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译文
第三章 水下结构缺陷识别
3.1 前言
为了彻底有效地检测和评估位于水下的结构的状态，检查员必须能够识别各种类型的下部结构形式、发生缺陷可能的位置和常见缺陷的类型，并了解劣化的原因和机制。水下结构物损坏的主要原因是结构材料的劣化、船舶和漂浮物的损坏、以及由于河水冲刷所引起的桩基处横向以及纵向支撑土壤的流失。
位于水下、水线面和水上飞溅区的结构物通常会遭受相似为类型的损坏和劣化。为方便使用，除在更详细的术语中描述外，“水下结构物”和类似术语将用于指位于水线面处、水线下或水线正上方的结构部分水线面处的环境特别有利于结构损坏。在温暖的温度下至少一部分时间，准备好的氧气供应，氯化物和其他化学物质与水下结构接触的溶液，以及漂浮的碎片，水线面处的环境可以是所有类型的基础材料加速恶化的理想环境。
在通航水道上，桥梁也会受到船舶撞击的损害。当损害是由海上交通造成时，损害可能在水面上可见。然而，如果不进行水下检查，就无法确定损坏程度，也无法正确评估整个结构状况。
3.2水下结构类型
3.2.1弯曲桩
桩基是由桩和桩帽组成的结构支架。上部结构荷载通过桩帽分布到桩上。桩排架可以由木材、混凝土、钢、复合材料或这些材料的组合构成，既可用作中间支撑，也可用作桥台。图3-1显示了桩排架中承重桩、其他结构中护舷桩和板桩常用的各种桩材料和桩类型。图3-2和3-3分别显示了典型的混凝土和木桩排架。
桩也可以用作桥墩和桥墩的支撑，在这种情况下，土壤条件使得桥墩和桥墩无法通过原位土壤上的展开基础来支撑。图3-4显示了由木桩支撑的桥台
矩形或八角形
桩
永久外壳
无外壳
方形
混凝土填充
空心
板桩
护舷桩
承重桩
板桩
未处理
处理
现浇筑
预制混凝土
H桩
管桩
复合桩
混凝土桩
木桩
钢桩
图3.1 典型桩类型
图3.2 低水弯桩 图3.3木桩排架和木桩桥台
木桩可能未经处理，也可能用防腐剂进行加压处理。防腐剂的使用，如杂酚油和杂酚油煤焦油，以及砷酸盐溶液的商业历史可以追溯到19世纪中期。然而，地方和国家的环境法律可能会阻止将来使用一些防腐剂。木桩通常具有12至18英寸的对接直径，最大长度约为40至50英尺，但有时使用较长的桩。图3-5显示了支撑混凝土桥墩的未经处理的木桩。
混凝土桩可以是现浇的或者是预制混凝土或预应力混凝土。现浇混凝土分为有或永久性外壳和没有永久性外壳。现浇混凝土桩可以通过将金属筒打入地下并将它用作混凝土的模具来建造。
有许多类型的专有壳桩可用。通常，外壳是薄钢，不考虑增加桩的结构能力。通常将钢筋添加到混凝土中，尤其是在桩的顶部附近，在那里可能会承受横向载荷有许多类型的专用壳桩可用。
图3.4冲刷台露木桩 图3.5混凝土墩底木桩
可以通过将套管打入土壤中并在放置混凝土时将其拆除来建造无外壳的现浇混凝土桩。在非常坚固的土壤中，也可以将混凝土放置在没有任何套管的带孔钻孔中。
大直径现浇混凝土桩，称为钻孔桩，可以使用或不使用外壳来支撑大量桥梁构件。这些竖井还可从通道底部附近到桥面下侧支撑成型柱。
预制和预应力混凝土桩，可以是实心或空心的，通常是方形、矩形或八角形轴，其锥形端部用于打桩。它们的尺寸通常从8英寸到30英寸宽不等。一些桩有纵向孔，有助于将其喷射到位，减轻搬运重量。
图3.6H型钢桩支撑混凝土桥墩
钢桩可以是管桩、混凝土灌注管桩或H型桩。图3-6说明了使用H型钢桩支撑桥墩的方法。钢板桩也常被用作码头和桥台基础的定位方式。
也可使用材料组合桩。通常，木桩和钢桩部分或全部包裹在混凝土中，以进行保护或作为桩修复的一部分。
复合桩可以由多种材料制成，其设计和制造通常是专有的。含有聚合物的复合桩称为聚合物桩，不同类别的聚合物桩可以加固或不加固。
复合桩通常按其用途分类为承重桩、挡泥桩或板桩。
图3-7显示了承重聚合物桩的横截面。图3-8说明了用于挡泥板系统的桩和纵行的复合材料的使用。图3-9显示了复合板桩海滨舱壁的安装。
图3.7承载复合桩截面 图3.8复合式桩墙挡泥板系统 图3.9复合板桩
3.2.2 桥墩
墩是由混凝土，砖石，木材或钢制成的横向，中间支撑。墩由三个基本元素组成：立脚，竖井和墩盖。
可以在打桩，钻孔的竖井，沉箱上建立基础，也可以直接在土壤或岩石上建立基础，即在扩展基础上建立基础。墩台轴可以是实心壁，也可以由多个圆柱组成，在圆柱之间有或没有实心隔板壁。图3-10显示了由两个大圆柱和一个连接腹板墙构成的墩台。
图3.10典型混凝土桥墩
3.2.3 桥台
术语“桥台”通常应用于桥梁末端的子结构单元。基台为桥梁提供末端支撑，并保留引路堤。
根据其位置分类的基台为全高（闭合），短截或开放（直通）。弯曲桩也用作基台。机翼壁是在基台侧面上的基台延伸部分，用于包围进近填充物。图3-11说明了三种常见的基台类型。
图3.11桥台类型和命名
3.2.4 沉箱
沉箱是用于建造墩台基础并通过不良土壤和水中承载上层建筑和下部结构载荷以使土壤或岩石保持稳固的围墙。在河流上设计的桥梁中，可以使用浮动沉箱（封闭沉箱）。到位后，沉箱将充当码头的立足点。
沉箱由木材、钢筋混凝土、钢板或材料组合而成。将浮式结构物拖至施工现场下沉。沉箱下方的土壤通过其底部的开口清除，这些开口有时被称为“疏浚井”。一旦沉箱到达指定的高度，就用混凝土填充，并在其上建造桥墩。图3-12所示为渠道底部的浮式沉箱，支撑其上的砌石桥墩。
图3.12浮式沉箱
3.2.5 围堰和地基密封件
桥墩和桥台通常是在干围堰和基础密封中建造的。围堰通常采用钢板桩施工。基础施工完成后，可以在槽底附近拆除或截断薄片。它可以与基础材料分开，或者片材可以用作混凝土浇筑的形式，使片材成为基础的整体部分。图3-13描述了围堰内混凝土桥墩的施工。
在许多情况下，在对围堰进行脱水之前，必须在土壤下方的水面以下放置混凝土密封，以防止由于静水压力而引起脱水围堰的隆起和洪水泛滥。密封件的混凝土经常用特雷姆木或通过泵送放置在水下，与干法浇筑的基础部分相比，其形状可能有些不规则或质量较差。放置水下混凝土密封垫时需要特别小心，以使不包括薄弱的层，冷缝或浮雕区域。图3-14显示了浇铸在基础密封上的混凝土基础。
图3.13 围堰内桥墩施工 图3.14桥墩下冲刷暴露的基础密封
内部的水平围堰支撑，通常是钢，通常用于较深的围堰中。可以将新基础的混凝土直接浇筑在支撑物周围，在这种情况下，移除围堰后，支撑物将在构件的表面被切除。裸露的支撑钢也可能腐蚀。
新的地基也可以在支撑物周围用模板箱构造，从而当移除围堰的其余部分时可以移除支撑物。通过新基础产生的空隙可以留空或用混凝土修补。
3.2.6 保护装置
在下部结构单元周围放置系船柱、挡泥板和剪力栅栏，以保护它们不受船只的影响。这些装置可以被设计成吸收一些与船只的物理接触的能量，并且可以通过重新引导偏离的船只来保护桥梁免受更严重的损坏。其中一些装置，或其中的一部分，设计用于吸收非常大的力，而另一些装置设计用于仅吸收较小船只撞击产生的力。
系船柱一般由一组木桩构成。也可使用钢桩和复合桩。将桩打入槽底，将桩顶拉在一起，并用钢丝绳或链条紧紧包裹，如图3-15所示。图3-16说明了使用带混凝土帽的钢桩作为系船柱。
图3.15木系船墩 图3.16混凝土帽钢管桩墩
系船柱也可以用钢板桩建造，打入形成一个装满石头或沙子的圆柱体，并用混凝土板覆盖，如图3-17所示。代替板桩的大直径钢瓶也可打入槽底，并填充骨料和混凝土。
挡泥板系统通常由直接附着在下部结构单元上的木材或钢构件组成，或由邻近下部结构单元的桩组成。图3-18显示了用于保护活动桥墩的桩支撑护舷系统。
图3.17木护舷系统 图3.18桩承式挡泥板系统
剪力墙通常是挡泥板系统的延伸部分，由一系列木桩组成，支撑木墙和护板，如图3-19所示。有时用钢桩代替木桩。
图3.19木栅栏 3.20涵洞名称
3.2.7 涵洞
涵洞是通常完全在车道表面高程以下建造的小桥，不与车道成一体。涵洞可以具有一个或多个开口，并且可以由混凝土，钢或木材制成。平行于车道中心线测量的净跨度超过20英尺的结构通常被称为NBIS目的的桥梁，而不是涵洞。净距小于20英尺的建筑物通常被称为涵洞，即使它们可以直接支撑交通负荷，也可以与大型建筑物相似地建造。有关涵洞及其检查的深入讨论，请参阅FHWA的《桥梁检查员参考手册》（BIRM）。
不能在干燥条件下检查的涵洞，应通过潜水或其他必要手段进行检查，以此来确定其结构状态。由于涵洞的局限性以及进入受限空间的操作和安全要求，通过潜水方式对涵洞进行水下检查具有特殊的考虑。
3.3 结构材料劣化
3.3.1 混凝土
混凝土结构基本上有三种类型：素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土。尽管目前的桥梁设计规范要求收缩和温度钢筋应放置在墙的外露表面附近，而不是用其他方法加固，但旧桥的桥墩可以用素混凝土建造。
预应力混凝土用于需要高抗弯强度，通常用于桥梁。桩基也由预应力混凝土构成，正是这种形式的预应力混凝土最常见于水下。由于预应力容易闭合裂缝，限制了水的侵蚀，预应力混凝土桩在海洋工程中得到了广泛的应用。
混凝土本身是一种非各向同性材料，抗压强度大，但抗拉强度相对较小。桥梁常用混凝土的抗压强度为每平方英寸3至11 kips（ksi）。向混凝土中添加钢筋或预应力钢可使构件具有较高的抗拉或弯曲强度。
混凝土劣化主要有四种类型：开裂、结垢、剥落和化学侵蚀。混凝土结构也会受到外力的破坏。
A：开裂。几乎所有的混凝土裂缝。新老混凝土都有裂缝。裂缝可能是由于结构和非结构原因造成的。由于混凝土的抗拉强度很小，当温度变化和混凝土构件收缩或膨胀时，由于体积变化而产生裂缝。裂缝也可能是超载、钢筋腐蚀或结构沉降的迹象。即使裂缝本身在结构上并不显著，但它们往往是更严重恶化的早期阶段，为水和有害物质进入混凝土提供了通道。
子结构元件上的任何位置都可能出现裂纹。报告裂纹时，应注意长度、宽度、位置和方向（水平、垂直、对角线等），并应指出裂纹两侧是否存在锈斑、风化或差异移动迹象。
在预制混凝土构件的制造或安装过程中也可能出现裂缝。如图3-21所示，过度打桩可能导致混凝土桩开裂，而混凝土桩通常隐藏在水下。
B:结垢：结垢是一个区域表面砂浆和骨料的逐渐和连续损失。这种情况通常出现在桥墩和桩的水线处。最常见的结垢形式是由冻融作用引起的，因此，通常在较冷的气候中发现。孔隙和微小的表面缺陷允许水渗透和浸透混凝土。当温度下降时，水冻结并膨胀，导致混凝土表面“脱落”或出现崩解。如图3-22中的桥墩所示，在水线处的条件是最容易发生结垢的。
图3.21开裂混凝土桩 图3.22水线码头结垢
桥梁检查员参考手册将标度分为以下几类：（1）小规模。表面砂浆损失；高达四分之一英寸的穿透度，表面暴露粗骨料。（2）中等规模。表面砂浆损失；1/4英寸到1/5英寸的贯入度，在骨料之间增加一些砂浆损失。（3）大规模。骨料颗粒周围的表面砂浆损失；半英寸到一英寸的贯入度。骨料明显暴露在外，并从混凝土中脱颖而出。（4）严重的规模。粗骨料颗粒以及表面砂浆和骨料周围砂浆的损失。穿透损失超过一英寸。
当报告标度时，检查员应注意缺陷的位置、面积大小和缺陷的穿透深度。为避免报告缺陷时出现混淆，应一致使用标准格式和术语。位置应以距已知点的水平距离（如桥台角）和水面以下深度的垂直距离（水线参考下部结构单元上的固定高程）报告。缺陷的程度应报告为高度和宽度，高度指垂直距离，宽度指水平距离。缺陷侵入构件的程度应称为“穿透”，而不是“深度”，因为“深度”也可指水下距离。
C：剥落。剥落是指混凝土表面的凹陷，露出腐蚀钢筋，如
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