《X形預(yù)制樁》初探

簡(jiǎn)介：本文簡(jiǎn)要回顧了異形樁及《X形樁》研發(fā)歷史，介紹了《X形預(yù)制樁》的前期實(shí)踐，并展望《X形預(yù)制樁》的前景。

問題的提出：

本文開頭先提出一個(gè)問題：一米直徑的混凝土管樁能直接用打樁機(jī)打下去嗎？答案是不行。奇怪了，這種外行看似簡(jiǎn)單的事難道還沒法解決嗎？原因主要是混凝土預(yù)制樁的歷史只有短短幾十年，而樁型及配套沉樁機(jī)具研發(fā)驗(yàn)證極需時(shí)日，暫且回顧一下管樁的歷史。

一. 預(yù)制樁和異形樁的歷程

離心法生產(chǎn)混凝土預(yù)制管樁自上世紀(jì)60年代由日本發(fā)明，開始是制作圓管樁，后來發(fā)現(xiàn)用此法也可以生產(chǎn)方樁，性價(jià)比更高。故圓管樁使用量逐年減小，至本世紀(jì)初日美兩國離心方樁已經(jīng)占所有樁型的35——40%。我國上世紀(jì)80年代引進(jìn)管樁生產(chǎn)線，離心方樁則是由上海中技樁業(yè)在國內(nèi)首先生產(chǎn)，自此混凝土預(yù)制樁基本上“非圓即方”。

眾所周知異形樁具有較好的性價(jià)比。國內(nèi)異形樁自上世紀(jì)末由山東省河務(wù)局牟玉瑋總工首創(chuàng)，當(dāng)時(shí)是用組合架將圓形鉆孔樁簡(jiǎn)單組合成異形樁，此后各種現(xiàn)澆異形樁紛現(xiàn)。主要有《薄壁筒樁》和《Y形灌注樁》。其中《薄壁筒樁》是河海大學(xué)劉漢龍教授采用雙層同心圓管樁模形成筒形沉管灌注樁，而《Y形灌注樁》是由我國工程界著名專家陸祖蔭發(fā)明，其斷面形狀為三段弧線弧面向內(nèi)組成的曲邊三角形（如圖1），《Y形灌注樁》首次應(yīng)用于申蘇浙皖高速，繼而在申嘉湖及杭浦三條高速公路推廣應(yīng)用超過卅萬米。應(yīng)用結(jié)果表明：（摘自2006年浙江省科技廳申蘇浙皖Y形樁成果鑒定）Y形樁是一種經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的高速公路深厚軟基處理方法，既保持了沉管灌注樁施工快捷、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，又在等工程量前提下大幅提高樁基的承載能力，降低了基礎(chǔ)造價(jià)?？墒蛊浔阮A(yù)應(yīng)力管樁節(jié)省成本20-25％，因此取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。《Y形灌注樁》兩次獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，并獲批國家工法。

因?yàn)闃痘夹g(shù)的發(fā)展已經(jīng)將大尺度預(yù)制樁的應(yīng)用擺到了工程技術(shù)人員面前。中鐵上海設(shè)計(jì)集團(tuán)劉建紅院長在最新研究結(jié)果《鐵路橋梁大直徑管樁適用性對(duì)比分析》里總結(jié)：

1)鉆孔樁適用于所有地質(zhì)，但施工工藝復(fù)雜，易造成施工環(huán)境污染。管樁預(yù)制化程度高，施工速度快，不同工藝適用地層范圍不同，需根據(jù)場(chǎng)地條件選擇合適的施工工藝。

2)3種沉樁工藝中：打入樁單價(jià)最低；勁性復(fù)合管樁次之，基本與同樁徑鉆孔樁持平；跟鉆法略高于同樁徑鉆孔樁單價(jià)。

3)砂性土工點(diǎn)：打入樁經(jīng)濟(jì)性最好，勁性復(fù)合樁次之，跟鉆法與鉆孔樁相近。黏性土工點(diǎn)：勁性復(fù)合樁較鉆孔樁有較好經(jīng)濟(jì)性。

二. 《X形預(yù)制樁》研發(fā)過程

繼《Y形灌注樁》之后河海大學(xué)劉漢龍教授又發(fā)明出《X形現(xiàn)澆樁》，不但在蘇閩等地高速公路得到大量應(yīng)用，更進(jìn)一步延伸應(yīng)用于高鐵工程，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2017年住建部頒布了現(xiàn)澆X形樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程（JTG/T 402-2017），同期住建部還頒布了預(yù)應(yīng)力混凝土異形預(yù)制樁技術(shù)規(guī)程（JTG/T 405-2017），為以后異形預(yù)制樁更有了規(guī)范參照。

此前僅浙江地區(qū)就出現(xiàn)了三種《竹節(jié)樁》，一種是天海集團(tuán)周兆弟先生發(fā)明。它在普通園形管樁樁模內(nèi)附加凸塊，靠它在圓形管樁側(cè)表面上印成30mm深的條塊狀凹陷，一米一段，四側(cè)均布。再有寧波中淳張日紅先生發(fā)明的《靜鉆根植樁》。它是在普通圓形管樁外表面上增加 8——10 mm高的環(huán)狀凸緣，一米一環(huán)。這種樁形狀更近似竹節(jié)，后者在沉樁工藝及設(shè)備方面更有獨(dú)創(chuàng)，故取名《靜鉆根植樁》。此后還出現(xiàn)了《竹節(jié)方樁》。

其實(shí)《X形預(yù)制樁》以前也有人研究過，如天津周玉明，溫州管自立，但現(xiàn)在陸氏父子研發(fā)的不同于以上幾種。它是融合了《X形現(xiàn)澆樁》和離心預(yù)制方樁的新型X形樁。雖然它像《X形現(xiàn)澆樁》凸緣也是縱向布置，但它的凸緣偏尖，更有利的是它可以預(yù)制。

《X形預(yù)制樁》具體是在方樁四條縱向側(cè)楞基礎(chǔ)上，沿對(duì)角線方向再向外拓延十幾公分。外形很像釘鞋子用的“秋皮釘”，發(fā)明人稱這種樁就是一根“水泥大鞋釘”。異形樁預(yù)制化工廠化生產(chǎn)，無疑將給異形樁發(fā)展開辟出一片廣袤市場(chǎng)。因?yàn)椤禭形預(yù)制樁》只需在現(xiàn)有離心方樁工藝基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)即可。

以上可見《X形預(yù)制樁》是在吸取現(xiàn)有各種混凝土預(yù)制樁及異形樁優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的。

三. 《X形預(yù)制樁》的實(shí)踐

《X形預(yù)制樁》實(shí)踐要解決的主要問題：

1、樁型及樁模的設(shè)計(jì)，《X形預(yù)制樁》截面設(shè)計(jì)主導(dǎo)思想是離心用的模具要盡量利用現(xiàn)有圓形管樁模具，同時(shí)又要將異形X樁的中心主體方樁納入現(xiàn)有離心方樁系列，這樣便利端頭板和鋼筋籠的通用化，因此《X形預(yù)制樁》內(nèi)外尺寸都向現(xiàn)有管樁方樁標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

在樁側(cè)面積相同的情況下《X形預(yù)制樁》比圓樁和方樁具有更大的慣性距。而且《X形預(yù)制樁》還具有較大的周長面積比，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。因而可大大提高單樁承載力和抗彎能力。

2、樁模及樁體的制作，

之前離心方樁就是在普通圓形管樁模具內(nèi)增加4塊平板襯板，形成“外圓內(nèi)方”的效果?，F(xiàn)在《X形預(yù)制樁》則是將4塊平板換成相對(duì)應(yīng)的梯形板。這樣制成的《X形預(yù)制樁》樁中心部位是一根方樁，端頭板及鋼筋籠可套用系列方樁，適應(yīng)已有打樁施工機(jī)具和工藝。

3、鋼筋籠的制作，

《X形預(yù)制樁》主鋼筋籠完全等同方樁的方形籠，但只在四個(gè)籠角放四根預(yù)應(yīng)力主筋，另外的四根主筋移到四個(gè)角籠上了。角籠為等腰三角形，每個(gè)頂角放一根主筋，這就使得《X形預(yù)制樁》的四個(gè)角的鋼筋混凝土也作為樁體部分材料，增加了X形樁的荷載能力。

4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)《X形預(yù)制樁》離心法生產(chǎn)X形樁取得成功后，在申嘉湖西延工程一標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康模阂皇菣z驗(yàn)施工機(jī)具的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，二是與常規(guī)管樁作承載力對(duì)比。（1）靜壓法頂壓沉樁只需將樁頂壓套與樁頂適配。抱壓則需使夾頭適應(yīng)《X形預(yù)制樁》，本次采用300型靜壓樁機(jī)隨機(jī)配有方樁及圓樁兩種夾具，方樁夾頭寬度150mm正好嵌入《X形預(yù)制樁》樁側(cè)面凹陷部位，沉樁順利。（2）承載力測(cè)試結(jié)果申嘉湖高速公路西延工程原設(shè)計(jì)使用400mm竹節(jié)樁（周長1.338m），X型樁外徑600mm，周長1.861m，理論上側(cè)摩阻力X樁大39%，實(shí)測(cè)為25%。 另有一次試驗(yàn)是在在杭州第二繞城公路連接線二標(biāo)一個(gè)500mm 管樁50x 22m橋頭加固區(qū)紅線外打了三根400mm《X形預(yù)制樁》試樁，樁長45m，采取頂壓沉樁，雖然沒能進(jìn)行測(cè)試，但沉樁過程中三根試樁有兩根發(fā)生“抬架”，就是說壓樁機(jī)重量已經(jīng)不足以把樁壓下去了，而現(xiàn)場(chǎng)工程樁發(fā)生“抬架”的現(xiàn)象卻并不多。這個(gè)例子客觀地說明400mmX形樁的承載力要大于500mm圓形管樁。更有意義的是兩種樁的市場(chǎng)價(jià)相差50多元，也就是說《X形預(yù)制樁》性價(jià)比更高。

四、《X形預(yù)制樁》展望

1、《X形預(yù)制樁》最大的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)大尺度預(yù)制樁的錘擊沉樁。原因來自它的特殊結(jié)構(gòu)?！禭形預(yù)制樁》在截面等周長前提下投影面積比圓形管樁縮小近三分之一。這對(duì)大尺度樁的實(shí)施是非常有利的，之前大口徑樁大都采用鉆孔樁，污染大，效率低。因而采用混凝土預(yù)制樁是樁基工程的迫急需要，尤其是橋梁基礎(chǔ)樁，錘擊沉樁樁徑往往止于800mm。1000mm以上大口徑預(yù)制管樁市場(chǎng)都可生產(chǎn)但錘擊沉樁困難。因?yàn)橥寥纬珊髷D土效應(yīng)影響嚴(yán)重，沉樁阻力大大增加，故而多采取引孔跟鉆或勁性根植。

2. 同時(shí)樁體增粗后樁體的慣性也隨之大幅增加。以致超過1m粗的樁未達(dá)設(shè)計(jì)高程或未到收錘貫入度，往往即由于樁頂樁體被錘擊破碎而敗收。雖然采用預(yù)鉆引孔、樁內(nèi)排土以及“先攪后植”也能沉樁，但直接錘擊沉樁造價(jià)最為低廉。

而《X形預(yù)制樁》能從兩個(gè)方面較好解決上述問題，其一《X形預(yù)制樁》的擠土量只有同比圓形管樁的三分之一，沉樁阻力大幅度減少；其二《X形預(yù)制樁》由于截面積由相對(duì)薄壁的管樁向樁體中心內(nèi)縮成厚壁的方樁，耐錘擊打能力相應(yīng)提高，這又從另一層面有利于大口徑預(yù)制樁的沉樁。

3.《X形樁》與傳統(tǒng)圓管樁相比優(yōu)勢(shì)還在于單位材料所產(chǎn)生的承載力增幅明顯。承載力增加來自兩個(gè)層面，其一，樁體側(cè)表面積增加，側(cè)摩阻力相應(yīng)增大。其二，樁體端承力也有提升，因?yàn)槌龢扼w端面投影面積產(chǎn)生端承力以外，樁側(cè)凸緣由于樁底土體拱效應(yīng)作用，實(shí)際產(chǎn)生端承力的面積要大于樁端的投影面。

雖然《X形預(yù)制樁》的實(shí)踐僅進(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)，展望市場(chǎng)前景主要還是在于大口徑樁，尤其承受大剪力和彎矩的橋梁基礎(chǔ)樁，而現(xiàn)在缺少超過1m的圓形管樁單靠錘擊沉樁的工程實(shí)例，《X形預(yù)制樁》能為解決這一問題提供較好方法。

《X形預(yù)制樁》還可以與離心方樁相比，直接的經(jīng)濟(jì)效益就是用添加四個(gè)角籠成本多了不到20%，而承載力增加超過50%，這從《X形預(yù)制樁》的結(jié)構(gòu)圖上直觀可以看到。所以希望現(xiàn)在有能力的單位和企業(yè)能加大對(duì)《X形預(yù)制樁》研究開發(fā)的力度，盡早真正使其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。