預(yù)制X形混凝土管樁研究及應(yīng)用初探

1.陸見華 2.姜正暉 3.張登明

(1.杭州天華科技 河海大學(xué)特約研究員  浙江杭州 310012）

(2.浙江省交通設(shè)計(jì)院 博士  研發(fā)部主任  3.建華建材（嘉興）

摘要：預(yù)制X形管樁是一種新型異形樁，該樁具有節(jié)省材料，施工快捷等優(yōu)點(diǎn)。本文從現(xiàn)澆X Y形樁的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹預(yù)制X形管樁的模具制作、工廠化試生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)X形樁單樁承載力情況，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行概述，以期加深人們對(duì)預(yù)制X形樁的認(rèn)識(shí)和了解，從而促進(jìn)對(duì)這一新型樁的應(yīng)用和研究。

關(guān)鍵詞：X形樁；異形樁；預(yù)制樁；承栽機(jī)理

  引言

  我國(guó)傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)工程樁形“非圓即方”，除方樁能少許擴(kuò)大側(cè)摩阻力外，其余大部是等截面?zhèn)缺砻娣e比值較小的圓樁?？招姆綐断鄬?duì)于圓管樁優(yōu)點(diǎn)在于：

  ① 外表面積大，這意味著在等地質(zhì)條件下方樁摩擦承載力比圓樁更大；實(shí)際使用效果350mm的空心方樁承載力相當(dāng)于500mm外徑的圓管樁，而售價(jià)比500mm圓管樁要低，大量工程實(shí)例證明每KN承載力造價(jià)方樁要低于圓樁；、

  ② 方樁抗剪力理論上是同等圓管樁的2-3倍，據(jù)日本實(shí)際測(cè)試資料是圓管樁的4.5倍，這說明空心方樁抗震性能優(yōu)越，值得在多震區(qū)域高層建筑中使用；

  ③  空心方樁耐沖擊性更好, 破損率小, 焊接周長(zhǎng)大，保證樁節(jié)間有效焊接；

  日本作為空心方形管樁發(fā)明者，從上世紀(jì)60年代起大量推廣，近年圓管樁逐年減小，2004年全國(guó)使用不到500萬(wàn)米；而新型方樁使用已經(jīng)占所有樁型的40%。美國(guó)2003年空心方樁使用達(dá)到了9000萬(wàn)米，占總用樁量的35%。

  我國(guó)建材行業(yè)參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn), 適應(yīng)我國(guó)地質(zhì)條件和業(yè)需求的空心方樁已在實(shí)踐中大量使用，近年來長(zhǎng)三角地區(qū)預(yù)制空心方樁市場(chǎng)需求急劇擴(kuò)大。

  Y形、X形樁則比方樁更進(jìn)一步提高了樁體等截面周邊擴(kuò)大比，這兩種現(xiàn)澆樁巧妙地將傳統(tǒng)沉管灌注樁圓形樁模設(shè)計(jì)成獨(dú)特的Y形和X形，從而增加了樁側(cè)表面積及單樁承載力。這兩種基于傳統(tǒng)沉管灌注樁技術(shù)的現(xiàn)澆樁是由杭州天華科技陸氏父子和原河海大學(xué)劉漢龍老師自主開發(fā)的專利技術(shù),在軟基處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。見圖1。

圖1  Y 形及X形樁示意圖

  2016年國(guó)家首次正式將“工匠精神”寫入《政府工作報(bào)告》?？偫硇浴肮膭?lì)企業(yè)開展個(gè)性化定制、柔性化生產(chǎn)，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質(zhì)、創(chuàng)品牌”。 ，李克強(qiáng)總理“9.14”又在國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議提出“建筑產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級(jí)，大力發(fā)展裝配式預(yù)制構(gòu)件”的政策。

  杭州天華科技陸見華及時(shí)將Y形及X形樁這兩種異形現(xiàn)澆樁綜合評(píng)估后，進(jìn)行了預(yù)制X形管樁的模具制作以及工廠化生產(chǎn)的探索。率先在申嘉湖一期工程中應(yīng)用過Y形現(xiàn)澆樁的浙江省交通設(shè)計(jì)院亦有意在申嘉湖西延工程中試驗(yàn)性應(yīng)用預(yù)制X形管樁。本文首先對(duì)預(yù)制X形管樁的研發(fā)思路、截面特性、技術(shù)原理和研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)單介紹，接著對(duì)其樁基質(zhì)量檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行論述，這對(duì)于今后預(yù)制X形管樁的研究和市場(chǎng)推廣應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

  1預(yù)制X形樁概述

  1．1研發(fā)思路

  目前增加單樁承載力途徑主要有兩條：一是通過對(duì)圓形樁端部施加諸如夯擴(kuò)、爆擴(kuò)、旋擴(kuò)、支盤擠擴(kuò)以及樁底注漿等相關(guān)工藝來增加樁端承力；二是通過“竹節(jié)樁”、“樁側(cè)注漿”等改變樁的橫截面積增加樁側(cè)摩阻力，改變樁橫截面積主要是基于等截面周邊擴(kuò)大原理，牟玉瑋曾提出“任何異形樁垂直承載力都大于等截面、等長(zhǎng)的實(shí)腹圓柱樁(側(cè)表面積增加，摩阻力相應(yīng)增加)，同時(shí)水平承載能力亦得到提高(慣性矩增大)”.常用異形樁截面幾何特性分析見表1。

表1 異形樁截面幾何特性分析

注：h，b，t分別代表樁橫截面的長(zhǎng)、寬、突出部長(zhǎng)度。

  預(yù)制X形管樁的斷面形狀為X形，即將空心方樁的四個(gè)直角按對(duì)角線方向再適度向外延伸，其結(jié)構(gòu)形式如圖2。設(shè)計(jì)原理正是充分利用了等截面異形樁樁側(cè)表面積增加，進(jìn)而增加了樁側(cè)摩阻力與慣性矩，既最大程度地發(fā)揮地基土和樁本身的承載能力，又使樁體混凝土材料的潛力得到充分發(fā)揮。

圖2 x形樁截面

  在樁身面積相同的情況下，預(yù)制X形樁比圓形樁和方形樁具有更大的慣性距，而且預(yù)制X形樁還具有較大的周長(zhǎng)面積比，即與同截面面積的圓形樁或方形樁的截面慣性距之比與ɑ和θ呈正比例關(guān)系、與S呈反比關(guān)系。因而可以大大提高單樁承載力和抗彎能力，從而提高性價(jià)比。

  1．2樁模的制作

  預(yù)制X形管樁作為一種新型的異形樁，其機(jī)理簡(jiǎn)潔明了，而制作實(shí)施起來又比較簡(jiǎn)單方便，這是因?yàn)橹坝辛穗x心法生產(chǎn)空心方樁的基礎(chǔ)。最早的離心方樁就是在普通圓形管樁模具內(nèi)增加4塊襯板，與原先的圓形樁模共同作用，將模內(nèi)空間隔除4塊弓形區(qū)域，形成“外圓內(nèi)方”的離心模具。

圖3 制成的X形樁

  現(xiàn)在的預(yù)制X形管樁是利用標(biāo)準(zhǔn)600mm的圓形管樁，將方樁那樣的4塊平板換成對(duì)應(yīng)的梯形板即可。這樣形成的X形管樁中心部位是一根300mm的方樁，端頭板及鋼筋籠直接可以套用300mm的小方樁，以便于沿用已有的生產(chǎn)線以及打樁施工的工具和習(xí)慣，有利大面積推廣應(yīng)用。

  1. 3鋼筋籠的制作

  預(yù)制X形管樁鋼筋籠中心部位是個(gè)類似于300mm方樁的正方形四角籠，但是只在四個(gè)籠角放有四根預(yù)應(yīng)力主筋，另外的四根主筋移到四個(gè)角籠上了。

圖4  X形樁模

  角籠為尺寸12×12×10mm的等腰三角形，每個(gè)頂角位置放置一根主筋，中x籠四個(gè)角沿放射方向分別放置四個(gè)角籠，這樣就使得X形樁的四個(gè)角也能以鋼筋混凝土作為樁體主材料了，以增加X形樁垂直和水平方向的抗荷載能力。