H型钢桩作灾区地基承载桩具抗震减震性能的优势分析＊

王进怀 王卫东 章 磊

1)中铁科工集团桩工机械研究所,武汉 430071

2)军事博物馆,北京 100038

H型钢桩作灾区地基承载桩具抗震减震性能的优势分析＊

王进怀1)王卫东2)章 磊2)

1)中铁科工集团桩工机械研究所,武汉 430071

2)军事博物馆,北京 100038

地基处理好坏是建筑物是否牢固的前提,当前,国内地基处理的方式多种多样,不同的地基处理方式所涵盖的技术含量不尽相同,施工工艺不尽相同,应用领域不尽相同,用高频液压振动锤施工H型钢桩作为中小学校建筑、或其他建筑物的承载桩,可有效防止地震对建筑物地基的影响和对建筑物的破坏,从而能有效地减少人民生命财产损失。

灾区重建;H型钢桩;地基处理;抗震;高频液压振动锤

俗话说,基础不牢,地动山摇。发生在四川省汶川的大地震,让昔日美丽的城市建筑在一瞬间变成一片废墟,而这一瞬间,造成当地人民群众身体上、心理上、精神上的巨大伤害,也是在这一瞬间,社会财产受到了空前巨大的损失。目前,四川灾区正在进行灾后重建,国务院出台了灾后重建条例,作为地震区的建筑物,抗震设防必然是全国人们非常关心、非常重视的一个重要方面。作者积多年来对振动应用技术的深入研究,对地基处理投入了大量的时间和精力,工作实践中积累了一些非常宝贵的经验和方法,结合灾区重建工作,特别是中小学校建设,建议采用高频液压振动锤施工H型钢桩作为学校建筑地基的基础承载桩,可有效防止地震对校舍地基产生的破坏。此技术完全可延伸到工业建筑、民用建筑地基基础的处理。

一般来说,建筑物抗震由两部分组成,一部分是上部结构(即地面以上的主体部分)的抗震,另一部分是地下结构(即地面以下部分的地基)的抗震。目前,上部结构抗震常规的做法是设计剪力墙,而下部结构抗震还没有更好地广泛使用的设计或施工方法,结合多年的工程施工和理论研究,用高频液压振动锤施工H型钢桩作为灾区建筑物的地基承载桩,可有效地防止地震对建筑物的破坏,从而能有效地保护人民群众的生命财产安全。

1 钢桩是柔性的,强度高,震不断,钢桩在地震状态时力学特性优良

钢桩在发达国家应用广泛,在我国并未大量推广应用,这既跟国情有关,又跟习惯有关,还跟施工设备有关。在我国高层建筑中,应用最广泛的是钢筋混凝土灌注桩;在中高、中低层建筑物中,应用最广泛的是PHC桩(高强混凝土预应力管桩),其次是CFG桩(又称素混凝土桩或刚性桩复合地基),还有粉体喷射搅拌桩、碎石桩等就属于地基改良,很难称为真正意义上的桩了。后面所提到的几种桩型,基本是刚性的或脆性的,在强地震时容易震断。

桩在无地震条件下,只需满足抗压要求,即通常所说的单桩承载力。但在有地震条件下,还要满足抗拔要求(上下震动时)及抗剪要求(水平震动时),而只有钢类桩能满足后两种要求。

假定这样一种震动模型:在一个大型刚性平面上放置一小块刚性物体,这两个物体之间没有任何连接,让大型平面上下左右振动,将会发生什么现象?一是小块物体上下左右更加杂乱地跳动,二是倾翻;如果将二者通过一个可靠的柔性体加以连接,就会产生如下现象:一是小块物体的振动幅度没有大型平面那么大,二是没有倾翻。以上模型可以较好地说明钢桩作为柔性桩在地震时对建筑物所产生的减震、抗震作用。

2 钢桩有足够的使用寿命

很多人可能会担心,在地基中使用钢桩,如果桩产生锈蚀,若干年后,建筑物底下不是没桩了吗?以上提到的优越性不就不复存在了吗?甚至还不如混凝土桩,毕竟它不会腐烂。

以上问题,可从两个方面解释。首先,钢桩深埋地面以下,氧气极少,对桩的腐蚀作用有限,钢桩采用振动设备施工时,桩周围的土会被进一步振密,氧气进一步析出,地层含氧量更少,对桩的锈蚀作用更小。其次,在将钢桩沉入地下之前,可对钢桩作一些简单的物理或化学的防锈处理,以进一步提高其抗锈蚀的能力。如此,钢桩的使用寿命可达数百年之久。

应用钢桩的实例有:上海宝钢厂房的地基处理,上海金茂大厦及上海环球贸易中心(这也是中国目前最高的建筑物)。

最近几年,在武汉经常从淤泥中挖出二战时日军投下的炸弹,70多年过去了,弹体锈蚀量甚少;还有些出土的金属文物,在地下埋藏了数千年而不腐,都是由于氧气含量稀少的缘故。

3 四川的地质条件决定了使用H型钢桩是最佳选择,使用该钢桩还可缩短灾区重建的时间

四川地震灾区,90%以上是砂卵石地基,用传统方法施工桩基础很困难,静力压桩一般只能进入卵石层3～4m,柴油锤打入深度稍大一些,螺旋钻机几乎不能在这种地质条件下施工,旋挖桩机在砂卵石中施工时工效不高,护壁困难,而利用液压振动锤可将H型钢桩轻松振入卵石层中10m以上,最深可达三十多米,足以满足中小学建筑物的承载、抗拔、抗剪需要。由于采用了大型振动设备施工,对建筑物的地基进行了预振密处理,在地震发生时,该地基不会出现因震动液化而产生不均匀沉降,地面建筑物的摇晃量将进一步减小,更不会出现将几层建筑物震陷到地面下的情景;由于钢桩的抗拔力作用,也不可能将建筑物震得东倒西歪,如果上部结构足够牢固,强震后仍可继续使用。

钢桩的施工设备——液压振动锤是一种高效的施工机械,如果桩长在15m左右,它能在12小时内将50根钢桩沉入地下,一栋中小学校的地基处理,两天左右就可完成,用其他方法,最少也需半个月时间,尚且不说效果的好坏,这将为灾区重建赢得宝贵的建设时间。

4 H型钢桩社会效益和经济效益分析

假设在地震灾区修建一座3层的教学楼,建筑面积以3000km2计算,建筑物载荷为4500t,地基按砂卵石考虑,根据此条件,用H型钢桩作为地基承载桩,上部结构以具抗震要求的剪切墙计算,那么修建这座具抗震要求的教学楼,其成本列表如下:

H型钢规格:300mm×305mm×15mm

桩 长:12m

单桩重量:1272kg

单桩承载力:≈45t

共需数量:≈100根

桩总重量:127.2t

购买总价:≈83万元

施工费:≈8万元

基础总造价:≈91万元

每平方基础造价:≈300元

上部结构总造价:≈3000平方米×1200元/平方米=360万元

整栋教学楼造价:≈451万元。

由上可以看出,H型钢桩作为抗震地基承载桩,它的成本高于其他桩(CFG桩、灌注桩、PHC桩等),但就抗震性能而言,CFG桩、灌注桩、PHC桩等桩型是一种刚性桩,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,或其他侧向的力,与H型钢桩作地基的承载桩相比,其他型桩不具抗震性能和减震性能。而H型钢桩作为中小学地基的承载桩,不仅具抗震性能、还具备减震性能,具抗震的地基加上具抗震性能的上部结构,可以最大程度地保证中小学生的安全性,这样的抗震设计,造价虽然高一些,但其安全系数增加了若干倍,形象地讲就是把学校修建成了一个保险柜,学生置身其中,就相当于在保险箱中。

与我国现行桩基础行业中传统的PHC桩、CFG桩、螺纹桩、挤扩桩、灌注桩等地基承载桩相比,在满足相同承载力条件下,H型钢桩作地震区建筑物的地基承载桩(特别是一些重要的场所,如军队营房的基础设施,学校、礼堂等)社会意义重大,它最大的社会作用(效益)是能有效地防止或减轻高强度地震对建筑物造成的破坏,从而减轻或减少因地震给国家和人民群众生命财产带来的巨大损失,减轻或减少因地震给千百万家庭造成的巨大悲痛和精神伤害,从而保持地震区人民群众、机关事业团体正常的社会生产生活秩序;其次,用高频液压振动锤施工H型钢桩与其他成桩工艺相比,这种工艺在施工过程中没有泥浆污染、没有噪音污染、振感极小,不会对周围的居民、机关正常的生活秩序和工作环境及建筑结构产生影响,能适应多种不同地质条件和不同工程领域,且施工效率极高,沉一根20m的H型钢桩到地下一般只需2分钟左右,其效率是许多传统施工工艺的若干倍。

就经济效益而言,在满足相同承载力条件下,H型钢桩与PHC桩、CFG桩、螺纹桩、挤扩桩、灌注桩等地基承载桩相比,H型钢桩施工成本相对要高一些,这是因为钢材的价格远高于钢筋混凝土或混凝土成形桩后的价格;其次是施工使用的桩工机械不同,施工H型钢桩的机械设备必须是高频液压振动锤,这种设备在国内也是近几年才研发成功,经市场检验,国产高频液压振动锤施工性能所有的技术指标已达到、甚至超过国外同类产品性能,而此机械在我国的市场占有量并不很广泛,国内一些重大工程(如苏通大桥、杭州湾大桥等)施工所用的高频液压振动锤都是从国外进口的产品,且售价昂贵。综合以上各种成桩工艺的社会效益和经济效益分析,说明用高频液压振动锤施工H型钢桩,作为地震区建筑物的地基承载桩,其社会作用远远大于其他成桩工艺,社会意义远远大于其他成桩工艺眼前的经济成本,这是因为,人民群众的生命是无价的。强烈地震给国家财产造成的损失是巨大的、空前的,以这种损失来比较H型钢桩作为地震区建筑物承载桩的施工成本,那么这种成本几乎可以忽略不计,简直是微不足道。

5 国外采用H型钢用作建筑基础也很普遍,尤其是在日本

二十世纪七八十年代,日本钢产量大量过剩,加上铁矿石便宜,钢材价格低,日本将大量的钢材用于地下工程中,包括中国宝钢厂房的基础处理,也使用了大量的H型钢桩(注:当年建设宝钢是从日本引进的全套钢铁生产技术)。这也是一种在日本延续的应用习惯,其实,宝钢的基础处理在当时应该有更经济的方法。

有专家说,日本的很多建筑物是柔性结构的,这种说法应该包括两个方面的内容:一方面是指建筑物的基础是柔性的(钢桩),另一方面是指上部结构是柔性的(钢结构或其他复合柔性材料结构、木结构),但从振动减振的角度来分析,基础的柔性结构更重要,大地是激振源,桩是减振器,上部建筑物即使是刚性体也无所谓,因为刚性体的振动烈度完全取决于减振器。

日本建筑物的抗震性举世闻名,其成功的经验值得我们借鉴。

采用H型钢作为建筑物基础桩,尽管成本增加了,但安全性却增加很多,就象用一根根巨大的钢钉将建筑物牢牢的固定在地基之中,从而从实际上、也从心理上给人民群众足够的安全感,因为只要一根根规格正确、生产厂家正规的H型钢桩从地面规定的桩位进入了地下,其他任何有关基础建设的质量问题都不用担心了,确保建筑物地基抗震设计要求。

中国工程院有关院士对此技术高度肯定,并认为利用高频液压振动锤施工H型钢桩,不仅可以作为特殊工程地基的基础承载桩,同样还能广泛应用于工业建筑、民用建筑的基础处理,对建筑物的地基抗震起到很好的保护作用,能有效减小地震对地基产生的破坏。

科学技术发展最能证明,有最好的震不垮的地基基础和有震不垮的上部结构,才会有真正意义上震不垮的抗震建筑物、抗震学校、抗震商场、抗震医院,让我们生活在地震灾区的群众不再为生活在地震区而担忧,让我们的办公室、工厂、车间、宿舍成为真正意义的安全堡垒。

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。

(作者电子信箱,王卫东:wangweidai123@163.com)