幾種預(yù)制樁型同體積混凝土材料獲得的力學(xué)性能的對比分析

姜正平，何耀暉，章杰春，明 維

（1. 蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215011；2. 廣東宏基管樁有限公司，廣東 中山 528427；3. 廣州羊城管樁有限公司，廣東 廣州 510730；4. 中淳高科股份有限公司，浙江 寧波 315145）

2009-2019年河砂價格從30元/m3漲到300元/m3，優(yōu)質(zhì)中粗河砂達(dá)429元/m3，而且資源幾近枯竭。石子價格近10年也漲了近4倍，水泥價格漲了約30%。中國已經(jīng)進(jìn)入“資源緊缺型”國家的行列，混凝土原材料中河砂已經(jīng)需要大量進(jìn)口。基本建設(shè)行業(yè)已經(jīng)迫切需要改變、直至杜絕土豪式浪費模式，從標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方面入手，吸取日本的工程標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)經(jīng)驗，采取措施實現(xiàn)：同樣的資源產(chǎn)生更高物理力學(xué)性能。

日本的土木工程材料資源利用效率也是最高的，建筑物的耐久性設(shè)計保證率也是最高的。日本式的“預(yù)制+裝配的工程模式”是非常節(jié)省材料且保證質(zhì)量的。中國厚保護層預(yù)制樁在錘擊或靜壓施工方式時，其保護層的開裂狀況比日標(biāo)薄保護層樁的開裂情況嚴(yán)重的多，開裂的保護層不但不能有效保護鋼筋，而且是銹蝕介質(zhì)進(jìn)入鋼筋表面的快速通道。管樁的抗腐（銹）蝕能力主要取決于接樁鋼制端板的防腐保護和樁身混凝土保護層的有效性。錘擊條件下厚保護層樁不但浪費資源，而且更加降低其抗銹蝕能力。日本標(biāo)準(zhǔn)中，預(yù)制構(gòu)件鋼筋保護層厚度是15mm，而現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的鋼筋保護層厚度是40mm。中國標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制和現(xiàn)澆均為40mm。資源緊缺的我國現(xiàn)在仍然存在著大量的土豪式標(biāo)準(zhǔn)浪費、設(shè)計浪費、施工浪費，而且力學(xué)性能和耐久性差的問題。

經(jīng)常聽到“厚壁樁比薄壁樁耐打”、“實心樁比空心樁耐打”的言論，實際感覺也是如此。但這些言論實際上是忽略了成本概念，把同外徑不同壁厚管樁、同邊長的空心與實心方樁進(jìn)行對比，其實其單位長度的混凝土耗量（截面積）是不同的，也就是制作成本是完全不同的，不具備可比性。對不同資源成本投入的樁進(jìn)行性能比較是不科學(xué)的，也不公正的，容易誤導(dǎo)大眾。

實際上，按厚壁樁的截面積做成等截面積的薄壁樁（擴大管徑），薄壁樁比厚壁樁耐打；按實心方樁的截面積做成空心方樁，空心方樁比實心方樁耐打——都是同樣的材料成本。

有意義、科學(xué)的對比分析的前提是：各類樁的單位長度消耗資源基本一致。即單位長度的各種對比樁，所耗用的混凝土材料基本一致，也即各種對比樁的截面積基本一致。

我們選擇了5種樁型，根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理及材料力學(xué)的基本原理及軸壓實驗，對這資源成本基本一致的5種樁的軸向承載力、抗彎性能、抗剪強度進(jìn)行分析，以供大家參考。

表1 參與對比的五種預(yù)制樁列表

1 樁型對比

我們選用了邊長為300的正方形實心方樁（截面積90000mm2）、邊長350（內(nèi)圓孔200）空心方樁（截面積91100mm2）、壁厚95Φ400國標(biāo)管樁（截面積90982mm2）、壁厚70Φ450日本標(biāo)準(zhǔn)管樁（截面積83525mm2，比實心方樁截面積少7.2%）以及按實心方樁同樣截面積換算出的同成本壁厚70Φ480的等效日標(biāo)管樁（截面積90118mm2）5種樁，其尺寸參數(shù)見表1。

這5種預(yù)制樁有圓、方兩大類。

管樁的橫截面是圓環(huán)形的，縱向鋼筋位置也是圓形布置[1]；方樁是方的，而空心方樁則是外方內(nèi)圓的形狀，縱向鋼筋位置采用方形的布置[2][3]，分別見圖1、圖2。

從形狀可知，圓形樁周邊各個方向水平承載能力一致，方樁各個方向水平承載能力不一樣，有取向性，不利于抗震結(jié)構(gòu)。

2 軸向承載力的試驗與分析

預(yù)制樁的成樁方式有錘擊沉樁、靜壓沉樁、引孔植樁等多種工法，但其豎向承載力都是由樁端承載力和樁周摩擦力兩部分組成，在相同地質(zhì)條件的場地里，提高有效承載截面積（提高樁端承載力）和樁側(cè)與土層更大的接觸面積（產(chǎn)生更大的摩擦力）。

2.1 樁端承載力

從截面積來看，5種樁的承受壓力的能力大致相同。但樁是細(xì)長構(gòu)件，其承壓能力與混凝土立方塊試件不同，其承壓能力與長徑比有關(guān)。同樣長度、截面積的情況下，截面等效直徑越小，長徑比就越大，軸向承壓能力就越弱。

我們將管樁分別切割成長徑比為2∶1和3∶1的軸心抗壓試件，測定其軸心抗壓強度值（見圖3、圖4及表2）。

實驗驗證了理論分析：長徑比越大，軸向承壓能力就越弱。5種樁型中，在相同樁長時，同樣截面積的5種樁，實心方樁的等效直徑最小，其長徑比最大，軸向承壓能力最差。空心方樁與國標(biāo)管樁大致相同，等效日標(biāo)樁最好，日標(biāo)管樁第2。

圖4 軸向加載后的試件

表2 無側(cè)向約束條件下長徑比對軸壓強度的影響實驗

2.2 樁周摩擦力對比

樁周摩擦力是樁基軸向承載力的第2個主要來源，其與樁截面外圈周長直接相關(guān)。對照表1最后1列的截面外圈周長，相同材料成本的實心方樁的樁周摩擦力最小，其余4種樁分別比實心方樁大17%、5%、18%和26%，這還是僅僅考慮空心樁的外周摩擦力（沒有考慮內(nèi)圓孔的摩擦力的作用）。這說明實心方樁是古老而陳舊的預(yù)制樁。

3 抗彎性能的分析

材料力學(xué)及工程力學(xué)的常識，在不考慮鋼筋作用的前提下，構(gòu)件的抗彎能力與截面慣性矩是成正比的。

表3 實心方樁、空心方樁、管樁及日標(biāo)管樁、等效日標(biāo)管樁的截面慣性矩（抗彎能力）對比

由于管樁和方樁的截面形狀差異，其截面慣性矩也就不同，圓形的截面慣性矩計算公式是I= πD4/64，正方形截面慣性矩計算公式是I= B4/12，管樁圓環(huán)形的截面慣性矩計算公式是Ig= π（D4- d4）/64，矩形的截面慣性矩計算公式是Ij= bh4/12（實心方樁），空心方樁的截面慣性矩計算公式是If= B4/12/64。5種樁對比，計算結(jié)果見下表3：

由表中計算參數(shù)可知，相同資源成本的前提下：

實心方樁最差，其抗彎能力只有其它樁型的13%～22% ；

350（200）方樁與國標(biāo)Φ400管樁相比，總體抗彎能力相當(dāng)；

等效日標(biāo)管樁和日標(biāo)管樁的抗彎能力要比國標(biāo)管樁和空心方樁高33%～68%。

這說明日本標(biāo)準(zhǔn)的管樁截面最合理，實心方樁結(jié)構(gòu)最不合理。

4 抗剪強度和抗震分析

國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有明確管樁和方樁的抗剪強度的計算方法，一般參考日本標(biāo)準(zhǔn)JISA5337中的計算公式[4], 預(yù)制樁的抗剪強度為：

式中：t ——有效截面高度（mm）；

Φ ——系數(shù)，取0.5；

I ——截面慣性矩；

So——截面靜矩；

τ ——產(chǎn)生斜拉裂縫時的剪切應(yīng)力（N/mm2）；

σpc——混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力（N/mm2）；

σt——混凝土抗拉強度，取值5.39N/mm2；

也就是說抗剪強度與I/So成正比，3種樁型的I/So見表4。

由此可見，實心方樁的抗剪強度只有相同截面積的國標(biāo)管樁30%，是等效日標(biāo)管樁的23%，是材料的巨大浪費。

由于地震的破壞力主要來自于其產(chǎn)生的水平剪切力，因此方樁的抗震性能差，在多震的區(qū)域的高層建筑、大面積地下室的建筑物基礎(chǔ)中千萬不能使用實心方樁。

在國家標(biāo)準(zhǔn)中也明確規(guī)定了管樁只能適用于抗震設(shè)防烈度7度以內(nèi)的地區(qū)，個別企業(yè)關(guān)于“方樁可適用于抗震設(shè)防烈度8度地區(qū)”的宣傳是顛倒黑白危險的行為。

表4 實心方樁、空心方樁、管樁及日標(biāo)管樁、等效日標(biāo)管樁的I/So（抗剪能力）對比

5 海水中管樁的銹蝕情況

我們觀察了2009年打入南海的十幾根拴馬（船）裸樁10年來的銹蝕情況。發(fā)現(xiàn)管樁端板銹蝕嚴(yán)重，裙板已經(jīng)透，但樁身混凝土良好（沒有內(nèi)部鋼筋銹蝕導(dǎo)致的保護層開裂）。

潮差區(qū)樁身上附著了許多海蠣子，但樁身混凝土良好。

日本有關(guān)研究機構(gòu)也調(diào)查了各種環(huán)境（含海工環(huán)境）使用了40-65年、樁身主筋保護層8～26mmPHC管樁和RC管樁的內(nèi)部鋼筋情況，基本完好如初。

以上都說明：管樁內(nèi)鋼筋的抗銹蝕能力主要取決于保護層的完好性，裸露的鋼端板是銹蝕的必然起點。

圖5 入海10年的PHC裸體管樁

6 結(jié)束語

從以上的對比分析可以看出，實心方樁無論在軸向承載力、抗彎性能、抗剪強度和抗震性能等方面毫無優(yōu)點可言，對有抗震要求的建筑物使用方樁有安全性隱患。實心方樁的炒作是資源巨大浪費的歷史性技術(shù)倒退。

管樁內(nèi)鋼筋的抗銹蝕能力主要取決于保護層的完好性，裸露的鋼端板是銹蝕的必然起點。錘擊/靜壓施工方式下，厚保護層樁中的鋼筋因保護層極易開裂而更容易銹蝕腐爛。