陳芳斌 侯善民 高建明 陳 巧
(1.建華管樁控股有限公司,江蘇句容 212413;2.南京金宸建筑設(shè)計有限公司,江蘇南京 210009;3.東南大學,江蘇 南京 210000;4.江蘇建華管樁有限公司,江蘇 句容 212413)
混凝土預(yù)制樁,主要是指在工廠采用離心成型或振動成型工藝制成的混凝土樁,用沉樁設(shè)備將樁打入、壓入土中。先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土空心預(yù)制樁是指采用先張法預(yù)應(yīng)力和離心工藝成型的外方內(nèi)圓或外圓內(nèi)圓、結(jié)構(gòu)配筋均勻?qū)ΨQ的混凝土細長預(yù)制空心體構(gòu)件。
20世紀50年代我國大部分預(yù)制樁為實心混凝土方樁;到了60年代出現(xiàn)采用振動、抽芯式工藝生產(chǎn)的空心方樁、預(yù)應(yīng)力空心方樁,進入70年代,預(yù)制樁市場上出現(xiàn)了八角預(yù)應(yīng)力空心樁和三角預(yù)應(yīng)力空心樁,也均為采用振動、抽芯式工藝生產(chǎn)。由于實心方樁、空心方樁、八角預(yù)應(yīng)力空心樁、三角預(yù)應(yīng)力空心樁產(chǎn)品本身缺陷和生產(chǎn)成本較高;在80年代從國外引進混凝土管樁生產(chǎn)工藝后,逐漸被預(yù)應(yīng)力混凝土管樁取代。預(yù)制樁發(fā)展至今,在管樁的基礎(chǔ)上衍生了許多其他預(yù)制樁樁型,如混合配筋管樁、支護樁、增強型預(yù)應(yīng)力管樁、竹節(jié)樁、預(yù)應(yīng)力鋼管樁、螺旋狀管樁等[1]?;炷令A(yù)制樁發(fā)展歷程如圖1所示。
圖1 混凝土預(yù)制樁發(fā)展歷程
中國建筑施工領(lǐng)域采用較多的混凝土預(yù)制樁主要有實心方樁、管樁和空心方樁三大類。目前市場上先張法預(yù)應(yīng)力離心混凝土空心預(yù)制樁主要有管樁和空心方樁。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁于20世紀80年代末期從日本引進至今,作為建筑基礎(chǔ)材料使用已將近30年。由于該產(chǎn)品具有單樁承載力高、成樁質(zhì)量可靠、適用范圍廣、樁身耐錘擊和抗裂性好、穿透力強、造價低、施工速度快、運輸?shù)鯓斗奖愕葍?yōu)點,自20世紀80年代作為國家建設(shè)部重點推廣應(yīng)用的科技成果以來,在我國的上海、廣東、浙江、江蘇等地的工業(yè)與民用建筑中開始使用,隨之在全國范圍內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用。目前全國管樁生產(chǎn)企業(yè)近500家,年生產(chǎn)能力近4億延米,年銷售額達700億元以上。目前預(yù)應(yīng)力混凝土管樁已成為基礎(chǔ)工程中的主打樁型,同時管樁行業(yè)配套的輔助產(chǎn)品年產(chǎn)值也超過300億元,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益,成為科學、經(jīng)濟、環(huán)保,符合國家可持續(xù)發(fā)展方向的朝陽產(chǎn)品,為我國發(fā)展低碳經(jīng)濟、建設(shè)生態(tài)文明社會作出了重大的貢獻。在2000年年初有些廠家開始試生產(chǎn)離心法空心方樁,并在一些小型民用建筑中試用,在上海及周邊有一定的工程應(yīng)用,但此樁種相關(guān)工藝至今仍不成熟。預(yù)應(yīng)力離心空心方樁20年以前在日本已經(jīng)不能作為基礎(chǔ)樁來使用了,只能應(yīng)用于基礎(chǔ)加固工程等非承重結(jié)構(gòu)工程。
如圖2所示,實心方樁有以下特點:
1)混凝土強度:一般為C50以下,鋼筋直徑12 mm~25 mm(螺紋鋼)。
2)規(guī)格:200 mm×200 mm~500 mm×500 mm不等。
3)適用范圍:適用于粘性土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、素填土以及厚度不大的稍密、中密的砂土層,較難穿透較厚的硬土層、砂層以及卵石層等。
圖2 實心方樁
如圖3所示,管樁有以下特點:
1)混凝土強度:一般為C80以上,鋼筋直徑7.1 mm~14 mm(預(yù)應(yīng)力鋼棒);2)規(guī)格:直徑300 mm~1400 mm不等;3)適用范圍:適用于粘性土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、素填土、稍密、中密的砂土層,較厚的硬土層、砂層以及卵石層等。管樁基礎(chǔ)持力層選在較厚的強風化或全風化、堅硬的粘性土層、中密及密實的粗砂、卵石層、碎石土層中。
如圖4所示,空心方樁有以下特點:
1)混凝土強度:一般為C60~C80,鋼筋直徑7.1 mm~12.6 mm(預(yù)應(yīng)力鋼棒);2)規(guī)格:外邊長250 mm~500 mm不等;3)適用范圍:主要用于土層較好的設(shè)防烈度與抗水平力要求不高的一般工業(yè)與民用建筑基礎(chǔ)。
圖3 管樁
圖4 空心方樁
由圖5可以看出,空心方樁和管樁屬于同一種生產(chǎn)工藝的預(yù)制構(gòu)件,其在工程樁基礎(chǔ)中的作用與管樁相同,僅僅是在形狀上不同,管樁截面形狀為外圓內(nèi)圓,空心方樁的截面形狀為外方內(nèi)圓,如圖6所示。
圖5 管樁、空心方樁生產(chǎn)工藝流程圖
圖6 管樁、空心方樁橫截面示意圖
1)鋼筋籠制作:
在鋼筋籠滾焊中,由于空心方樁的籠筋是方形,在鋼筋籠制作時,采用旋轉(zhuǎn)滾焊工藝,導(dǎo)致箍筋的成型呈弧線型樁而非直線型樁,焊點質(zhì)量無法保證,滾焊、起吊、鋼筋張拉和離心的過程中,導(dǎo)致箍筋與預(yù)應(yīng)力主筋焊接不牢,鋼筋籠容易松散,如圖7所示。而管樁的鋼筋籠為圓形,箍筋與主筋焊接牢固,鋼筋籠不易松散。管樁的鋼筋籠為圓形,采用旋轉(zhuǎn)滾焊工藝,焊點質(zhì)量可靠,焊點處PC鋼棒強度損失小,鋼筋籠不易散籠,如圖8所示。
圖7 空心方樁鋼筋籠
圖8 預(yù)應(yīng)力空心預(yù)制樁離心階段
2)離心成型:
預(yù)應(yīng)力混凝土空心預(yù)制樁的離心過程是離心力、重力與各類型振動力等綜合作用的結(jié)果(如圖8所示)。假設(shè)混凝土各顆粒在離心過程中完全是處于相對獨立的理想狀態(tài),由于混凝土拌合物中各組分密度ρo不同,且同一組分又擁有不同的外形尺寸而體積不同,離心轉(zhuǎn)速采用n表示,故將轉(zhuǎn)速n、體積V、密度ρo引入可得預(yù)應(yīng)力空心預(yù)制樁在離心時的離心力計算公式:
其中,PS為物體離心力,g;R為旋轉(zhuǎn)半徑,cm;V為物體體積,cm3;n 為旋轉(zhuǎn)速度,r/min;ρo為物體密度,g/cm3。
根據(jù)離心原理及離心計算公式可知,在相同轉(zhuǎn)速下,顆粒密度、半徑、體積均與離心加速度成正比。而混凝土中各組分之間密度、體積、半徑相差較大,且同種組分之間體積、半徑也有較大的差別。與其是離心半徑大小不一,其最后的離心力大小不同,管樁由于截面為圓形,從管樁的中心點至外邊沿其長短一致,即離心半徑相等,假設(shè)混凝土質(zhì)量相同,外界一致時,混凝土中砂石、水泥等組分的分布合理,混凝土分層分布均勻,不存在盲點與死角,樁身混凝土強度高,質(zhì)量穩(wěn)定。而空心方樁的截面為方形,在離心時,其離心半徑不同,空心方樁的中心點到四角與中間的距離不一,極易造成四角處混凝土相對較厚,離心后混凝土的質(zhì)量和混凝土的力學性能難以保障。四角出現(xiàn)混凝土層厚,中間部分薄成為一種普遍現(xiàn)象,如圖9所示。
圖9 管樁、空心方樁離心后的橫截面示意圖
實心方樁與管樁、空心方樁生產(chǎn)工藝不同之處在于其采用振動成型,僅經(jīng)過一次養(yǎng)護(自然養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護)即可,如圖10所示。
GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對鋼筋混凝土保護層的定義為:“結(jié)構(gòu)構(gòu)件中鋼筋外邊緣至構(gòu)件表面范圍用于保護鋼筋的混凝土,簡稱保護層。”鋼筋包括預(yù)應(yīng)力鋼筋、螺旋筋、螺紋鋼等,則其鋼筋混凝土保護層厚度應(yīng)從螺旋筋算起,如圖11所示。
第8.5.3條第7點規(guī)定:樁的主筋配置應(yīng)經(jīng)計算確定。預(yù)制樁的最小配筋率不宜小于0.8%(錘擊沉樁),0.6%(靜壓沉樁),預(yù)應(yīng)力樁不宜小于0.5%;灌注樁最小配筋率不宜小于0.2%~0.65%(小直徑樁取大值)。樁頂以下3倍~5倍樁身直徑范圍內(nèi),箍筋宜適當加強加密。
圖10 實心方樁生產(chǎn)工藝流程圖
圖11 管樁、空心方樁預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土保護層
第8.5.3條第11點規(guī)定:灌注樁主筋混凝土保護層厚度不應(yīng)小于50 mm;預(yù)制樁不應(yīng)小于45 mm,預(yù)應(yīng)力管樁不應(yīng)小于35 mm;腐蝕環(huán)境中的灌注樁不應(yīng)小于55 mm。
1)第4.2.5 條:“4.2.5 鋼筋的混凝土保護層最小厚度,應(yīng)符合表1的規(guī)定?!?/p>
表1 鋼筋的混凝土保護層最小厚度 mm
2)第4.9.4條,混凝土樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定:
a.預(yù)制鋼筋混凝土樁的混凝土強度等級不應(yīng)低于C40,水灰比不應(yīng)大于0.4;腐蝕性等級為中、弱時,抗?jié)B等級不應(yīng)低于S8;腐蝕性等級為強時,抗?jié)B等級不應(yīng)低于S10;鋼筋的混凝土保護層厚度不應(yīng)小于45 mm;
b.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的混凝土強度等級不應(yīng)低于C60,抗?jié)B等級不應(yīng)低于S10;鋼筋的混凝土保護層厚度不應(yīng)小于35 mm;樁尖宜采用閉口型。
第8.2.1條構(gòu)件中普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的混凝土保護層厚度應(yīng)滿足下列要求:1)構(gòu)件中受力鋼筋的保護層厚度不應(yīng)小于鋼筋的公稱直徑d。2)設(shè)計使用年限為50年的混凝土結(jié)構(gòu),最外層鋼筋的保護層厚度應(yīng)該符合表2的規(guī)定;設(shè)計使用年限為100年的混凝土結(jié)構(gòu),最外層鋼筋的保護層厚度不應(yīng)小于表2中數(shù)值的1.4 倍。
表2 混凝土保護層的最小厚度c mm
4.1.1 管樁標準
1)管樁國家、行業(yè)標準。a.國家標準GB 13476-2009先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(住建部、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合頒發(fā));b.國家建筑標準設(shè)計圖集10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(住建部頒發(fā))[5];c.建材行業(yè)標準,如管樁端板標準JC/T 947先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁用端板、管模標準JC/T 605-2005先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁鋼模等。
2)各省地方標準。a.各省管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程,如天津市DB 29-110-2010預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)規(guī)程,江蘇省DGJ 32/TJ 109-2010預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程,安徽省DB 34/T 1198-2010先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程等。b.各省管樁標準設(shè)計圖集,如浙江省2010浙G22先張法預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁等。
4.1.2 空心方樁標準
1)空心方樁國家、行業(yè)標準。a.建材行業(yè)標準 JC/T 2029-2010預(yù)應(yīng)力離心混凝土空心方樁(工信部頒發(fā));b.建筑工業(yè)行業(yè)標準JG 197-2006預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁(住建部頒發(fā));c.國家建筑標準設(shè)計圖集08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁[6]。
2)各省地方標準。a.江蘇省蘇G/T17-2008先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁;b.浙江省2010浙G35預(yù)應(yīng)力離心混凝土空心方樁;c.上海市2009滬G/T-502先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。
由以上可知,管樁的最高標準是國家標準,其相關(guān)指標均符合國家現(xiàn)行大規(guī)范的相關(guān)要求,同時各省、市依據(jù)管樁國家標準紛紛編制了管樁最新的地方基礎(chǔ)規(guī)程。而空心方樁只有建材的行業(yè)標準和建筑標準設(shè)計圖集,沒有國家產(chǎn)品標準和省地方基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程,同時其行業(yè)標準和各省地方標準的相關(guān)指標如預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土保護層厚度,配筋率,適用范圍等,均已嚴重低于國家現(xiàn)行大規(guī)范的相關(guān)要求。
以10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁標準設(shè)計圖集為依據(jù),對市場上常用規(guī)格的管樁、空心方樁的鋼筋混凝土保護層厚度進行比較,如表3,表4所示。
表3 管樁(10G409)鋼筋混凝土保護層厚度(圖集號:10G409)
由表3,表4可得出:
1)管樁的鋼筋混凝土內(nèi)、外保護層厚度均滿足35 mm要求,完全符合現(xiàn)行大規(guī)范的要求;
2)空心方樁的鋼筋混凝土外保護層厚度均小于35 mm的要求,嚴重低于國家標準GB 50007-2011,GB 50046-2008,GB 50010-2010對鋼筋混凝土保護層厚度35 mm的要求。
表4 空心方樁(08SG360)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土保護層厚度(圖集號:08SG360)
以10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁標準設(shè)計圖集為依據(jù),對市場上常用規(guī)格的管樁、空心方樁的鋼筋配筋率進行比較,如表5,表6所示。
從表5,表6可以得出:
1)管樁除直徑400 mm A型樁的預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率為0.49%外,其余規(guī)格均滿足預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率0.50%的要求。2)空心方樁在不滿足鋼筋混凝土保護層35 mm的情況下,仍存在較多的樁型無法滿足國家強制性標準GB 50007-2011對預(yù)應(yīng)力鋼筋的最小配筋率0.50%的要求。
表5 管樁A型預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率(圖集號:10G409)
表6 空心方樁預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋率(圖集號:08SG360)
以10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁標準設(shè)計圖集為依據(jù),在豎向抗壓承載力相當時,對市場上常用規(guī)格的管樁、空心方樁的力學性能進行比較,如表7所示。
表7 豎向抗壓承載力相當時管樁(10G409)與空心方樁(08SG360)力學性能
從表7可以得出,在豎向抗壓承載力相當時:
1)管樁的混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力大于空心方樁的混凝土有限預(yù)壓應(yīng)力值19%~35%;2)管樁的抗裂彎矩設(shè)計值大于空心方樁的抗裂彎矩設(shè)計值53%~76%;3)管樁的抗彎承載力設(shè)計值大于空心方樁的抗彎承載力設(shè)計值47%~73%;4)管樁的抗剪承載力設(shè)計值大于空心方樁的抗剪承載力設(shè)計值34%~66%;5)管樁的豎向抗拉承載力設(shè)計值比空心方樁的抗拉承載力設(shè)計值最高高18%。
以10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁標準設(shè)計圖集為依據(jù),在管樁的直徑與空心方樁的邊長相等,對市場上常用規(guī)格的管樁、空心方樁的主要原材料用量進行比較,如表8所示。
從表8可以得出,在管樁的直徑與空心方樁的邊長相等時:
1)每米管樁比空心方樁最大節(jié)約混凝土用量29.9%;2)每米管樁比空心方樁最大節(jié)約豎向受力鋼筋用量25.1%;3)每米管樁比空心方樁最大節(jié)約端板用鋼量22.1%;4)管樁端板的厚度均比空心方樁端板厚度厚2 mm,管樁端板的抗剪性能優(yōu)于空心方樁的端板。
以10G409預(yù)應(yīng)力混凝土管樁,08SG360預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁標準設(shè)計圖集為依據(jù),在豎向抗壓承載力相當時,對市場上常用規(guī)格的管樁、空心方樁的橫截面面積、側(cè)面面積進行比較,如表9所示。
表8 直徑與邊長相等時管樁(10G409)與空心方樁(08SG360)主要原材料用量
從表9可以看出,在豎向抗壓承載力相當時:
1)管樁比空心方樁的橫截面面積大10%~30%;2)管樁的每米側(cè)面面積和空心方樁相差不大。
以生產(chǎn)邊長600 mm的實心方樁、直徑600 mm壁厚110 mm的管樁和邊長600 mm內(nèi)徑360 mm的空心方樁為例,計算每米預(yù)制樁的混凝土用量,如表10所示。
由表10可得出:
1)當生產(chǎn)100萬m直徑(邊長)600 mm的預(yù)制樁時,管樁比空心方樁節(jié)約23.4萬t混凝土,比實心方樁節(jié)約49.4萬t混凝土。2)當生產(chǎn)1000萬m直徑(邊長)600 mm的預(yù)制樁時,管樁比空心方樁節(jié)約234萬t混凝土,比實心方樁節(jié)約494萬t混凝土。3)在直徑等于邊長時,管樁比空心方樁節(jié)約材料約35%,比實心方樁節(jié)約材料約53%。2011年全國共使用預(yù)制樁約4億m,節(jié)約包括石、砂、水泥、鋼材等的混凝土用量達到3600萬m3,相當于一個三峽大壩混凝土的用量。
表9 在豎向抗壓承載力相當時管樁(10G409)與空心方樁(08SG360)截面、側(cè)面面積
表10 生產(chǎn)100萬m和1000萬m直徑(邊長)600 mm的預(yù)制樁混凝土用量
一般來說,一個基礎(chǔ)的原材料造價包括:樁、承臺、底板所需原材料的費用。
4.8.1 工程樁所需費用比較
上海某工程單樁承載力為F,為摩擦樁型,在滿足單樁豎向承載力設(shè)計要求的情況下,以空心方樁邊長300(160)mm與管樁直徑400(95)mm進行比較。
需要空心方樁樁長L1=F/(4×0.3)=F/1.2;需要管樁樁長L2=F/(3.1416 ×0.4)=F/1.25664;空心方樁比管樁用量多(L1/L2-1)×100%=4.72%;也就是說,在同等單樁豎向承載力情況下,當管樁需要使用100萬 m時,空心方樁需要使用104.72萬m。而管樁400 mm其他方面(如抗彎、抗裂、抗剪、含鋼量)遠優(yōu)于空心方樁外邊長300 mm的規(guī)格,同樣的價格可以買到含鋼量大的管樁,更能保證工程基礎(chǔ)的安全。
4.8.2 承臺、底板混凝土用量比較
在豎向抗壓承載力相當時,承臺大小按JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范第4.2.1條第1款[7]進行計算,空心方樁邊長300 mm(內(nèi)徑160 mm)與管樁直徑400 mm(壁厚95 mm)比較,如圖12所示是澆筑底板前管樁和空心方樁的基礎(chǔ),如圖13所示是澆筑底板后管樁和空心方樁的基礎(chǔ)。
圖12 澆筑底板前管樁和空心方樁的基礎(chǔ)
圖13 澆筑底板后管樁和空心方樁的基礎(chǔ)
由圖12,圖13可以看出,空心方樁的承臺與承臺的間距A1和A2分別大于管樁的承臺與承臺的間距B1和B2,但是在澆筑底板后,由于基礎(chǔ)的總面積(C×C)均相同,管樁和空心方樁的基礎(chǔ)綜合造價相當。
預(yù)制樁為我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展作出了巨大貢獻,工程技術(shù)人員在選用樁時應(yīng)按豎向承載力和抗水平力綜合考慮以確保該樁型的鋼筋混凝土保護層、鋼筋最小配筋率、適用范圍等技術(shù)構(gòu)造要求符合國家現(xiàn)行相關(guān)大規(guī)范的要求,禁止使用與國家規(guī)范相抵觸的樁基材料,以樁身的耐久性及工程建設(shè)安全為前提以確保工程質(zhì)量。
[1]阮啟楠.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2000:2.
[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].
[3]GB 50046-2008,工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范[S].
[4]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].
[5]10G409,預(yù)應(yīng)力混凝土管樁[S].
[6]08SG360,預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁[S].
[7]JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].