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XX论文浅谈混凝土预制桩(空心方桩论文) 617 投稿论文浅谈混凝土预制桩(空心方桩论文)6.17加急处理浅谈离心法预制空心混凝土桩陈芳斌，陈德文2，侯善民3，高建明4，陈巧5，王重6，古素青7（1.建华管桩控股有限公司，2.江苏省审图中心，3.南京金宸建筑设计有限公司，4.东南大学，5.江苏建华管桩有限公司，6.上海兴南混凝土制品有限公司，7.广东三和管桩集团有限公司）摘要混凝土预制桩为我国经济建设的快速发展作出了重大的贡献，本文介绍了市场上常见的工厂化生产的混凝土预制桩桩型特点及其生产工艺，摘录了国家标准对预制桩的相关规定，并在标准、预应力钢筋混凝土保护层厚度、钢筋配筋率、力学性能、材料用量、横截面面积及侧面面积、混凝土用量、承台等工程综合造价上重点对管桩与空心方桩进行了比较，通过比较,综合分析得出:空心方桩相关工艺至今仍不够成熟，存在钢筋混凝土的保护层厚度低、配筋率小、桩身混凝土截面的不均匀、应力作用不均、桩身的成桩质量得不到控制、施工时造成烂桩率偏高等缺点。 关键词:混凝土预制桩;生产工艺;管桩;空心方桩;比较;Abstract concreteprecast pilefor therapid developmentof Chinas economionstruction madesignificant contribution,this paperintroduces themon marketof thefactory productionof precastconcrete piletype characteristicand itsproduction process,excerpts fromthe nationalstandards onprefabricated pileof therelevant provisions,and instandard,prestressed reinforcedconcrete protectivelayer thickness,reinforcement reinforcementratio,mechanical properties,material consumption,cross-sectional areaand theside area,the amountof concrete pile cap,and theprehensive costis importantfor pipeand hollow square pileare pared,by parison,it isconcluded:hollow squarepile technologyis stillnot matureenough,existing reinforcedconcrete protectivelayer thicknessis low,reinforcement rateof smallconcrete pilesection,non-uniform,stress uneven,pile bodyquality isnot controlled,caused bythe constructionof partialdefect ofhigh rateof rottenpiles.Key wordsprecastconcretepile;production process;pipe pile;hollowsquarepile;parison;前言混凝土预制桩，主要是指在工厂采用离心成型或震动成型工艺制成的混凝土桩，用沉桩设备将桩打入、压入土中。 先张法预应力离心混凝土空心预制桩是指采用先张法预应力和离心工艺成型的外方内圆或外圆内圆、结构配筋均匀对称的混凝土细长预制空心体构件。 上世纪50年代我国大部分预制桩为实心混凝土方桩，到了60年代出现采用振动、抽芯式工艺生产的空心方桩、预应力空心方桩。 进入70年代，预制桩市场上出现了八角预应力空心桩和三角预应力空心桩，也均为采用振动、抽芯式工艺生产。 由于实心方桩、空心方桩、八角预应力空心桩、三角预应力空心桩产品本身缺陷和生产成本较高，在80年代从国外引进混凝土管桩生产工艺后，逐渐被预应力混凝土管桩取代。 预制桩发展至今，在管桩的基础上了衍生许多其他预制桩桩型，如混合配筋管桩、支护柱、增强型预应力管桩、竹节桩、预应力钢管桩、螺旋状管桩等。 混凝土预制桩发展历程如图1所示。 共12页1中国建筑施工领域采用较多的混凝土预制桩主要有实心方桩、管桩和空心方桩三大类。 目前市场上先张法预应力离心混凝土空心预制桩主要有管桩和空心方桩。 预应力混凝土管桩于上世纪八十年代末期从日本引进至今，作为建筑基础材料使用已将近30年。 由于该产品具有单桩承载力高、成桩质量可靠、适用范围广、桩身耐锤击和抗裂性好、穿透力强、造价低、施工速度快、运输吊桩方便等优点，自上世纪80年代作为国家建设部重点推广应用的科技成果以来，在我国的上海、广东、浙江、江苏等地的工业与民用建筑中开始使用，随之在全国范围内得到大规模应用。 目前全国管桩生产企业近500家，年生产能力近4亿延米，年销售额达700亿元以上。 目前预应力混凝土管桩已成为基础工程中的主打桩型，同时管桩行业配套的辅助产品年产值也超过300亿元，取得了显著的经济效益和社会效益，成为科学、经济、环保，符合国家可持续发展方向的朝阳产品，为我国发展低碳经济、建设生态文明社会作出了重大的贡献。 在2000年初有些厂家开始试生产离心法空心方桩，并在一些小型民用建筑中试用，在上海及周边有一定的工程应用，但此桩种相关工艺至今仍不成熟。 预应力离心空心方桩20年以前在日本已经不能作为基础桩来使用了，只能应用于基础加固工程等非承重结构工程。 图1混凝土预制桩发展历程1市场上主要预制桩简介1. 1、实心方桩如图2所示，实心方桩有以下特点 （1）、混凝土强度一般为C50以下，钢筋直径12mm25mm（螺纹钢）。 （2）、规格200200mm500500mm不等； （3）、适用范围适用于黏性土、粉土、淤泥质粉质粘土、素填土以及厚度不大的稍密、中密的砂土层，较难穿透较厚的硬土层、砂层以及卵石层等。 图2实心方桩共12页（a）实心方桩成品（b）实心方桩钢筋骨架笼尾端（c）实心方桩钢筋骨架笼头端1. 2、管桩如图3所示，管桩有以下特点 （1）、混凝土强度一般为C80以上，钢筋直径7.1mm14mm（预应力钢棒）； （2）、规格直径300mm1400mm不等； （3）、适用范围适用于黏性土、粉土、淤泥质粉质粘土、素填土、稍密、中密的砂土层，较厚的硬土层、砂层以及卵石层等。 管桩基础持力层选在较厚的强风化或全风化、坚硬的粘性土层、中密及密实的粗砂、卵石层、碎石土层中。 图3管桩（a）管桩成品（b）管桩钢筋骨架笼（c）装上钢筋骨架的钢模1. 3、空心方桩如图4所示，空心方桩有以下特点 （1）、混凝土强度一般为C60C80，钢筋直径7.1mm12.6mm（预应力钢棒）； （2）、规格外边长250mm500mm不等； （3）、适用范围主要用于土层较好的设防裂度与抗水平力要求不高一般工业与民用建筑基础。 图4空心方桩（a）空心桩成品（b）空心方桩钢筋骨架笼（c）装上钢筋骨架的钢模2市场上常见预制桩的工艺流程2.1管桩、空心方桩生产工艺共12页图5管桩、空心方桩生产工艺流程图由图5可以看出，空心方桩和管桩属于同一种生产工艺的预制构件，其在工程桩基础中的作用与管桩相同，仅仅是在形状上不同，管桩为截面形状为外圆内圆，空心方桩的截面形状为外方内圆，如图6所示。 （a）管桩（b）空心方桩图6管桩、空心方桩横截面示意图注离心方桩尺寸规格表示方法为B（d），管桩尺寸规格表示方法为D（t）；钢筋笼制作在钢筋笼滚焊中，由于空心方桩的笼筋是方形。 在钢筋笼制作时，采用旋转滚焊工艺，导致箍筋的成型呈弧线型桩而非直线型桩，焊点质量无法保证，滚焊、起吊、钢筋张拉和离心的过程中，导致箍筋与预应力主筋焊接不牢，钢筋笼容易松散，如图7所示。 而管桩的钢筋笼为圆形，箍筋与主筋焊接牢固，钢筋笼不易松散。 管桩的钢筋笼为圆形，采用旋转滚焊工艺，焊点质量可靠，焊点处PC钢棒强度损失小，钢筋笼不易散笼。 如图7所示。 共12页图7空心方桩钢筋笼图8预应力空心预制桩离心阶段离心成型预应力混凝土空心预制桩的离心过程是离心力、重力、与各类型振动力等综合作用的结果。 如图8所示。 假设混凝土各颗粒在离心过程中完全是处于相对独立的理想状态。 由于混凝土拌合物中各组分密度?O不同，且同一组分又拥有不同的外形尺寸而体积不同，离心转速采用n表示，故将转速n、体积V、密?度O引入可得预应力空心预制桩在离心时的离心力计算公式PS?mRw2?rO gVR(2pn2)?1.12?10-5VrORn260 （1）V物体体积式中PS物体离心力（g）；R旋转半径（cm）；（cm3）；n旋转速度（r/min）。 3；?O物体密度（g/cm）根据离心原理及离心计算公式 （1）可知，在相同转速下，颗粒密度、半径、体积均与离心加速度成正比。 而混凝土中各组分之间密度、体积、半径相差较大，且同种组分之间体积、半径也有较大的差别。 与其是离心半径大小不一，其最后的离心力大小不同，管桩由于截面为圆形，从管桩的中心点至外边沿其长短一致，即离心半径相等，假设混凝土质量相同，外界一致时，混凝土中砂石、水泥等组份的分布合理，混凝土分层分布均匀，不存在盲点与死角，桩身混凝土强度高，质量稳定。 而空心方桩的截面为方形，在离心时，其离心半径不同，空心方桩的中心点到四角与中间的矩离不一，极易造成四角处混凝土相对较厚，离心后混凝土的质量和混凝土的力学性能难以保障。 四角出现混凝土层厚，中间部份薄成为一种普遍现象。 如图9所示。 （a）管桩（b）空心方桩图9管桩、空心方桩离心后的横截面示意图2. 2、实心方桩生产工艺共12页图10实心方桩生产工艺流程图实心方桩与管桩、空心方桩生产工艺不同之处在于其采用采用振动成型，仅经过一次养护（自然养护、蒸汽养护）即可，如图10所示。 3国家相关标准对预应力空心预制桩的规定（摘录）混凝土结构设计规范GB50010-xx中对钢筋混凝土保护层的定义为“结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土，简称保护层。 钢筋包括预应力钢筋、螺旋筋、螺纹钢等，则其钢筋混凝土保护层厚度应从螺旋筋算起。 如图11所示3. 1、建筑地基基础设计规范GB50007-xx2图11管桩、空心方桩预应力钢筋混凝土保护层第8.5.3条第7点规定桩的主筋配置应经计算确定。 预制桩的最小配筋率不宜小于0.8%(锤击沉桩)、0.6%(静压沉桩)，预应力桩不宜小于0.5%；灌注桩最小配筋率不宜小于0.2%0.65%(小直径桩取大值)。 桩顶以下35倍桩身直径范围内，箍筋宜适当加强加密；第8.5.3条第11点规定灌注桩主筋混凝土保护层厚度不应小于50mm；预制桩不应小于45mm，预应力管桩不应小于35mm；腐蚀环境中的灌注桩不应小于55mm。 3. 2、工业建筑防腐蚀设计规范GB50046-xx3 （1）第4.2.5条“4.2.5钢筋的混凝土保护层最小厚度，应符合表4.2.5的规定。 表4.2.5钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm） （2）第4.9.4条，混凝土桩基础的结构设计应符合下列规定:共12页 1、预制钢筋混凝土桩的混凝土强度等级不应低于C40，水灰比不应大于0.4；腐蚀性等级为中、弱时，抗渗等级不应低于S8；腐蚀性等级为强时，抗渗等级不应低于S10；钢筋的混凝土保护层厚度不应小于45mm； 2、预应力混凝土管桩的混凝土强度等级不应低于C60，抗渗等级不应低于S10；钢筋的混凝土保护层厚度不应小于35mm；桩尖宜采用闭口型。 3. 3、混凝土结构设计规范GB50010-xx4 （1）8.2.1构件中普通钢筋及预应力筋的混凝土保护层厚度应满足下列要求。 1构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径d；2设计使用年限为50年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表8.2.1的规定；设计使用年限为100年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表8.2.1中数值的1.4倍。 表8.2.1混凝土保护层的最小厚度c（mm）注1混凝土强度等级不大于C25时，表中保护层厚度数值应增加5mm；2钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于40mm。 4管桩、空心方桩比较4.1管桩、空心方桩标准比较4.1.1管桩标准4.1.1.1管桩国家、行业标准 （1）国家标准先张法预应力混凝土管桩GB13476-xx(住建部、国家质检总局联合颁发)； （2）国家建筑标准设计图集预应力混凝土管桩10G409（住建部颁发）5； （3）建材行业标准，如管桩端板标准先张法预应力混凝土管桩用端板JC/T 947、管模标准先张法预应力混凝土管桩钢模JC/T605-xx等；4.1.1.2各省地方标准 （1）各省管桩基础技术规程，如天津市预应力混凝土管桩技术规程DB29-110-xx，江苏省预应力混凝土管桩基础技术规程DGJ32/TJ109-xx，安徽省先张法预应力混凝土管桩基础技术规程DB34/T1198-xx等。 （2）各省管桩标准设计图集，如浙江省先张法预应力混凝土离心管桩xx浙G22等。 4.1.2空心方桩标准4.1.2.1空心方桩国家、行业标准 （1）建材行业标准预应力离心混凝土空心方桩JC/T2029-xx(工信部颁发)； （2）建筑工业行业标准预应力混凝土空心方桩JG197-xx（住建部颁发）； （3）国家建筑标准设计图集预应力混凝土空心方桩08SG3606；共12页4.1.2.2各省地方标准 （1）江苏省先张法预应力混凝土空心方桩苏G/T17-xx； （2）浙江省预应力离心混凝土空心方桩xx浙G35； （3）上海市先张法预应力混凝土空心方桩xx沪G/T-502；由以上可知，管桩的最高标准是国家标准，其相关指标均符合国家现行大规范的相关要求，同时各省、市依据管桩国家标准纷纷编制了管桩最新的地方基础规程。 而空心方桩只有建材的行业标准和建筑标准设计图集，没有国家产品标准和省地方基础技术规程，同时其行业标准和各省地方标准的相关指标如预应力钢筋混凝土保护层厚度，配筋率，适用范围等，均已严重低于国家现行大规范的相关要求。 4.2管桩、空心方桩钢筋混凝土保护层比较以预应力混凝土管桩10G409，预应力混凝土空心方桩08SG360标准设计图集为依据，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的钢筋混凝土保护层厚度进行比较，如表 1、表2所示。 表1管桩(10G409)钢筋混凝土保护层厚度（图集号10G409）表2空心方桩(08SG360)预应力钢筋混凝土保护层厚度（图集号10G409）注管桩钢筋内混凝土保护层=(Dp值-内径-钢筋直径)/2，管桩钢筋外混凝土保护层=(外径-Dp值-钢筋直径)/2-螺旋箍筋直径，空心方桩钢筋内混凝土保护层=(Bp值-内径-钢筋直径)/2，空心方桩钢筋外混凝土保护层=(边长-Bp值-钢筋直径)/2-螺旋箍筋直径由表 1、表2可得出 （1）管桩的钢筋混凝土内、外保护层厚度均满足35mm要求，完全符合现行大规范的要求； （2）空心方桩的钢筋混凝土外保护层厚度均小于35mm的要求，严重低于国家标准GB50007- xx、GB50046- xx、GB50010-xx对钢筋混凝土保护层厚度35mm的要求。 4. 3、管桩、空心方桩配筋率比较以预应力混凝土管桩10G409，预应力混凝土空心方桩08SG360标准设计图集为依据，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的钢筋配筋率进行比较，如表 3、表4所示。 表3管桩A型预应力钢筋配筋率（图集号10G409）共12页表4空心方桩预应力钢筋配筋率(图集号08SG360)注预应力钢筋配筋=(钢筋总面积/横截面面积)100%从表 3、表4可以得出 （1）管桩除直径400mmA型桩的预应力钢筋配筋率为0.49%外，其余规格均满足预应力钢筋配筋率0.50%的要求； （2）空心方桩在不满足钢筋混凝土保护层35mm的情况下，仍存在较多的桩型无法满足国家强制性标准GB50007-xx对预应力钢筋的最小配筋率0.50%的要求。 4.4管桩、空心方桩力学性能比较以预应力混凝土管桩10G409，预应力混凝土空心方桩08SG360标准设计图集为依据，在竖向抗压承载力相当时，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的力学性能进行比较，如表5所示。 表5竖向抗压承载力相当时管桩(10G409)与空心方桩(08SG360)力学性能从表5可以得出，在竖向抗压承载力相当时 （1）管桩的混凝土有效预压应力大于空心方桩的混凝土有限预压应力值19%35%； （2）管桩的抗裂弯矩设计值大于空心方桩的抗裂弯矩设计值53%76%； （3）管桩的抗弯承载力设计值大于空心方桩的抗弯承载力设计值47%73%； （4）管桩的抗剪承载力设计值大于空心方桩的抗剪承载力设计值34%66%； （5）管桩的竖向抗拉承载力设计值比空心方桩的抗拉承载力设计值最高高18%。 4.5管桩、空心方桩主要原材料用量比较以预应力混凝土管桩10G409，预应力混凝土空心方桩08SG360标准设计图集为依据，在管桩的直径与空心方桩的边长相等，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的主要原材料用量进行比较，如表6所示。 共12页表6直径与边长相等时管桩（10G409）与空心方桩（08SG360）主要原材料用量从表6可以得出，在管桩的直径与空心方桩的边长相等时 （1）每米管桩比空心方桩最大节约混凝土用量29.9%； （2）每米管桩比空心方桩最大节约竖向受力钢筋用量25.1%； （3）每米管桩比空心方桩最大节约端板用钢量22.1%； （4）管桩端板的厚度均比空心方桩段端板厚度厚2mm，管桩端板的抗剪性能优于空心方桩的端板。 4.6管桩、空心方桩横截面面积、侧面面积比较以预应力混凝土管桩10G409，预应力混凝土空心方桩08SG360标准设计图集为依据，在竖向抗压承载力相当时，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的横截面面积、侧面面积进行比较，如表7所示。 表7在竖向抗压承载力相当时管桩(10G409)与空心方桩(08SG360)截面、侧面面积从表7可以看出，在竖向抗压承载力想当时 （1）管桩比空心方桩的横截面面积大10%30%； （2）管桩的每米侧面面积和空心方桩相差不大。 4. 7、预制桩混凝土用量实例比较以生产边长600mm的实心方桩、直径600mm壁厚110mm的管桩和边长600mm内径360mm的空心方桩为例，计算每米预制桩的混凝土用量，如表8所示。 注边长600mm的实心方桩每米混凝土体积为0.36m，外径600mm壁厚110mm的管桩每米混凝土体积为0.17m，边长600mm内径360mm的每米混凝土体积为0.26m3，混凝土容重取2600kg/m3。 共12页由表8可得出 （1）当生产100万米直径(边长)600mm的预制桩时，管桩比空心方桩节约23.4万吨混凝土，比实心方桩节约49.4万吨混凝土； （2）当生产1000万米直径(边长)600mm的预制桩时，管桩比空心方桩节约234万吨混凝土，比实心方桩节约494万吨混凝土。 （3）在直径等于边长时，管桩比空心方桩节约材料约35%，比实心方桩节约材料约53%。 xx年全国共使用预制桩约4亿米，节约包括石、砂、水泥、钢材等的混凝土用量达到3600万立方，相当于一个三峡大坝混凝土的用量！4.8基础造价比较一般来说，一个基础的原材料造价包括桩、承台、底板所需原材料的费用。 4.8.1工程桩所需费用比较上海某工程单桩承载力为F，为摩擦桩型，在满足单桩竖向承载力设计要求的情况下，以空心方桩边长300 (160)mm与管桩直径400 (95)mm进行比较。 需要空心方桩桩长L1=F/(40.3)=F/1.2；需要管桩桩长L2=F/(3.14160.4)=F/1.25664；空心方桩比管桩用量多(L1/L2-1)*100%=4.72%；也就是说，在同等单桩竖向承载力情况下，当管桩需要使用10