出正在施工的管樁在錘擊應(yīng)力作用下,首先會出現(xiàn)應(yīng)力集中,由于管樁環(huán)向筋過少,抗裂能力低,則導(dǎo)致管樁產(chǎn)生裂縫。王建民等[16]通過實例,分析了在施工中管樁裂縫的成因,即在管樁下沉施工時,遇堅硬土層受阻,必然要加大摩擦力,此時只有加大抱緊力,從而在管樁側(cè)面無意間產(chǎn)生了較大的彎矩和切向彎曲拉應(yīng)力,當(dāng)達(dá)到極限時,便產(chǎn)生裂縫,并提出了相應(yīng)的處理及預(yù)防措施。在管樁服役過程中,岳著文等[17]結(jié)合工程后期管樁裂縫問題研究得出,管樁在后期使用時受到擠壓,強荷載導(dǎo)致其發(fā)生大變形,從而出現(xiàn)豎向裂縫。

溫度對管樁裂縫影響研究方面,賈約明等[18]和劉利強等[19]利用Abaqus進(jìn)行了數(shù)值模擬,對受凍脹力影響的預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁服役期間開裂狀態(tài)進(jìn)行了分析。研究得出,管樁內(nèi)部填充物的凍脹作用是導(dǎo)致寒區(qū)水面管樁出現(xiàn)縱向裂縫的主要原因,在凍脹作用下,管樁環(huán)向應(yīng)力從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?。模擬顯示管樁首先在管樁內(nèi)壁表現(xiàn)出損傷開裂,且表現(xiàn)出不連續(xù)性,裂縫隨凍脹力而延伸,使得間斷裂縫相互連通,從內(nèi)壁延伸至外壁,最后導(dǎo)致貫穿裂縫的產(chǎn)生。樂毅等[20]通過研究預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)在冬天開挖暴露后出現(xiàn)豎向裂縫的原因,提出了相對應(yīng)的措施以及后期預(yù)防建議;孔祥逸等[21]、王學(xué)亮[22]和張丙吉等[23]都對寒冷地區(qū)水面光伏支架預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁在服役過程中出現(xiàn)豎向裂縫問題進(jìn)行了探究,在大量實地項目調(diào)研和多年凍土試驗的基礎(chǔ)上結(jié)合有限元進(jìn)行非線性數(shù)值模擬,對PHC管樁在冷濕環(huán)境中縱向開裂機理進(jìn)行了分析。研究得出,主要是由于初始損傷,凍脹力作用,內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化和內(nèi)外溫度差這四大方面導(dǎo)致;馬建華[4]利用數(shù)值分析方法對寒區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁凍脹破壞進(jìn)行了研究,設(shè)計出塑性損傷、不同管樁特征和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)結(jié)合的有限元模型,對管樁填充物受凍脹影響時的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析。Sun[24]和Lubliner[25]通過在凍脹環(huán)境下對正在服役的管樁進(jìn)行裂縫研究得出,裂縫產(chǎn)生的重要原因是冰楔作用,管樁在含水地區(qū),水分會從生產(chǎn)等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的微裂縫中滲入,在毛細(xì)作用下逐步擴散。由于溫度梯度的存在,水氣受到凍結(jié)鋒面溫度的作用凝結(jié)為液態(tài)水,發(fā)生相變后形成冰楔,此過程會產(chǎn)生負(fù)壓區(qū),通過壓力差導(dǎo)致水汽持續(xù)運移,如此往復(fù),形成的冰楔將導(dǎo)致原裂紋發(fā)生擴展,裂縫寬度不斷增大,直到箍筋失去限制隨后管樁混凝土部分出現(xiàn)破碎。Yan等[26]對PHC管樁混凝土在多家管樁企業(yè)的抗凍性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,高壓PHC管樁混凝土的抗凍性具有較大的離散性。一些PHC管樁混凝土的抗凍性能非常好,抗凍等級可以達(dá)到F350甚至F1000。然而,PHC管樁混凝土很多形態(tài)抗凍性很差,抗凍等級低于F100。同樣,Liu[27]和 He等[28]的實驗研究也證實了PHC管樁混凝土在AC作用下的抗凍等級勉強可以達(dá)到F50。同時,同一混凝土在蒸汽養(yǎng)護(hù)下的抗凍等級可高于F300甚至大于F550。一般來說,AC會降低混凝土的抗碳化性、抗氯化物性和抗硫酸鹽性。在抗凍性方面,雖然具有一定的離散性,但整體性能也在惡化。然而,導(dǎo)致蒸壓混凝土抗凍性能下降的關(guān)鍵機理仍不清楚。提高混凝土抗凍性的研究也很有限[29-30]。對于普通混凝土,添加引氣劑往往是提高其抗凍性的最有效方法。但由于操作過程中溫度較高,引氣劑引入的氣泡會破裂,失去引氣效果。同時,孔隙中水分的熱膨脹也會引起混凝土的裂縫。Yan等[26]對PHC管樁混凝土耐久性的試驗研究表明,添加細(xì)礦渣和細(xì)砂可以大大提高混凝土的抗氯離子性能,但不能改善混凝土的抗凍性能。張丙吉等[5]在研究寒冷地區(qū)管樁用于光伏支架的服役過程中發(fā)現(xiàn),隨著項目竣工投入使用,受到土壤凍脹力的影響,光伏樁陸續(xù)出現(xiàn)不同程度破壞,破壞形態(tài)以豎向裂縫為主,偶見水平裂紋。高焱等[31]通過對寒區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞研究得出,凍脹力是造成寒區(qū)工程時常發(fā)生的主要原因。認(rèn)為凍脹力是圍巖整體凍脹和局部凍脹共同作用的結(jié)果。陳杰杰[32]在分析某工程靜壓管樁縱向裂縫事故中得出,工程竣工后存在50%的管樁樁身有貫通的縱向裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土脫落等問題,投入使用后,相繼進(jìn)行了修復(fù)措施,但是未能有效防治,后期裂縫相繼發(fā)展,出現(xiàn)裂縫寬度向上變窄,向下變寬的新問題。

由此可見,許多學(xué)者針對該問題在各個領(lǐng)域都進(jìn)行了原因分析,并提出了相應(yīng)的防治措施以期解決管樁的豎向裂縫問題。現(xiàn)分析近年來關(guān)于管樁的豎向裂縫問題防治措施的文獻(xiàn),基于現(xiàn)有研究成果對不同使用領(lǐng)域的管樁豎向裂縫的產(chǎn)生機理、裂縫危害及裂縫防治措施進(jìn)行歸納總結(jié)。并進(jìn)行歸納總結(jié),為進(jìn)一步探究相應(yīng)的防治措施提供有價值的參考。

1 裂縫產(chǎn)生原因

與傳統(tǒng)的灌注樁相比,管樁有著明確的設(shè)計和使用目標(biāo)。前者以使用為前提,而后者以既經(jīng)濟(jì)實用為中心,其在諸多形式的樁基中獨占鰲頭,逐步取代其他摩擦型樁[33]。但管樁在服役期間陸續(xù)出現(xiàn)豎向裂縫問題,危害著整個建筑物的結(jié)構(gòu)安全。若不加以治理,裂縫會隨之發(fā)展,造成不可估量的后果。治理的前提是需要了解不同情況下管樁豎向裂縫產(chǎn)生的原因,用科學(xué)的方法對管樁裂縫問題進(jìn)行分析。

1.1 生產(chǎn)過程中的原因

中國在國外引進(jìn)的管節(jié)結(jié)構(gòu)長度上加以創(chuàng)新,逐步從國外的15 m發(fā)展現(xiàn)在的30～50 m。但是生產(chǎn)工藝還是依照離心成型的方法,管節(jié)的長度與生產(chǎn)工藝的精細(xì)程度成正比,管樁制作的工藝要求會隨著管節(jié)長度的增加而更加精細(xì),對模板及離心生產(chǎn)線也提出了更高的要求。另一方面,為了滿足施工需求,需加大PHC管樁基礎(chǔ)直徑,結(jié)構(gòu)的變化伴隨著浮漿的增多,浮漿和管壁混凝土二者相結(jié)合,浮漿的裂縫直接作用于管壁混凝土,增加了管壁混凝土開裂幾率。重新固定其結(jié)構(gòu)過程中,增大樁徑,減小管節(jié)內(nèi)壁曲率,導(dǎo)致混凝土抗坍塌能力減小。當(dāng)轉(zhuǎn)動停止時,喪失了自身強度穩(wěn)定性,導(dǎo)致未固化的混凝土下垂,從而產(chǎn)生微裂縫。綜上可得,樁徑大小直接影響管樁表面裂縫的產(chǎn)生。從實驗樁外表的質(zhì)量對這一問題做了進(jìn)一步的查證,樁的外觀由于是麻面而表現(xiàn)出并不光滑,表明PHC樁混凝土還未硬化,即已與模板分離[34]。在實際生產(chǎn)中,滿足長度和樁徑的要求以現(xiàn)有的工藝水平很難達(dá)到,離心過程中管節(jié)產(chǎn)生抖動,使管節(jié)預(yù)制質(zhì)量下降,增加了管節(jié)的質(zhì)量隱患。在離心成型后,管節(jié)需運輸?shù)金B(yǎng)護(hù)槽中維護(hù)。分析此過程,仍有引起管樁開裂的因素,經(jīng)高壓蒸養(yǎng)后的管節(jié),卸壓制度沒有得到適當(dāng)?shù)目刂?導(dǎo)致管壁內(nèi)、外溫差過大,遇冷收縮,受力變得不均勻?qū)е缕浒l(fā)生變形,吊運期間又受到震動便促進(jìn)了表面裂縫的出現(xiàn)。目前管樁的強度在90 MPa居多,此強度雖增加了管樁的工作能力,但其他病害也隨之增加,例混凝土抗擊打能力降低等。管節(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋長度隨之增長,旋制時預(yù)應(yīng)力筋受離心力作用向外扭曲程度隨管節(jié)長度變大呈幾何級遞增。但停止后,鋼筋因向心力的喪失將逐步歸位,但此時,管節(jié)內(nèi)混凝土已被澆筑,預(yù)應(yīng)力筋微小的變形將撕裂澆筑致密的混凝土,細(xì)微裂縫由此產(chǎn)生。

1.2 施工過程中的原因

管樁施工過程中會發(fā)現(xiàn)各種缺陷,特別是現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁,在澆筑混凝土和回收雙層壁鋼套管的過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)脹形、縮頸、漿屑、混凝土弱、豎向裂縫等現(xiàn)象[35]。多數(shù)采用錘擊法進(jìn)行樁體入土施工,打樁工藝較為成熟,但因上述管樁制作時產(chǎn)生的裂縫,將受到錘擊應(yīng)力,致使出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致裂縫的延伸,并且管樁的環(huán)向配筋稀疏,抗裂能力較低,由此導(dǎo)致管樁開裂。通過大量工程案例發(fā)現(xiàn),在打樁過程中產(chǎn)生的豎向裂縫主要還是體現(xiàn)在地基土層上。若樁尖阻力大,在砂層貫入施工時錘擊能量會直接回彈。應(yīng)力波回彈和錘擊波疊加將使樁身環(huán)向拉應(yīng)力增加,此時只有加大抱緊力,從而在管樁側(cè)面無意間產(chǎn)生了較大的彎矩和切向彎曲拉應(yīng)力,當(dāng)達(dá)到極限時,便產(chǎn)生裂縫。除此之外,接樁過程中,焊接操作不當(dāng);土方開挖時,對成品樁保護(hù)不到位等也是導(dǎo)致管樁在施工過程中產(chǎn)生豎向裂縫的關(guān)鍵原因。利用高頻液壓振動錘對光伏樁及棧橋樁進(jìn)行施工時,由于高頻液壓振動錘在管樁方面的運用沒有相應(yīng)的施工規(guī)范以及控制標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致機具選擇不夠嚴(yán)謹(jǐn)。施工時不能保證樁的垂直度,大大增加了樁體破損率,在激振力作用下若遇到硬度大的巖石,阻力增大,也會導(dǎo)致樁身產(chǎn)生豎向細(xì)微裂紋。

1.3 服役過程中的原因

PHC管樁的豎向裂縫多數(shù)在服役期間發(fā)展,早期管樁被用于高樁碼頭,但服役期間通過檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)豎向裂縫發(fā)生率達(dá)到40.8%,并平行于樁軸線分布。經(jīng)過學(xué)者分析得出,此問題是由于船舶頻繁?？?常因失誤操作等多種因素,導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到撞擊和擠壓,突變的強荷載導(dǎo)致管樁發(fā)生大變形,便出現(xiàn)了豎向裂縫。管樁在寒區(qū)應(yīng)用也頗為廣泛,服役期間同樣出現(xiàn)上述問題。經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析以及相應(yīng)的數(shù)值模擬文獻(xiàn)總結(jié)出造成此問題的原因,出現(xiàn)豎向裂縫的外部誘因是管樁內(nèi)部徑向凍脹力[15],管樁內(nèi)部的填充物在冬期會發(fā)生凍結(jié),此過程具有一定的時空效應(yīng)。在實驗中,使用水來進(jìn)行管樁內(nèi)部填充。當(dāng)上部與空氣接觸時,這部分首先達(dá)到初始凍結(jié)溫度,并開始發(fā)生相變。隨著氣溫的下降,水分會不斷凝固,并在開放的環(huán)境中逐漸向凍結(jié)鋒面方向移動,形成冰透鏡體,則增強了上部的凍結(jié)強度。上表面的水分被充分凍結(jié)時,會牢固地粘結(jié)在粗糙管壁上,構(gòu)成堅實的上表面約束層,約束隨著氣溫降低而不斷增強,后形成的相變體受到管壁先期凍結(jié)層與管壁之間的有力制約,以及下部未凍層約束,基本構(gòu)成近似閉合的約束空間,為徑向凍脹力發(fā)展提供了有利條件。而管樁外部凍結(jié)層似為無約束的開放場,由于管樁在靜壓施工時,管樁內(nèi)部密實度較大,在富水環(huán)境下,管樁凍脹力可得到有效發(fā)展。壁厚較小且剛度較低的管樁在此情況下更易破壞。通過分析微觀層面可得,寒區(qū)管樁初始裂縫來源主要是管樁在富水環(huán)境下,水分可由生產(chǎn)環(huán)節(jié)中形成的微裂縫中直接滲透,并且以毛細(xì)作用擴散到內(nèi)部。張士萍等[36]證實了這一觀點,在干濕環(huán)境下對管樁研究發(fā)現(xiàn),混凝土中的水分是逐漸滲入的,其表層含水率往往高于其內(nèi)部含水率,這就導(dǎo)致混凝土受凍時的表層損傷發(fā)展較快,結(jié)構(gòu)性能逐漸下降。且由于溫度梯度的存在,水汽被凍結(jié)鋒面冷凝為液態(tài)水,發(fā)生相變后形成冰楔,該過程為負(fù)壓區(qū)的產(chǎn)生提供了條件,由此導(dǎo)致水汽的持續(xù)運移。冰楔可導(dǎo)致原裂紋的擴展,產(chǎn)生新裂紋,致使裂縫的寬度也相應(yīng)增大,直到箍筋喪失約束,混凝土便發(fā)生了破碎。汪堯等[37]在凍融循環(huán)條件下對混凝土力學(xué)損傷特性進(jìn)行了研究,得出此環(huán)境會對混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷,進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)宏觀的破裂。其凍融破壞本質(zhì)上是內(nèi)部孔/裂隙等初始缺陷在周期性凍脹力的作用下發(fā)生的疲勞損傷累積。

通過對試驗場地管樁豎向裂縫的記錄數(shù)據(jù)分析,管樁出現(xiàn)裂縫的先決條件是環(huán)向應(yīng)力的改變,用于制作管樁的混凝土主要利用了其良好的抗壓性能,即在鋼筋和混凝土變形不再協(xié)調(diào)的情況下進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計時,忽略混凝土部分,其不參加作業(yè),需要鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)超出混凝土材料抗拉強度,此時拉應(yīng)力完全由受力筋承擔(dān),便出現(xiàn)了豎向裂縫。PHC管樁環(huán)向均勻布置了適量的預(yù)應(yīng)力筋,為了提升管樁的抗壓、抗剪和抗彎性能,其在環(huán)向?qū)炷敛⑽雌鸬筋A(yù)壓作用。在寒區(qū)水面處,因凍脹作用在管樁內(nèi)壁產(chǎn)生了極大徑向壓力,改變了管樁在環(huán)向的受力狀態(tài)。在主拉應(yīng)力大于抗拉強度時,與主拉應(yīng)力垂直的方向上會產(chǎn)生裂縫,管樁混凝土的內(nèi)壁由彈性狀態(tài)逐步進(jìn)入塑性破壞狀態(tài),不斷地向外延伸,直至出現(xiàn)貫通的裂縫,管樁螺旋箍筋隨之由構(gòu)造筋變?yōu)槌袚?dān)環(huán)向拉應(yīng)力作用的主受力筋?；炷猎趦雒涀饔孟聲亓鸭y不斷擴展,經(jīng)過凍融循環(huán)后,管樁的裂縫會越來越長,管樁也就逐漸喪失其優(yōu)良的性能。

2 管樁裂縫檢測方法

2.1 動測法

目前PHC管樁裂縫檢測的方法主要有低應(yīng)變反射波法和高應(yīng)變測試法。低應(yīng)變法[38]由于其測樁輕便、速度快、操作簡單,故成為最為廣泛的裂縫檢測手段。目前對低應(yīng)變完整性試驗中樁缺陷檢測的研究可分為兩大類:樁-土動態(tài)相互作用和樁內(nèi)三維波傳播效應(yīng)[39]。相比于高應(yīng)變,可以檢測到距樁頂較近部位的缺陷。然而,PHC管樁的環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得應(yīng)力波的傳播方式變得復(fù)雜:①當(dāng)出現(xiàn)與樁軸線垂直的縱向裂縫時,應(yīng)力波會被繞射[40-41],從而導(dǎo)致無法被有效檢測;②應(yīng)力波反射法依靠單一波形特征對樁身缺陷進(jìn)行判斷,但是缺少對于缺陷大小的量化分析,所以無法定量地給出精確的裂縫寬度;③夾在頸部缺陷內(nèi)的環(huán)形土的縱波速度是影響樁動力響應(yīng)的主要因素。如果忽略樁頸缺陷與其夾土之間的動力相互作用,則會低估樁段的實際缺陷程度;④缺陷的非檢測區(qū)主要與其還原程度和位置有關(guān),并不能區(qū)分頸部和軟弱混凝土缺陷的區(qū)別;⑤處于樁頂附近的缺陷,入射波后,負(fù)傾角峰值將顯著升高,可用來對淺缺陷進(jìn)行快速的初步評估。但處于樁腳處的缺陷,對縱向應(yīng)力波復(fù)合速度的變化和動態(tài)速度響應(yīng)曲線波形均很難發(fā)現(xiàn)缺陷;⑥脈沖寬度對管樁頂高頻干擾的影響存在一個閾值。在此值以上,脈沖寬度的增加幾乎不能減弱高頻干擾,但會導(dǎo)致檢測精度降低[38]?；谝陨显?李正印等[42]和陳凡等[43]為了定性定量地對管樁豎向裂縫進(jìn)行評判,對PHC管樁進(jìn)行了模型理論計算和低應(yīng)變檢測試驗,研究得出了用尼龍錘和鐵錘的搭配測試可以達(dá)到較好的效果,了解了管樁中波傳播的特征,并且提出了計算不同點激勵速度峰值時間差的關(guān)系式,從振型的角度解釋了管樁頂面不同測點處高頻干擾隨加載脈沖變寬時的衰減現(xiàn)象。李彥生等[44]結(jié)合大量工程實例,對PHC管樁樁身完整性低應(yīng)變反射波法測試曲線進(jìn)行分析,得出PHC管樁各類測試信號的特征。郭楊等[45]通過低應(yīng)變測試信號的時頻分析法與小波分析法處理對比,發(fā)現(xiàn)小波分析方法可以更準(zhǔn)確地識別細(xì)小裂縫的反射波。

二是采用重錘錘擊的高應(yīng)變測試法,與低應(yīng)變法相比較,錘擊的能量更高,使應(yīng)力波能夠傳遞的深度加大,可反映樁身深部的裂縫缺陷。在進(jìn)行測試時管樁兩側(cè)對稱安裝力傳感器和加速度傳感器,獲得的測試參數(shù)增多、測點合理布置,增加了樁身完整性檢測的可靠性[46]。特別在判定樁身水平整合型裂縫、多道裂縫缺陷等情況時,能夠在查明缺陷是否影響豎向抗壓承載力的基礎(chǔ)上,合理判定裂縫缺陷程度[47]。魏小明[48]利用高應(yīng)變測試法對長江中游某碼頭大直徑管樁進(jìn)行了裂縫檢測,利用檢測數(shù)據(jù)制定了修補措施。楊筆將[49]對上海市某新建住宅樓項目其中一單體預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行高應(yīng)變測試,旨對低應(yīng)變檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。但由于高應(yīng)變測試涉及錘擊系統(tǒng),大多采用打樁機上的打樁錘進(jìn)行錘擊,阻礙了施工進(jìn)度,因此無法大面積使用。

2.2 外觀調(diào)查

外觀調(diào)查檢測僅能針對泥面上方管樁開裂情況進(jìn)行相關(guān)的調(diào)查和檢測,對水位面之上的裂縫,可用肉眼結(jié)合非金屬超聲波檢測儀等儀器直接觀測,可以對裂縫的深度和寬度進(jìn)行準(zhǔn)確的讀取。黃澧等[50]利用該法對某工程樁基基礎(chǔ)800 mm鉆孔灌注樁進(jìn)行了前期檢測。但位于水面之下,泥面之上的管樁裂縫則可采用水下探摸結(jié)合水下攝像的方法對缺陷程度和裂縫位置進(jìn)行探明。

2.3 孔內(nèi)攝像法

孔內(nèi)攝像采用空孔作為前進(jìn)的通道進(jìn)行觀測。使用定位裝備,配套設(shè)備和防水?dāng)z像頭以一定速度在整個樁體或樁體部分內(nèi)部進(jìn)行觀測,對觀測數(shù)據(jù)和拍攝過程進(jìn)行逐一記錄[51]。根據(jù)攝取圖像進(jìn)行現(xiàn)場觀測,后期處理前期結(jié)果可以確定樁身缺陷部位和尺寸,并依此對樁身完整性進(jìn)行定量分析。該法具有檢測技術(shù)直觀、精確確定缺陷位置、定量分析缺陷等優(yōu)點[21],能較為全面地觀察到低應(yīng)變檢測難以判別的缺陷問題。宋兵等[52]利用孔內(nèi)攝像法對管樁進(jìn)行檢測,該法可準(zhǔn)確判斷樁底與持力層接觸部分的質(zhì)量問題的范圍,且可輔助判斷質(zhì)量問題的性質(zhì)。陳永福[53]利用攝像法對上海閔行區(qū)某工程項目樁體進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果照片與現(xiàn)場芯樣照片進(jìn)行對比輔助分析。羅劍[54]研究發(fā)現(xiàn)該法適用于輔助鉆芯法進(jìn)行灌注樁質(zhì)量驗證檢測,進(jìn)一步判別灌注樁樁身缺陷,確定沉渣厚度,鑒別樁端持力層巖土性狀。但其有著相對苛刻的缺點,如支架難以固定,對檢測環(huán)境要求較高,檢測速度較慢等。大多數(shù)檢測過程中是將孔內(nèi)攝像技術(shù)與低應(yīng)變檢測結(jié)合使用,可為下一步工程處理提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。黃榮榮等[55]將其兩者結(jié)合對昆山市花橋鎮(zhèn)的樁基項目進(jìn)行檢測,得到所需可靠數(shù)據(jù)。

2.4 裂縫檢測方法綜合對比

管樁裂縫檢測方法綜合對比如表1所示。

表1 管樁裂縫檢測方法綜合對比Table 1 Comprehensive comparison of pile crack detection methods

3 裂縫防治措施

3.1 生產(chǎn)過程中

管樁在生產(chǎn)過程中首先要著重注意混凝土的水灰比,混凝土的強度對管樁凍脹的影響。此影響不僅僅出現(xiàn)在管樁,例如在管道襯砌方面也是如此,Lu等[56]早期通過對管道襯砌混凝土凍脹的一系列觀測試驗,對凍脹力的影響及破壞機理進(jìn)行了一些研究。結(jié)果表明:季節(jié)性凍脹作用下,管道襯砌混凝土最基本的破壞形式為裂縫,裂縫開始出現(xiàn)在管道襯砌底部和兩側(cè);隨著地基凍脹的加深,破壞程度逐漸增大?；炷烈r砌凍脹破壞的宏觀形式主要有襯砌開裂、隆起、錯位等。此研究提出的生產(chǎn)時增加混凝土強度與不同的涂覆裂縫方法對混凝土結(jié)構(gòu)起到了很好的防治,為管樁裂縫防治起到借鑒作用。姜天華等[57]研究提出,在生產(chǎn)過程中利用摻合料替代水泥材料,制備超高性能混凝土,其性能在于顆粒和纖維的高密度堆積,使原材料達(dá)到更強的黏結(jié)性。其次管節(jié)環(huán)向鋼筋宜采用刻痕高強鋼絲,且必須隨著管徑的增大適當(dāng)加密。建筑管樁需要對原材料進(jìn)行準(zhǔn)確選擇,嚴(yán)格控制混凝土配合比以保證熟料混凝土生產(chǎn)的均勻性,適當(dāng)增加旋制時間以減小混凝土的坍落度[8]。需要對長度在15 m以上管節(jié)進(jìn)行著重處理,其主筋位于中點位置應(yīng)增設(shè)高強熟料防護(hù)層支撐,減少向心力對預(yù)應(yīng)力筋變形的影響,支架間距應(yīng)嚴(yán)格控制在15 m范圍內(nèi)。在吊運過程中速度要緩慢,下落時要輕放,為避免管節(jié)受到?jīng)_擊破壞,需要在墊點上設(shè)置橡膠緩沖墊。管樁在常壓下蒸汽養(yǎng)護(hù)后,應(yīng)等混凝土溫度降至與室溫大致相當(dāng)后再拆模,不應(yīng)立即拆模。管節(jié)經(jīng)過高壓蒸汽的維護(hù)后,要制定合理降壓降溫制度,分步逐級降壓。

3.2 施工過程中

PHC管樁施打前,應(yīng)收集鄰近工程地試樁數(shù)據(jù),全面分析區(qū)域地質(zhì)資料,若地質(zhì)條件比較復(fù)雜,尤其是在有軟、硬突變的土層中,不應(yīng)直接施打,應(yīng)先通過試樁來確定錘擊參數(shù)及停錘標(biāo)準(zhǔn),并判斷其合理性,選用適當(dāng)?shù)臉秹|式錘墊。針對管樁的密集程度、入土深度以及周邊建筑物的關(guān)系,開挖防擠溝,清除表層的雜填土,制定合理的打樁順序,設(shè)置應(yīng)力釋放孔,適當(dāng)控制每天的壓樁數(shù)量,能有效地減小擠土效應(yīng)。沉樁時選用合適的錘型、擊錘的重度,控制落錘高度,重錘輕打。根據(jù)管節(jié)直徑的大小,適當(dāng)增加箍筋以加強PHC管樁的耐打性。同時,為預(yù)防豎向裂縫的產(chǎn)生,需在樁頂下3～5 m內(nèi)每間隔1～1.5 m加設(shè)一個鋼抱箍。另外,也可將鋼纖維與管樁混凝土相結(jié)合,可起到良好的抗裂效果。

3.3 服役過程中

調(diào)查發(fā)現(xiàn),大部分管樁工程都是與土直接作用,丑亞嶺等[58]在凍融循環(huán)條件下探索了石灰-硅灰雙摻固化劑、含鹽量、凍融次數(shù)等因素對非飽和固化硫酸鹽清土-混凝土接觸面力學(xué)性能的影響。從而對土質(zhì)進(jìn)行改良,此法是換個角度保護(hù)混凝土樁體的措施。

從樁身角度出發(fā),當(dāng)裂縫較淺,大部分小于0.5 mm時,未深及高強鋼絞索,對應(yīng)于鋼絞索深度處的氯離子含量較低,可對產(chǎn)生的裂縫采用密封膠封閉處理,外刷水泥砂漿,阻止外界氯離子的進(jìn)一步侵入,同時對管樁混凝土外表面清理,除去淤泥和其他雜質(zhì),去除表面松散,脫落之類的劣質(zhì)混凝土,將混凝土結(jié)構(gòu)層露出,制備底膠,在混凝土表面的凹陷處采用找平膠進(jìn)行補平,找平后用碳纖維布和加固用膠粘劑粘貼,增加破損樁的整體強度,對相應(yīng)部位進(jìn)行標(biāo)記,并繼續(xù)觀察[21]。對于裂縫寬度超過2 mm的樁,用高分子瀝青軟膏嵌縫處理。裂縫寬度在2 mm以下的樁體,噴涂環(huán)氧樹脂型高分子防腐防水材料。對較大規(guī)模的裂縫,要進(jìn)行鉆孔壓力注膠對其進(jìn)行加固處理。對于肉眼未能明顯發(fā)現(xiàn)開裂的樁體,宜采用聚合物防水涂料進(jìn)行噴涂處理,防止水分受到毛細(xì)作用通過微裂縫遷移,降低凍融條件下混凝土的含水率以提高混凝土的耐久性。管樁需要加裝三角支撐架以用于光伏支架建設(shè),為避免光伏組件的震動需將光伏板牢固固定,避免震動原因進(jìn)一步給樁身裂縫帶來了負(fù)面影響。裂縫的兩頭加上抱箍禁錮,阻止裂縫繼續(xù)發(fā)育。

當(dāng)PHC管樁服役期間受到擠壓、劈裂和大變形時,多點接觸對預(yù)防裂縫較為有利。當(dāng)PHC管樁承受劈裂擠壓時,由于內(nèi)壁承受的壓力較大[22],其內(nèi)表面容易形成裂縫,此情況會導(dǎo)致管樁的抗拉強度增加。若管樁處于嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境,須采取措施來進(jìn)行防治,以阻止腐蝕物質(zhì)通過裂縫侵入鋼筋。另外,因為外表面裂縫的修復(fù)效果較差,在侵蝕性環(huán)境中使用PHC管樁時,應(yīng)慎重考慮其抗侵蝕能力。

3.4 管樁越冬引發(fā)裂縫的防治

為將管樁內(nèi)部積水排出,需在樁體距地表300 mm處開孔,防止凍脹導(dǎo)致樁身裂縫的進(jìn)一步開展。開孔孔徑嚴(yán)格控制在15 mm范圍內(nèi),開孔位置可在垂直風(fēng)荷載方向的樁身兩側(cè)開啟,不能開在面對風(fēng)荷載作用下樁身部位[59]。管樁施工出現(xiàn)越冬情況時,需要合理安排施工周期,應(yīng)盡力避免冬天開槽造成高低跨處樁裸露大氣環(huán)境中。若管樁的側(cè)表面未產(chǎn)生裂縫,則水分很難滲透到管道中。因此,采取正確的施工方法和正確使用設(shè)備,可以有效地防止管道的早期損壞和管道的頂部和底部的破壞,從而降低受凍害的風(fēng)險。同時,要進(jìn)行技術(shù)交底,強化施工管理,避免超出技術(shù)要求的行為。在寒區(qū)管樁運用過程中建議,受凍脹影響的區(qū)域可采取減小箍筋間距、增加螺旋箍筋直徑,以及采用大直徑或壁厚的管樁等措施以提升管樁抗凍脹能力[60]。目前,提高管樁抗凍性能的常用方法是材料復(fù)合技術(shù)[61],將納米材料和防凍劑摻入混凝土中可以明顯改善混凝土的物理、力學(xué)、耐久性等方面性能[62-63]。其中最有效的納米材料是SiO2,在混凝土中的有效分散可以顯著提高混凝土的抗凍脹性能[64-65]。該材料的摻量需要進(jìn)一步研究,并不是越多越好,學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[66-67],納米SiO2的加入會起到潤滑作用,但摻量過大時,該材料的高吸水使得新拌混凝土自由水含量降低,從而導(dǎo)致強度和耐久性能下降。李琦等[68]通過對橡膠混凝土進(jìn)行蠕變測試,得出該法在混凝土防凍方面具有實用價值。總之,為了有效地減少凍脹對管樁的影響,應(yīng)盡量避免填充物和水分的補給,并采取措施降低混凝土的抗?jié)B性,以減少凍融循環(huán)對管樁耐久性的不利影響。

4 結(jié)論

(1)通過對近年來PHC管樁在生產(chǎn)、施工、服役、寒區(qū)應(yīng)用四方面產(chǎn)生豎向裂縫的原因、防治措施及檢測等文獻(xiàn)資料的總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)PHC管樁在各領(lǐng)域均出現(xiàn)了相同的裂縫問題,目前主流的防治措施包括化學(xué)防治和物理防治兩種,但防治措施并沒有從根本上治理問題,而是僅延長了管樁進(jìn)一步擴展豎向裂縫的時間,以上工程實例并不夠全面,這是由于管樁豎向裂縫的研究起步較晚,作為基礎(chǔ)部分,只在影響工程進(jìn)度時才被重視起來,缺少現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)和現(xiàn)場裂縫破壞特征,且受地域因素影響較大,如何設(shè)計防護(hù)措施,不僅需要研究裂縫的成因,還需要現(xiàn)場觀察裂縫的走向以及特征,在理論分析和實踐觀測之間取得理想的互補平衡是解決和防治管樁豎向裂縫的關(guān)鍵問題之一。針對一般外部條件下,管樁裂縫進(jìn)行現(xiàn)場試驗是相對容易的,但在加入越冬的條件下,時間需要相應(yīng)調(diào)整,把握好越冬時間周期,在此周期內(nèi)完成現(xiàn)場試驗并達(dá)到理想效果卻不是一件容易的事。在數(shù)值模擬方面,目前在宏觀上可以模擬出管樁出現(xiàn)的裂縫情況,但是在微觀層面模擬出內(nèi)部凍脹力以及環(huán)向徑力仍然需要進(jìn)一步突破,如何在越冬情況下對管樁裂縫進(jìn)行定量的分析將是研究中需要著力解決的關(guān)鍵技術(shù)。管樁豎向裂縫更有效的防治仍然是目前需要研究的重點,針對管樁裂縫產(chǎn)生的機理從新材料、新工藝、新方法等方面尋求突破仍是研究的關(guān)鍵。

(2)隨著《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃綱要》(簡稱“十四五”規(guī)劃)等國家方針政策的推進(jìn)及光伏新能源建設(shè)工程實施、高速鐵路及公路橋梁系統(tǒng)等建設(shè)規(guī)劃的需求,數(shù)目眾多的巨型土工構(gòu)筑物工程的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè),使管樁運用更廣,中國在相關(guān)的設(shè)計理論和方法、運用技術(shù)等方面取得了長足的進(jìn)步。在許多方面已達(dá)到或接近世界領(lǐng)先水平。盡管如此,由于這些工程規(guī)模巨大,條件復(fù)雜,因此在其設(shè)計、建設(shè)以及對管樁運行管理過程中,仍存在眾多復(fù)雜和極具挑戰(zhàn)性的問題尚未得到很好的解決。這也為管樁運用工作提供了巨大的發(fā)展機遇。

(3)自21世紀(jì)以來,學(xué)者們對管樁豎向裂縫問題的研究逐漸向凍融環(huán)境轉(zhuǎn)變,可以預(yù)見,中國有關(guān)管樁豎向裂縫問題的研究必將取得持續(xù)和突破性的發(fā)展。對此應(yīng)進(jìn)一步現(xiàn)場勘查,摸清不同環(huán)境下裂縫的開展形式,延伸狀態(tài),總結(jié)管樁改良研究的成果,開展相應(yīng)的課題研究,為提高PHC管樁在中國工程建設(shè)的使用率打好理論基礎(chǔ)。