黄河产业园滩涂地区的空心方桩应用

黄河产业园滩涂地区的空心方桩应用

许晓东,万鹏飞,宋文征,李铭华,任啸天

中建三局总承包公司

摘要：空心方桩即预应力混凝土空心方桩，具有施工速度快、价格低、承载力高、质量稳定、养护时间短、施工方便等特点，在东南沿海地区得到广泛应用。本文首先从理论上将空心方桩和管桩进行对比，阐述了空心方桩在贮存、运输、施工、承载力及截面的力学性能等特点，然后根据滨州市黄河产业园滩涂地区的工程实际应用，浅析空心方桩的适用性，及其带来的节材、减少环境污染等社会价值。

关键词：空心方桩的发展；空心方桩的性能；涂地区的空心方桩应用；空心方桩应用

一、空心方桩的发展和用途

桩基础本身是一种用来加固软弱地基，处理软硬不均或荷载分布不均地基的的深基础形式。按施工工艺可分为预制桩和灌注桩两种，按受力原理可分为摩擦桩和端承桩，计算应用按受荷状态可以细分为抗压桩、抗拔桩及抗剪桩。灌注桩一般作为民用住宅工程选用的经济桩型，但因钢筋混凝土沉管浇筑的工艺设计和施工，桩身质量难以保证，环境污染严重，随之产业升级转型，环保和提升工效成为控制成本的关键因素，预制桩已基本发展成为桩基市场的主流。

预制桩大力发展的时期，始于20世纪60年代日本开发了预应力离心管桩，而后经过改进设备和生产工艺，于80年代初又开始推广空心方桩，其主要在日本和西欧地区得到广泛应用，简称PHS桩，2000年之后，空心方桩的应用已经占据所有桩型市场份额的40%，也可见空心方桩的潜力和优势。

空心方桩与管桩相比，空心方桩继承了管桩的预制制造、预应力和施工方面的诸多优点，同时由于截面特性的差异，方桩在截面抵抗矩、竖向承载力、节省材料等方面表现出优势，尤其是摩擦型桩，同直径方桩竖向承载力约是管桩的1.2倍，承载力的提高，即代表着建筑材料和成本的减少。正是具备了这些优点，空心方桩才符合国家节能减排、可持续发展的战略方针，通过建设部科技推广认证，在工程上得以广泛应用。

二、空心方桩的性能

1、工艺生产

空心方桩即指先张法预应力方桩，是采用先张法预应力工艺和离心成型法制成的一种空心筒体细长混凝土预制构件，主要由正方形桩身、端头板和钢套箍等组成。其生产工艺：

空心方桩与管桩同属预应力空心桩，制作的工艺原理基本一样，都采用预应力混凝土用钢棒制作骨架，经预张拉、离心成型、普通蒸压后拆模、再进行蒸压养护等工艺过程，具有预应力高强混凝土的结构特性。

2、截面优点

预应力混凝土管桩和预应力混凝土空心方桩，两种桩型生产制作、力学特性基本一样，都适用于较高要求的建筑，拿来做类比参照。

（1）竖向承载力

在相同面积的实体形状中，圆形周长最小，即同截面混凝土条件下，方桩外表面积比圆桩大，因此，在土层中桩体周边的土摩擦力比圆桩要大得多，可以通过简单的计算说明。空心方桩外边长为D方，周长C方，管桩的外径为D圆，周长C圆。

若让二者的直径相等，则计算：

D方=D圆，C方=4D方，C圆=πD圆，

得C方=1.27C圆

在同等的地质条件下，对于外表面积相对较大的方桩，空心方桩产生的摩擦力较大，能提供的单桩承载力较高。对于以侧摩阻力为主的摩擦桩和端承摩擦桩的桩型，空心方桩占优势。

（2）材料成本

软弱地基深基础条件下，设计为摩擦型桩，理论计算分析400方桩和500管桩的承载力：

400方桩桩周长C方=4*0.4=1.6;

500管桩桩周长C圆=3.14*0.5=1.57。

因C方≈C圆，所以，理论计算两种桩型桩身侧摩阻提供的竖向承载力基本一样。

根据《预应力混凝土空心方桩》08SG360,选取400方桩，内直径220，计算混凝土截面积A混方=0.4*0.4-3.14*0.11*0.11=0.122

根据《预应力混凝土管桩》10G409,选取500管桩，壁厚100，计算混凝土截面积A混圆=3.14*0.25*0.25-3.14*0.15*0.15=0.1256。

若空心方桩的混凝土方量为1，管桩所用的混凝土方量为1.03，同时，桩与承台是不可分割的应用体，桩基承台一般采用钢筋混凝土结构，起承上启下，把墩身荷载传到基桩上。承载力基本一样，但是：

圆桩的直径D圆≈1.2D方，

以4桩承台为例，以国家规范承台桩之间中心距不小于4D计算：

圆桩承台面积A圆≈1.45A方，承台混凝土用量大大减少。

综上计算，方桩基础混凝土用量减少，节约了钢筋、水泥、外加剂等高能耗、高污染的原料，这方面贴合国家节能节材的可持续发展方针。

（3）运输成本

空心方桩为外方内圆形结构，运输中易绑扎、固定。管桩固定接触面积小，需要更可靠的固定措施，但是即便如此，管桩每年都有运输事故发生，可见其对运输的要求更加严格。同样，方桩的堆放也比管桩更加适宜，在标准规定中，空心方桩堆放层数不宜大于6层，但现场实际堆放层数至7层也没问题，吊装取用时，空心方桩更平稳，更安全。而管桩现场堆放层数过高，易发生滚落伤人安全事故，吊装取用也不方便。

空心方桩与管桩相比，相同的工作方式吊装堆放及运输的过程中，安全可靠度更高。

综上所述，相比于预应力混凝土管桩，预应力离心混凝土空心方桩具有桩身质量可靠、单桩承载力高、运输吊装轻便等优点，所以，自20世纪80年代作为建设部重点推广应用的科技成果以来，在我国的工业和民用建筑中迅速得到推广和应用。

三、滩涂地区与桩型选择

1、滩涂地区土质性状

以滨州市黄河科技产业园所属滩涂地区为例。

滨州市位于山东省北部、黄河三角洲腹地，全市境域横跨黄河两岸，地理坐标为：东经117°15'至118°37'，北纬36°41'至38°16'。东西最大跨境120公里，南北最大跨境175公里，总面积9444.65平方公里。滨州市地势南高北低，大致上由西南向东北倾斜，渐次过度到大海。滨州市位于黄河北岸,黄河冲积平原的上缘。

场地岩土工程方面分析，该地区地形较平坦，勘区属黄河下游冲积平原，上部为第四纪全新世沉积的土层，地层成层性较好，沉积物以粘性土、粉土为主，层薄且相互交错，场区平坦、开阔。

根据勘探的结果，按成因类型、形成时代、土层性质分析该区域地质，处地表杂填土外，土层从上往下基本为：黏土、粉土、粉质黏土，中等压缩性，土层均匀且厚，力学性质一般。

根据上述试验资料和本地区地质资料，场地土的类型为中软场地土，本场区场地覆盖层厚度大于50米，较为典型的软弱地基深基础特征。

2、滩涂地区桩型适用分析

（1）滨州市黄河科技产业园区滩涂地域的地质特征，以流塑、软塑的软弱地基为主，持力层常见黏土层、粉土层，深埋基岩。再根据前面的技术经济指标分析，可以得出，预应力混凝土空心桩尤其适用于这种软弱土层较厚的地基。

（2）进一步分析，取PHC-AB500(100)型管桩和PHS-AB400(220)型方桩做优劣对比：

①原材料方面，400的管桩截面积小，相应的混凝土和钢筋量都要少，在一定程度上节省了原材料。

②性能方面，400方桩与500管桩承载力接近，抗裂性能和抗弯性能较优；

③施工难易方面，方桩截面积小，挤土效应小，方便沉桩；

④运输方面，方桩更易于绑扎固定，有利于运输堆放和存放；

⑤基础工程造价，方桩承台尺寸小于管桩，根据桩基规范，桩心距按3.5D计算取值，如四桩承台，方桩承台最小尺寸3.5*400+400=1800，管桩承台尺寸3.5*500+500=2250，方桩承台是管桩承台的0.64倍（1800²/2250²），大大减少工程体量。

（3）滩涂地区预制桩工艺适用分析

预制方桩常采用锤击式和静压式两种施工工艺。

锤击法沉桩是利用桩锤的强大锤击能量和冲击力将预制空心方桩压入土中的一种工艺。施工通常采用柴油锤、液压锤，国内以柴油锤为主。锤击法应注意：①地质中存在石灰岩岩面或溶洞等因素，极易造成打桩倾斜、断桩。②遇到软弱地基中下卧有易剪胀隆起、透水性差饱和的粉土、细粉砂层，若采用群桩布置极易出现桩周隆起的现象。③没有过渡层，桩较快穿过极易穿透的软弱土层，极易出现拒打现象。若桩设计过长，还会造成桩身破坏。④锤击冲能对桩身造成损伤、裂纹，在贯入过程中也可能出现偏心情况而降低桩身强度和桩身承载力。

静压法沉桩是通过静力压装机的压桩机构，以压装机自重和桩架上的配重做反力，将预制空心方桩压入土中的一种沉桩工艺。静压法应注意：①静压法适用于高压缩性黏土层或砂性较轻的软粘土地基，不易穿透较厚且密实度较高的砂层及坚硬岩层。②挤土效应仍然存在，相比于锤击法，沉桩难度降低。③当地基持力层不均匀，起伏较大或中间存在硬夹层时，静压法的入土深度较难调节。

鉴于上述滩涂地区的地质特征，除了高压缩性软弱地基特征，中间没有过渡层，锤击法较快穿过软弱土层，会带来很多麻烦和桩身破坏的风险。中间没有砂层或坚硬土层，却更加有利于静压法沉桩工艺，还减少了锤击造成的桩身拉应力和裂纹，降低了桩身配筋要求，所以，静压法在滩涂地区软弱地基深基础概念中，得到设计广泛认可。另外，也减少施工中环境噪声污染，体现以人为本的工程设计理念。

四、结束语

黄河科技产业园滩涂地区，除了典型的软弱地基特征，还具备了土层较厚且均匀，在深度范围内无中密的砂层和硬质土层等特性，适配于混凝土预制桩，其中，预应力混凝土空心方桩继承了预制管桩的性能优点，通过理论分析，在截面特性上的差异，使空心方桩略占优势，包括静压法的施工工艺，在当地的设计和工程中得到广泛的认可和应用，并已经取得巨大的社会效益和经济效益。

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