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?；窘ㄔO(shè)行業(yè)已經(jīng)迫切需要改變、直至杜絕土豪式浪費(fèi)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(hù)層預(yù)制樁在錘擊或靜壓施工方式時，其保護(hù)層的開裂狀況比日標(biāo)薄保護(hù)層樁的開裂情況嚴(yán)重的多，開裂的保護(hù)層不但不能有效保護(hù)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(hù)和樁身混凝土保護(hù)層的有效性。錘擊條件下厚保護(hù)層樁不但浪費(fèi)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(hù)層厚度是15mm，而現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)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(fèi)、設(shè)計浪費(fèi)、施工浪費(fèi)，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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，取值5.39N/mm2；

也就是說抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(fèi)。

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(hù)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(jī)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(hù)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(hù)層的完好性，裸露的鋼端板是銹蝕的必然起點(diǎn)。

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(qiáng)度和抗震性能等方面毫無優(yōu)點(diǎn)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(fèi)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(hù)層的完好性，裸露的鋼端板是銹蝕的必然起點(diǎn)。錘擊/靜壓施工方式下，厚保護(hù)層樁中的鋼筋因保護(hù)層極易開裂而更容易銹蝕腐爛。