谈离心法预制空心混凝土桩

陈芳斌 侯善民 高建明 陈 巧

(1.建华管桩控股有限公司，江苏句容 212413;2.南京金宸建筑设计有限公司，江苏南京 210009;3.东南大学，江苏 南京 210000;4.江苏建华管桩有限公司，江苏 句容 212413)

0 引言

混凝土预制桩，主要是指在工厂采用离心成型或振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。

20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，在管桩的基础上衍生了许多其他预制桩桩型，如混合配筋管桩、支护桩、增强型预应力管桩、竹节桩、预应力钢管桩、螺旋状管桩等［1］。混凝土预制桩发展历程如图1所示。

图1 混凝土预制桩发展历程

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20世纪80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20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。

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12 mm～25 mm(螺纹钢)。

2)规格:200 mm×200 mm～500 mm×500 mm不等。

3)适用范围:适用于粘性土、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

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7.1 mm～14 mm(预应力钢棒);2)规格:直径300 mm～1400 mm不等;3)适用范围:适用于粘性土、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。

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C60～C80，钢筋直径7.1 mm～12.6 mm(预应力钢棒);2)规格:外边长250 mm～500 mm不等;3)适用范围:主要用于土层较好的设防烈度与抗水平力要求不高的一般工业与民用建筑基础。

图3 管桩

图4 空心方桩

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

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。

图5 管桩、空心方桩生产工艺流程图

图6 管桩、空心方桩横截面示意图

1)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8所示。

图7 空心方桩钢筋笼

图8 预应力空心预制桩离心阶段

2)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ρo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ρo引入可得预应力空心预制桩在离心时的离心力计算公式:

其中，PS为物体离心力，g;R为旋转半径，cm;V为物体体积，cm3;n 为旋转速度，r/min;ρo为物体密度，g/cm3。

根据离心原理及离心计算公式可知，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、水泥等组分的分布合理，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距离不一，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，中间部分薄成为一种普遍现象，如图9所示。

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

实心方桩与管桩、空心方桩生产工艺不同之处在于其采用振动成型，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

GB 50010-2010混凝土结构设计规范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 GB 50007-2011建筑地基基础设计规范［2］

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3倍～5倍桩身直径范围内，箍筋宜适当加强加密。

图10 实心方桩生产工艺流程图

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11点规定:灌注桩主筋混凝土保护层厚度不应小于50 mm;预制桩不应小于45 mm，预应力管桩不应小于35 mm;腐蚀环境中的灌注桩不应小于55 mm。

3.2 GB 50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范［3］

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1的规定。”

表1 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:

a.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45 mm;

b.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35 mm;桩尖宜采用闭口型。

3.3 GB 50010-2010 混凝土结构设计规范［4］

第8.2.1条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该符合表2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2中数值的1.4 倍。

表2 混凝土保护层的最小厚度c mm

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

1)管桩国家、行业标准。a.国家标准GB 13476-2009先张法预应力混凝土管桩(住建部、国家质检总局联合颁发);b.国家建筑标准设计图集10G409预应力混凝土管桩(住建部颁发)［5］;c.建材行业标准，如管桩端板标准JC/T 947先张法预应力混凝土管桩用端板、管模标准JC/T 605-2005先张法预应力混凝土管桩钢模等。

2)各省地方标准。a.各省管桩基础技术规程，如天津市DB 29-110-2010预应力混凝土管桩技术规程，江苏省DGJ 32/TJ 109-2010预应力混凝土管桩基础技术规程，安徽省DB 34/T 1198-2010先张法预应力混凝土管桩基础技术规程等。b.各省管桩标准设计图集，如浙江省2010浙G22先张法预应力混凝土离心管桩等。

4.1.2 空心方桩标准

1)空心方桩国家、行业标准。a.建材行业标准 JC/T 2029-2010预应力离心混凝土空心方桩(工信部颁发);b.建筑工业行业标准JG 197-2006预应力混凝土空心方桩(住建部颁发);c.国家建筑标准设计图集08SG360预应力混凝土空心方桩［6］。

2)各省地方标准。a.江苏省苏G/T17-2008先张法预应力混凝土空心方桩;b.浙江省2010浙G35预应力离心混凝土空心方桩;c.上海市2009沪G/T-502先张法预应力混凝土空心方桩。

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10G409预应力混凝土管桩，08SG360预应力混凝土空心方桩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3，表4所示。

表3 管桩(10G409)钢筋混凝土保护层厚度(图集号:10G409)

由表3，表4可得出:

1)管桩的钢筋混凝土内、外保护层厚度均满足35 mm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35 mm的要求，严重低于国家标准GB 50007-2011，GB 50046-2008，GB 50010-2010对钢筋混凝土保护层厚度35 mm的要求。

表4 空心方桩(08SG360)预应力钢筋混凝土保护层厚度(图集号:08SG360)

4.3 管桩、空心方桩配筋率比较

以10G409预应力混凝土管桩，08SG360预应力混凝土空心方桩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5，表6所示。

从表5，表6可以得出:

1)管桩除直径400 mm A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35 mm的情况下，仍存在较多的桩型无法满足国家强制性标准GB 50007-2011对预应力钢筋的最小配筋率0.50%的要求。

表5 管桩A型预应力钢筋配筋率(图集号:10G409)

表6 空心方桩预应力钢筋配筋率(图集号:08SG360)

4.4 管桩、空心方桩力学性能比较

以10G409预应力混凝土管桩，08SG360预应力混凝土空心方桩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7所示。

表7 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7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10G409预应力混凝土管桩，08SG360预应力混凝土空心方桩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8所示。

从表8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端板厚度厚2 mm，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10G409预应力混凝土管桩，08SG360预应力混凝土空心方桩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9所示。

表8 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9可以看出，在竖向抗压承载力相当时:

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600 mm的实心方桩、直径600 mm壁厚110 mm的管桩和边长600 mm内径360 mm的空心方桩为例，计算每米预制桩的混凝土用量，如表10所示。

由表10可得出:

1)当生产100万m直径(边长)600 mm的预制桩时，管桩比空心方桩节约23.4万t混凝土，比实心方桩节约49.4万t混凝土。2)当生产1000万m直径(边长)600 mm的预制桩时，管桩比空心方桩节约234万t混凝土，比实心方桩节约494万t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%。2011年全国共使用预制桩约4亿m，节约包括石、砂、水泥、钢材等的混凝土用量达到3600万m3，相当于一个三峡大坝混凝土的用量。

表9 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

表10 生产100万m和1000万m直径(边长)600 mm的预制桩混凝土用量

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/(4×0.3)=F/1.2;需要管桩桩长L2=F/(3.1416 ×0.4)=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100万 m时，空心方桩需要使用104.72万m。而管桩400 mm其他方面(如抗弯、抗裂、抗剪、含钢量)远优于空心方桩外边长300 mm的规格，同样的价格可以买到含钢量大的管桩，更能保证工程基础的安全。

4.8.2 承台、底板混凝土用量比较

在竖向抗压承载力相当时，承台大小按JGJ 94-2008建筑桩基技术规范第4.2.1条第1款［7］进行计算，空心方桩边长300 mm(内径160 mm)与管桩直径400 mm(壁厚95 mm)比较，如图12所示是浇筑底板前管桩和空心方桩的基础，如图13所示是浇筑底板后管桩和空心方桩的基础。

图12 浇筑底板前管桩和空心方桩的基础

图13 浇筑底板后管桩和空心方桩的基础

由图12，图13可以看出，空心方桩的承台与承台的间距A1和A2分别大于管桩的承台与承台的间距B1和B2，但是在浇筑底板后，由于基础的总面积(C×C)均相同，管桩和空心方桩的基础综合造价相当。

5 结语

预制桩为我国经济建设的飞速发展作出了巨大贡献，工程技术人员在选用桩时应按竖向承载力和抗水平力综合考虑以确保该桩型的钢筋混凝土保护层、钢筋最小配筋率、适用范围等技术构造要求符合国家现行相关大规范的要求，禁止使用与国家规范相抵触的桩基材料，以桩身的耐久性及工程建设安全为前提以确保工程质量。

［1］阮启楠.预应力混凝土管桩［M］.北京:中国建材工业出版社，2000:2.

［2］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［3］GB 50046-2008，工业建筑防腐蚀设计规范［S］.

［4］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［5］10G409，预应力混凝土管桩［S］.

［6］08SG360，预应力混凝土空心方桩［S］.

［7］JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.