几种预制桩型同体积混凝土材料获得的力学性能的对比分析

姜正平，何耀晖，章杰春，明 维

（1. 苏州科技大学，江苏 苏州 215011；2. 广东宏基管桩有限公司，广东 中山 528427；3. 广州羊城管桩有限公司，广东 广州 510730；4. 中淳高科股份有限公司，浙江 宁波 315145）

2009-2019年河砂价格从30元/m3涨到300元/m3，优质中粗河砂达429元/m3，而且资源几近枯竭。石子价格近10年也涨了近4倍，水泥价格涨了约30%。中国已经进入“资源紧缺型”国家的行列，混凝土原材料中河砂已经需要大量进口。基本建设行业已经迫切需要改变、直至杜绝土豪式浪费模式，从标准、设计方面入手，吸取日本的工程标准和技术经验，采取措施实现：同样的资源产生更高物理力学性能。

日本的土木工程材料资源利用效率也是最高的，建筑物的耐久性设计保证率也是最高的。日本式的“预制+装配的工程模式”是非常节省材料且保证质量的。中国厚保护层预制桩在锤击或静压施工方式时，其保护层的开裂状况比日标薄保护层桩的开裂情况严重的多，开裂的保护层不但不能有效保护钢筋，而且是锈蚀介质进入钢筋表面的快速通道。管桩的抗腐（锈）蚀能力主要取决于接桩钢制端板的防腐保护和桩身混凝土保护层的有效性。锤击条件下厚保护层桩不但浪费资源，而且更加降低其抗锈蚀能力。日本标准中，预制构件钢筋保护层厚度是15mm，而现浇结构的钢筋保护层厚度是40mm。中国标准预制和现浇均为40mm。资源紧缺的我国现在仍然存在着大量的土豪式标准浪费、设计浪费、施工浪费，而且力学性能和耐久性差的问题。

经常听到“厚壁桩比薄壁桩耐打”、“实心桩比空心桩耐打”的言论，实际感觉也是如此。但这些言论实际上是忽略了成本概念，把同外径不同壁厚管桩、同边长的空心与实心方桩进行对比，其实其单位长度的混凝土耗量（截面积）是不同的，也就是制作成本是完全不同的，不具备可比性。对不同资源成本投入的桩进行性能比较是不科学的，也不公正的，容易误导大众。

实际上，按厚壁桩的截面积做成等截面积的薄壁桩（扩大管径），薄壁桩比厚壁桩耐打；按实心方桩的截面积做成空心方桩，空心方桩比实心方桩耐打——都是同样的材料成本。

有意义、科学的对比分析的前提是：各类桩的单位长度消耗资源基本一致。即单位长度的各种对比桩，所耗用的混凝土材料基本一致，也即各种对比桩的截面积基本一致。

我们选择了5种桩型，根据钢筋混凝土结构原理及材料力学的基本原理及轴压实验，对这资源成本基本一致的5种桩的轴向承载力、抗弯性能、抗剪强度进行分析，以供大家参考。

表1 参与对比的五种预制桩列表

1 桩型对比

我们选用了边长为300的正方形实心方桩（截面积90000mm2）、边长350（内圆孔200）空心方桩（截面积91100mm2）、壁厚95Φ400国标管桩（截面积90982mm2）、壁厚70Φ450日本标准管桩（截面积83525mm2，比实心方桩截面积少7.2%）以及按实心方桩同样截面积换算出的同成本壁厚70Φ480的等效日标管桩（截面积90118mm2）5种桩，其尺寸参数见表1。

这5种预制桩有圆、方两大类。

管桩的横截面是圆环形的，纵向钢筋位置也是圆形布置[1]；方桩是方的，而空心方桩则是外方内圆的形状，纵向钢筋位置采用方形的布置[2][3]，分别见图1、图2。

从形状可知，圆形桩周边各个方向水平承载能力一致，方桩各个方向水平承载能力不一样，有取向性，不利于抗震结构。

2 轴向承载力的试验与分析

预制桩的成桩方式有锤击沉桩、静压沉桩、引孔植桩等多种工法，但其竖向承载力都是由桩端承载力和桩周摩擦力两部分组成，在相同地质条件的场地里，提高有效承载截面积（提高桩端承载力）和桩侧与土层更大的接触面积（产生更大的摩擦力）。

2.1 桩端承载力

从截面积来看，5种桩的承受压力的能力大致相同。但桩是细长构件，其承压能力与混凝土立方块试件不同，其承压能力与长径比有关。同样长度、截面积的情况下，截面等效直径越小，长径比就越大，轴向承压能力就越弱。

我们将管桩分别切割成长径比为2∶1和3∶1的轴心抗压试件，测定其轴心抗压强度值（见图3、图4及表2）。

实验验证了理论分析：长径比越大，轴向承压能力就越弱。5种桩型中，在相同桩长时，同样截面积的5种桩，实心方桩的等效直径最小，其长径比最大，轴向承压能力最差。空心方桩与国标管桩大致相同，等效日标桩最好，日标管桩第2。

图4 轴向加载后的试件

表2 无侧向约束条件下长径比对轴压强度的影响实验

2.2 桩周摩擦力对比

桩周摩擦力是桩基轴向承载力的第2个主要来源，其与桩截面外圈周长直接相关。对照表1最后1列的截面外圈周长，相同材料成本的实心方桩的桩周摩擦力最小，其余4种桩分别比实心方桩大17%、5%、18%和26%，这还是仅仅考虑空心桩的外周摩擦力（没有考虑内圆孔的摩擦力的作用）。这说明实心方桩是古老而陈旧的预制桩。

3 抗弯性能的分析

材料力学及工程力学的常识，在不考虑钢筋作用的前提下，构件的抗弯能力与截面惯性矩是成正比的。

表3 实心方桩、空心方桩、管桩及日标管桩、等效日标管桩的截面惯性矩（抗弯能力）对比

由于管桩和方桩的截面形状差异，其截面惯性矩也就不同，圆形的截面惯性矩计算公式是I= πD4/64，正方形截面惯性矩计算公式是I= B4/12，管桩圆环形的截面惯性矩计算公式是Ig= π（D4- d4）/64，矩形的截面惯性矩计算公式是Ij= bh4/12（实心方桩），空心方桩的截面惯性矩计算公式是If= B4/12/64。5种桩对比，计算结果见下表3：

由表中计算参数可知，相同资源成本的前提下：

实心方桩最差，其抗弯能力只有其它桩型的13%～22% ；

350（200）方桩与国标Φ400管桩相比，总体抗弯能力相当；

等效日标管桩和日标管桩的抗弯能力要比国标管桩和空心方桩高33%～68%。

这说明日本标准的管桩截面最合理，实心方桩结构最不合理。

4 抗剪强度和抗震分析

国内的相关标准中都没有明确管桩和方桩的抗剪强度的计算方法，一般参考日本标准JISA5337中的计算公式[4], 预制桩的抗剪强度为：

式中：t ——有效截面高度（mm）；

Φ ——系数，取0.5；

I ——截面惯性矩；

So——截面静矩；

τ ——产生斜拉裂缝时的剪切应力（N/mm2）；

σpc——混凝土有效预压应力（N/mm2）；

σt——混凝土抗拉强度，取值5.39N/mm2；

也就是说抗剪强度与I/So成正比，3种桩型的I/So见表4。

由此可见，实心方桩的抗剪强度只有相同截面积的国标管桩30%，是等效日标管桩的23%，是材料的巨大浪费。

由于地震的破坏力主要来自于其产生的水平剪切力，因此方桩的抗震性能差，在多震的区域的高层建筑、大面积地下室的建筑物基础中千万不能使用实心方桩。

在国家标准中也明确规定了管桩只能适用于抗震设防烈度7度以内的地区，个别企业关于“方桩可适用于抗震设防烈度8度地区”的宣传是颠倒黑白危险的行为。

表4 实心方桩、空心方桩、管桩及日标管桩、等效日标管桩的I/So（抗剪能力）对比

5 海水中管桩的锈蚀情况

我们观察了2009年打入南海的十几根拴马（船）裸桩10年来的锈蚀情况。发现管桩端板锈蚀严重，裙板已经透，但桩身混凝土良好（没有内部钢筋锈蚀导致的保护层开裂）。

潮差区桩身上附着了许多海蛎子，但桩身混凝土良好。

日本有关研究机构也调查了各种环境（含海工环境）使用了40-65年、桩身主筋保护层8～26mmPHC管桩和RC管桩的内部钢筋情况，基本完好如初。

以上都说明：管桩内钢筋的抗锈蚀能力主要取决于保护层的完好性，裸露的钢端板是锈蚀的必然起点。

图5 入海10年的PHC裸体管桩

6 结束语

从以上的对比分析可以看出，实心方桩无论在轴向承载力、抗弯性能、抗剪强度和抗震性能等方面毫无优点可言，对有抗震要求的建筑物使用方桩有安全性隐患。实心方桩的炒作是资源巨大浪费的历史性技术倒退。

管桩内钢筋的抗锈蚀能力主要取决于保护层的完好性，裸露的钢端板是锈蚀的必然起点。锤击/静压施工方式下，厚保护层桩中的钢筋因保护层极易开裂而更容易锈蚀腐烂。