H型鋼樁作災區(qū)地基承載樁具抗震減震性能的優(yōu)勢分析＊

王進懷 王衛(wèi)東 章 磊

1)中鐵科工集團樁工機械研究所,武漢 430071

2)軍事博物館,北京 100038

H型鋼樁作災區(qū)地基承載樁具抗震減震性能的優(yōu)勢分析＊

王進懷1)王衛(wèi)東2)章 磊2)

1)中鐵科工集團樁工機械研究所,武漢 430071

2)軍事博物館,北京 100038

地基處理好壞是建筑物是否牢固的前提,當前,國內(nèi)地基處理的方式多種多樣,不同的地基處理方式所涵蓋的技術(shù)含量不盡相同,施工工藝不盡相同,應用領(lǐng)域不盡相同,用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁作為中小學校建筑、或其他建筑物的承載樁,可有效防止地震對建筑物地基的影響和對建筑物的破壞,從而能有效地減少人民生命財產(chǎn)損失。

災區(qū)重建;H型鋼樁;地基處理;抗震;高頻液壓振動錘

俗話說,基礎(chǔ)不牢,地動山搖。發(fā)生在四川省汶川的大地震,讓昔日美麗的城市建筑在一瞬間變成一片廢墟,而這一瞬間,造成當?shù)厝嗣袢罕娚眢w上、心理上、精神上的巨大傷害,也是在這一瞬間,社會財產(chǎn)受到了空前巨大的損失。目前,四川災區(qū)正在進行災后重建,國務(wù)院出臺了災后重建條例,作為地震區(qū)的建筑物,抗震設(shè)防必然是全國人們非常關(guān)心、非常重視的一個重要方面。作者積多年來對振動應用技術(shù)的深入研究,對地基處理投入了大量的時間和精力,工作實踐中積累了一些非常寶貴的經(jīng)驗和方法,結(jié)合災區(qū)重建工作,特別是中小學校建設(shè),建議采用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁作為學校建筑地基的基礎(chǔ)承載樁,可有效防止地震對校舍地基產(chǎn)生的破壞。此技術(shù)完全可延伸到工業(yè)建筑、民用建筑地基基礎(chǔ)的處理。

一般來說,建筑物抗震由兩部分組成,一部分是上部結(jié)構(gòu)(即地面以上的主體部分)的抗震,另一部分是地下結(jié)構(gòu)(即地面以下部分的地基)的抗震。目前,上部結(jié)構(gòu)抗震常規(guī)的做法是設(shè)計剪力墻,而下部結(jié)構(gòu)抗震還沒有更好地廣泛使用的設(shè)計或施工方法,結(jié)合多年的工程施工和理論研究,用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁作為災區(qū)建筑物的地基承載樁,可有效地防止地震對建筑物的破壞,從而能有效地保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

1 鋼樁是柔性的,強度高,震不斷,鋼樁在地震狀態(tài)時力學特性優(yōu)良

鋼樁在發(fā)達國家應用廣泛,在我國并未大量推廣應用,這既跟國情有關(guān),又跟習慣有關(guān),還跟施工設(shè)備有關(guān)。在我國高層建筑中,應用最廣泛的是鋼筋混凝土灌注樁;在中高、中低層建筑物中,應用最廣泛的是PHC樁(高強混凝土預應力管樁),其次是CFG樁(又稱素混凝土樁或剛性樁復合地基),還有粉體噴射攪拌樁、碎石樁等就屬于地基改良,很難稱為真正意義上的樁了。后面所提到的幾種樁型,基本是剛性的或脆性的,在強地震時容易震斷。

樁在無地震條件下,只需滿足抗壓要求,即通常所說的單樁承載力。但在有地震條件下,還要滿足抗拔要求(上下震動時)及抗剪要求(水平震動時),而只有鋼類樁能滿足后兩種要求。

假定這樣一種震動模型:在一個大型剛性平面上放置一小塊剛性物體,這兩個物體之間沒有任何連接,讓大型平面上下左右振動,將會發(fā)生什么現(xiàn)象?一是小塊物體上下左右更加雜亂地跳動,二是傾翻;如果將二者通過一個可靠的柔性體加以連接,就會產(chǎn)生如下現(xiàn)象:一是小塊物體的振動幅度沒有大型平面那么大,二是沒有傾翻。以上模型可以較好地說明鋼樁作為柔性樁在地震時對建筑物所產(chǎn)生的減震、抗震作用。

2 鋼樁有足夠的使用壽命

很多人可能會擔心,在地基中使用鋼樁,如果樁產(chǎn)生銹蝕,若干年后,建筑物底下不是沒樁了嗎?以上提到的優(yōu)越性不就不復存在了嗎?甚至還不如混凝土樁,畢竟它不會腐爛。

以上問題,可從兩個方面解釋。首先,鋼樁深埋地面以下,氧氣極少,對樁的腐蝕作用有限,鋼樁采用振動設(shè)備施工時,樁周圍的土會被進一步振密,氧氣進一步析出,地層含氧量更少,對樁的銹蝕作用更小。其次,在將鋼樁沉入地下之前,可對鋼樁作一些簡單的物理或化學的防銹處理,以進一步提高其抗銹蝕的能力。如此,鋼樁的使用壽命可達數(shù)百年之久。

應用鋼樁的實例有:上海寶鋼廠房的地基處理,上海金茂大廈及上海環(huán)球貿(mào)易中心(這也是中國目前最高的建筑物)。

最近幾年,在武漢經(jīng)常從淤泥中挖出二戰(zhàn)時日軍投下的炸彈,70多年過去了,彈體銹蝕量甚少;還有些出土的金屬文物,在地下埋藏了數(shù)千年而不腐,都是由于氧氣含量稀少的緣故。

3 四川的地質(zhì)條件決定了使用H型鋼樁是最佳選擇,使用該鋼樁還可縮短災區(qū)重建的時間

四川地震災區(qū),90%以上是砂卵石地基,用傳統(tǒng)方法施工樁基礎(chǔ)很困難,靜力壓樁一般只能進入卵石層3～4m,柴油錘打入深度稍大一些,螺旋鉆機幾乎不能在這種地質(zhì)條件下施工,旋挖樁機在砂卵石中施工時工效不高,護壁困難,而利用液壓振動錘可將H型鋼樁輕松振入卵石層中10m以上,最深可達三十多米,足以滿足中小學建筑物的承載、抗拔、抗剪需要。由于采用了大型振動設(shè)備施工,對建筑物的地基進行了預振密處理,在地震發(fā)生時,該地基不會出現(xiàn)因震動液化而產(chǎn)生不均勻沉降,地面建筑物的搖晃量將進一步減小,更不會出現(xiàn)將幾層建筑物震陷到地面下的情景;由于鋼樁的抗拔力作用,也不可能將建筑物震得東倒西歪,如果上部結(jié)構(gòu)足夠牢固,強震后仍可繼續(xù)使用。

鋼樁的施工設(shè)備——液壓振動錘是一種高效的施工機械,如果樁長在15m左右,它能在12小時內(nèi)將50根鋼樁沉入地下,一棟中小學校的地基處理,兩天左右就可完成,用其他方法,最少也需半個月時間,尚且不說效果的好壞,這將為災區(qū)重建贏得寶貴的建設(shè)時間。

4 H型鋼樁社會效益和經(jīng)濟效益分析

假設(shè)在地震災區(qū)修建一座3層的教學樓,建筑面積以3000km2計算,建筑物載荷為4500t,地基按砂卵石考慮,根據(jù)此條件,用H型鋼樁作為地基承載樁,上部結(jié)構(gòu)以具抗震要求的剪切墻計算,那么修建這座具抗震要求的教學樓,其成本列表如下:

H型鋼規(guī)格:300mm×305mm×15mm

樁 長:12m

單樁重量:1272kg

單樁承載力:≈45t

共需數(shù)量:≈100根

樁總重量:127.2t

購買總價:≈83萬元

施工費:≈8萬元

基礎(chǔ)總造價:≈91萬元

每平方基礎(chǔ)造價:≈300元

上部結(jié)構(gòu)總造價:≈3000平方米×1200元/平方米=360萬元

整棟教學樓造價:≈451萬元。

由上可以看出,H型鋼樁作為抗震地基承載樁,它的成本高于其他樁(CFG樁、灌注樁、PHC樁等),但就抗震性能而言,CFG樁、灌注樁、PHC樁等樁型是一種剛性樁,它在一定程度上可抗垂直方向的力,但不能抗水平方向的力,或其他側(cè)向的力,與H型鋼樁作地基的承載樁相比,其他型樁不具抗震性能和減震性能。而H型鋼樁作為中小學地基的承載樁,不僅具抗震性能、還具備減震性能,具抗震的地基加上具抗震性能的上部結(jié)構(gòu),可以最大程度地保證中小學生的安全性,這樣的抗震設(shè)計,造價雖然高一些,但其安全系數(shù)增加了若干倍,形象地講就是把學校修建成了一個保險柜,學生置身其中,就相當于在保險箱中。

與我國現(xiàn)行樁基礎(chǔ)行業(yè)中傳統(tǒng)的PHC樁、CFG樁、螺紋樁、擠擴樁、灌注樁等地基承載樁相比,在滿足相同承載力條件下,H型鋼樁作地震區(qū)建筑物的地基承載樁(特別是一些重要的場所,如軍隊營房的基礎(chǔ)設(shè)施,學校、禮堂等)社會意義重大,它最大的社會作用(效益)是能有效地防止或減輕高強度地震對建筑物造成的破壞,從而減輕或減少因地震給國家和人民群眾生命財產(chǎn)帶來的巨大損失,減輕或減少因地震給千百萬家庭造成的巨大悲痛和精神傷害,從而保持地震區(qū)人民群眾、機關(guān)事業(yè)團體正常的社會生產(chǎn)生活秩序;其次,用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁與其他成樁工藝相比,這種工藝在施工過程中沒有泥漿污染、沒有噪音污染、振感極小,不會對周圍的居民、機關(guān)正常的生活秩序和工作環(huán)境及建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,能適應多種不同地質(zhì)條件和不同工程領(lǐng)域,且施工效率極高,沉一根20m的H型鋼樁到地下一般只需2分鐘左右,其效率是許多傳統(tǒng)施工工藝的若干倍。

就經(jīng)濟效益而言,在滿足相同承載力條件下,H型鋼樁與PHC樁、CFG樁、螺紋樁、擠擴樁、灌注樁等地基承載樁相比,H型鋼樁施工成本相對要高一些,這是因為鋼材的價格遠高于鋼筋混凝土或混凝土成形樁后的價格;其次是施工使用的樁工機械不同,施工H型鋼樁的機械設(shè)備必須是高頻液壓振動錘,這種設(shè)備在國內(nèi)也是近幾年才研發(fā)成功,經(jīng)市場檢驗,國產(chǎn)高頻液壓振動錘施工性能所有的技術(shù)指標已達到、甚至超過國外同類產(chǎn)品性能,而此機械在我國的市場占有量并不很廣泛,國內(nèi)一些重大工程(如蘇通大橋、杭州灣大橋等)施工所用的高頻液壓振動錘都是從國外進口的產(chǎn)品,且售價昂貴。綜合以上各種成樁工藝的社會效益和經(jīng)濟效益分析,說明用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁,作為地震區(qū)建筑物的地基承載樁,其社會作用遠遠大于其他成樁工藝,社會意義遠遠大于其他成樁工藝眼前的經(jīng)濟成本,這是因為,人民群眾的生命是無價的。強烈地震給國家財產(chǎn)造成的損失是巨大的、空前的,以這種損失來比較H型鋼樁作為地震區(qū)建筑物承載樁的施工成本,那么這種成本幾乎可以忽略不計,簡直是微不足道。

5 國外采用H型鋼用作建筑基礎(chǔ)也很普遍,尤其是在日本

二十世紀七八十年代,日本鋼產(chǎn)量大量過剩,加上鐵礦石便宜,鋼材價格低,日本將大量的鋼材用于地下工程中,包括中國寶鋼廠房的基礎(chǔ)處理,也使用了大量的H型鋼樁(注:當年建設(shè)寶鋼是從日本引進的全套鋼鐵生產(chǎn)技術(shù))。這也是一種在日本延續(xù)的應用習慣,其實,寶鋼的基礎(chǔ)處理在當時應該有更經(jīng)濟的方法。

有專家說,日本的很多建筑物是柔性結(jié)構(gòu)的,這種說法應該包括兩個方面的內(nèi)容:一方面是指建筑物的基礎(chǔ)是柔性的(鋼樁),另一方面是指上部結(jié)構(gòu)是柔性的(鋼結(jié)構(gòu)或其他復合柔性材料結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)),但從振動減振的角度來分析,基礎(chǔ)的柔性結(jié)構(gòu)更重要,大地是激振源,樁是減振器,上部建筑物即使是剛性體也無所謂,因為剛性體的振動烈度完全取決于減振器。

日本建筑物的抗震性舉世聞名,其成功的經(jīng)驗值得我們借鑒。

采用H型鋼作為建筑物基礎(chǔ)樁,盡管成本增加了,但安全性卻增加很多,就象用一根根巨大的鋼釘將建筑物牢牢的固定在地基之中,從而從實際上、也從心理上給人民群眾足夠的安全感,因為只要一根根規(guī)格正確、生產(chǎn)廠家正規(guī)的H型鋼樁從地面規(guī)定的樁位進入了地下,其他任何有關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)的質(zhì)量問題都不用擔心了,確保建筑物地基抗震設(shè)計要求。

中國工程院有關(guān)院士對此技術(shù)高度肯定,并認為利用高頻液壓振動錘施工H型鋼樁,不僅可以作為特殊工程地基的基礎(chǔ)承載樁,同樣還能廣泛應用于工業(yè)建筑、民用建筑的基礎(chǔ)處理,對建筑物的地基抗震起到很好的保護作用,能有效減小地震對地基產(chǎn)生的破壞。

科學技術(shù)發(fā)展最能證明,有最好的震不垮的地基基礎(chǔ)和有震不垮的上部結(jié)構(gòu),才會有真正意義上震不垮的抗震建筑物、抗震學校、抗震商場、抗震醫(yī)院,讓我們生活在地震災區(qū)的群眾不再為生活在地震區(qū)而擔憂,讓我們的辦公室、工廠、車間、宿舍成為真正意義的安全堡壘。

A seismic Performance Analysis of H-type Steel Pile asa Foundation Load-Bearing Pile in Earthquake Prone Areas

Wang Jinhuai1),Wang Weidong2)and Zhang Lei2)
1)China Railway Science and Industry Corporation Pile Work Machinery Research Institute,Wuhan430067,China
2)Military Museum of the Chinese People′s Revolution,Beijing100038,China

The quality of foundation treatment is the prerequisite of the building sturdiness.Nowadays in China,there are many different ways of foundation treatment,which cover different technical contents,different construction technologies and different application fields.Using Hsteel pile,which is constructed by high frequency hydraulic vibratory hammer,as the load-bearing pile of primary schools or other buildings can avoid the damage to the foundation of the buildings from earthquakes,and minimize the loss of people′s lives and properties.

disaster area reconstruction;H-type steel pile;foundation treatment;quakeproof;high frequency hydraulic vibratory hammer

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.02.009

2008-09-16;

2009-03-10。

(作者電子信箱,王衛(wèi)東:wangweidai123@163.com)