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岑臧
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1 摘要 : 大量降低成本的 DH-PHC 复合式混凝土桩及其快速工法余韦庆 1 李胜男 2 张家齐 1 德翰智慧科技有限公司总经理 2 德翰智慧科技有限公司副总经理高苑科技大学土木工程系讲师 3 高苑科技大学土木系教授全套管桩工法 ( 贝诺托工法 Benoto method) 是目前信赖性高的深基础桩工法之一, 普遍应用在大型基础工程上, 例如桥梁工程高层建筑重要结构等 ; 但, 其仍有成本高昂工期长成桩质量不够可靠等缺失在多年研发后, 将全球最先进的 DH-PHC 复合式混凝土桩应用在大型基础工程上, 较之全套管桩工法, 可以使成本降低达 1/4~1/2 工期缩短达 1/2~2/3 成桩质量更稳定, 有利于工程承包方的投标竞争力降低成本及风险, 更有利于投资资金的回收速度及确保效益关键词 :DH-PHC 复合式混凝土桩, 全套管桩工法,Benoto, 贝诺托工法, 反循环桩工法, 德翰公司 3 The Significantly Cost-reduced DH-PHC Composited Concrete Piles and its Rapid Construction Method YU Wei-Ching 1, LEE Sheng Nan 2, CHANG Chia Chyi 3 1 General Manager of Dehan Intelligent Tech. Co. 2 Vice General Manager of Dehan Intelligent Tech. Co./ Lecturer of Department of Civil Engineering, Kao Yuan University 3 Professor of Department of Civil Engineering of Kao Yuan university ABSTRACT: The Benoto pile method is one of the highly reliable driving method of deep foundation pile, widely used in huge foundations of infra-structure projects, such as bridge engineering, buildings, and other important structures. However, it still have serveral missings in high cost, long duration, instability in pile quality. After years of research, the world's most advanced DH-PHC composite concrete pile in the large-scale infra-structure projects, compared with Benoto pile method, can be 1/4 to 1/2 down in cost, 1/2 to 2/3 down in constructive duration, and more stable quality. The DH-PHC composite concrete pile is competitive bidding in favor of contracting parties, reduce costs and risks, the recovery rate is more conducive to investment funds and ensure efficiency. KEYWORD: DH-PHC composited pile,benoto pile method, reverse pile method, Dehan p. 1

一前言 2013 年第三届中国国际桩与深基础峰会,DH-PHC 管桩针对目前的预应力混凝土管桩 ( 以下简称管桩 ) 的桩头处弱点进行工程技术改良的报告中 [1], 主要阐述 DH-PHC 管桩的桩头处理技术, 改善管桩与上部基础承台的接口 ( 见图 1-1) 2014 年第四届中国国际桩与深基础峰会,DH-PHC

管桩的确有很多优点德翰公司将管桩的这些优点, 并一起结合预制桩和场铸桩的优点, 加以整合为 DH-PHC 复合式混凝土桩 ( 以下简称 DH-PHC 复合式桩 ) 本文将会叙述 DH-PHC 复合式桩运用在桥梁工程类的重大基础上, 尤其限缩在陆地型的高架桥梁工程以便易于比较, 主要以当前盛行的全套管桩工法 ( 贝诺托工法

2 一前言 2013 年第三届中国国际桩与深基础峰会,DH-PHC 管桩针对目前的预应力混凝土管桩 ( 以下简称管桩 ) 的桩头处弱点进行工程技术改良的报告中 [1], 主要阐述 DH-PHC 管桩的桩头处理技术, 改善管桩与上部基础承台的接口 ( 见图 1-1) 2014 年第四届中国国际桩与深基础峰会,DH-PHC 管桩更针对管桩接桩处弱点进行工程技术改良 [2], 主要是 DH-PHC 管桩的接桩处理技术, 改善管桩与管桩间结构体的接口 ( 见图 1-2) 图 1-1 DH-PHC 管桩的桩头处理技术 [1] 图 1-2 DH-PHC 管桩的接桩处理技术 [2] 两种 DH-PHC 技术将管桩缺失都列举出来不容否认, 这种预制型管桩的确有很多优点德翰公司将管桩的这些优点, 并一起结合预制桩和场铸桩的优点, 加以整合为 DH-PHC 复合式混凝土桩 ( 以下简称 DH-PHC 复合式桩 ) 本文将会叙述 DH-PHC 复合式桩运用在桥梁工程类的重大基础上, 尤其限缩在陆地型的高架桥梁工程以便易于比较, 主要以当前盛行的全套管桩工法 ( 贝诺托工法 Benoto method) 反循环桩和其它相类似的混凝土桩工法作为比较的基础 DH-PHC 复合式桩技术主要的诉求在更低的成本更快的工期更好的质量更严格的人为疏忽控制 DH-PHC 复合式桩及其快速工法将可节省 1/4~1/2 的成本缩短 1/2~2/3 的工期, 并藉由预制管桩的优点提升工程质量降低现场监造监理的负荷及抑制人为误失发生 p. 2

3 二检讨当前盛行的几个基础桩工法的优缺点基础桩是用来取得更大的基础承载力的一种最可靠的方式之一近百年来发展出许多不同的基础桩方式, 主要有预制桩场铸桩二大类 2.1 预制桩预制桩自早期的木桩混凝土桩 (RC 桩 ) 发展至今, 最知名的莫过于预应力混凝土管桩 ( 即 PC 桩或更高强度的 PHC 桩 ), 拥有得更大承载力更安全的耐久性管桩施工法主要有锤击式压入式和埋入式 ( 或称植入式 ) (1) 锤击式管桩 : 源自上个世纪 1950 左右即已盛行的工法仿照最原始桩施工法, 以重锤击打方式, 将管桩打入土层最优异处是所有工法中成本相对低廉施工速度快本工法主要的困扰有环境噪音公害损邻问题, 以及在工程专业上的成桩质量问题在日本台湾等地, 几乎看不到此施工方式 (2) 压入式管桩 : 改良管桩的锤击式施工的工法, 除了改善环境噪音公害问题外, 其它的困扰似也无长足进步由于施工机械体积相当庞大, 有施工死角多施工缓慢等困扰 (3) 埋入式管桩 : 埋入式管桩改善锤击式管桩的缺失, 为低噪音公害低损邻成桩质量优良施工速度快, 但其施工成本也比锤击式管桩爆增约 4 成埋入式管桩虽改进了桩头裂纹及隐藏性裂纹的情形, 但仍未改善预制桩先天的接头困扰, 所以大部份重要工程桩基础 ( 如交通桥梁等 ) 都不会采用管桩作为基础桩今日, 埋入式管桩普遍地使用在日本台湾南韩等地区管桩作为一种工程市场最常见的基础桩, 是混凝土预制桩, 桩体是在管桩工厂中完成, 有许多优点 : (1) 成本较低 : 这是相对于其它材质种类基础桩而言, 例如钢管桩等藉由管桩工厂生产的优势, 如重复利用的钢模具充裕的生产机具甚至大型架空天车熟练的技术劳动工人就近独立的混凝土拌合场和钢筋加工厂等 (2) 质量稳定 : 管桩桩体皆在管桩工厂车间内完成 ( 见图 2-1) 比起工地粗糙的施工环境, 车间生产线环境控制良好生产机具吊具齐全钢模具精度高且重复使用人员工作安全疑虑较少等, 这意谓着 : 管桩桩体的质量相当优异且稳定工地场铸桩施工上, 常见的混凝土强度约只是 210~280 kg/cm 2 ( 近 C25~C30) 锤击式管桩桩体使用混凝土强度达到 800 kg/cm 2 ( 近 C80), 以便适应重型桩锤击打, 不致于产生桩头或桩身的破坏或裂纹埋入式管桩则使用强度达 500~800 kg/cm 2 ( 近 C50~C80) 的混凝土, 因不受桩锤击打, 故强度可以选择稍低些管控良釨的生产环境, 造就了可高达 800 kg/cm 2 (C80) 的高强度混凝土先拉法预应力钢棒的施拉多数具规模的管桩工厂都具有通过国家级认证的实验室及装备, 可快速提供更早期的出厂质量认证这样高强度的混凝土在工地施工上是不容易轻易达到的, 这个优点值得注意 p. 3

这优点值得注意图 2-2 在工厂中的管桩成品堆置情形 [4] (4) 预制桩体初期强度高 : 这是指在桩体出厂时或到达工地时或是在管桩施工时, 都具有相当高的强度当然, 这种初期强度也应该包含管桩在接桩时所使用的端板焊合的施工方式 ( 见图

4 图 2-1 在工厂中的管桩生产情形 [3] (3) 生产速度快 : 高度的规格化有助于生产的速度 ; 甚至可使用高温蒸气养护, 缩短其混凝土干硬时间 ; 不受天候影响的车间生产环境, 几乎可以 24 小时的作业的生产速度, 钢模具机具吊具的高度利用也加速生产, 高温蒸养装置也是功不可没基础工程市场大量的采用规格化的管桩产品, 有时也使得管桩变成一种工程材料市场中的现货, 可以被大量的生产或屯积堆置 ( 见图 2-2) 这样高速度的产能在工地场铸桩施工上是不容易达到的, 这优点值得注意图 2-2 在工厂中的管桩成品堆置情形 [4] (4) 预制桩体初期强度高 : 这是指在桩体出厂时或到达工地时或是在管桩施工时, 都具有相当高的强度当然, 这种初期强度也应该包含管桩在接桩时所使用的端板焊合的施工方式 ( 见图 2-3), 虽然端板焊接的耐久性是倍受质疑, 但在置入土层的施工期间, 使用焊条在端板焊接, 几乎可以立即形成强度 ( 在焊道冷却后, 约 15~30 分钟 ) 相对于场铸桩类, 需要相当长时间才有强度产生, 预制桩这样高的初期强度在场铸桩施工上是不易达到的, 这优点非常值得注意 p. 4

2.2 场铸桩 2.2.1 混凝土场铸桩的一些优缺点图 2-3 传统的管桩接桩处理情形 [4] 场铸桩, 简单说就是在工地上钻个桩孔, 将钢筋及混凝土放进去, 待干硬后, 即为成桩有着以下优点 : (1) 更高的尺寸弹性 : 尤其在深度方面甚至可达上百米长因为混凝土以桩孔壁土壤作为

所造成的总承载力更大, 使用在重大基础自有其道理 (4) 更适应恶劣地形及岩土条件 ( 地质条件 ): 几乎可以使用在任何地点和岩 / 土层当然, 也可以看到场铸桩的一些缺失 : (1) 更高的成本 : 依桩种可能会有高达 150%~300% 的成本差异 (2) 更长的工期 :

5 2.2 场铸桩混凝土场铸桩的一些优缺点图 2-3 传统的管桩接桩处理情形 [4] 场铸桩, 简单说就是在工地上钻个桩孔, 将钢筋及混凝土放进去, 待干硬后, 即为成桩有着以下优点 : (1) 更高的尺寸弹性 : 尤其在深度方面甚至可达上百米长因为混凝土以桩孔壁土壤作为模板, 桩的外径也比预制桩大, 自 1 米至数米都可以场铸 (2) 桩身无接桩问题 : 混凝土场铸桩采的是全长度的混凝土连续灌注一体成形, 全长并无接桩问题这是场铸桩最大优点, 也是使用在重大基础的原因 (3) 更大的承载力 : 场铸桩比预制桩来的更深更大, 桩端承载力 + 桩身摩擦力所造成的总承载力更大, 使用在重大基础自有其道理 (4) 更适应恶劣地形及岩土条件 ( 地质条件 ): 几乎可以使用在任何地点和岩 / 土层当然, 也可以看到场铸桩的一些缺失 : (1) 更高的成本 : 依桩种可能会有高达 150%~300% 的成本差异 (2) 更长的工期 : 地下基础桩的施工工期是工程中最早开始及最消耗的, 常会影响或迟延整体工期 (3) 桩身质量差 : 桩身混凝土含泥量过高桩身的缺陷问题这是工程中最易导致失败的部份之一, 也最容易造成监理监造上的困扰和人为疏失 (4) 桩头处理的工序一样无法避免 : 场铸桩的现场灌注混凝土, 顶部浮沫问题一向都无法克服 p. 5

6 2.2.2 混凝土场铸桩的一些桩型场铸桩型式众多, 本文举二种混凝土场铸桩工法作为比较 : 反循环桩工法 (Reverse method) 全套管桩工法 ( 贝诺托桩 Benoto mothod) (1) 反循环桩工法 : 反循环桩工法由德国在 1959 年开发成功,1962 年引进日本 [5][6] 反循环桩主要缺失有 : 沈泥问题钢钢笼的偏斜桩孔周壁崩塌桩孔底端扰动等 [5] 尤其是桩孔含泥量过高及桩身缺陷等问题最是头痛反循环桩工法是较早期发展出来的钻掘桩工法, 由于成桩质量问题, 在台湾工程市场上近二十年来已极少施作但, 反循环桩工法是深基础钻掘桩主要工法来源之一, 成本也是钻掘桩中较为低廉的 (2) 全套管桩工法 : 全套管桩工法是场铸桩工法中信赖性相当高的工法, 其原因乃在于使用了全套管的施工方式, 使桩孔壁稳定度提高, 无孔壁崩坏之虞 [5] 其缺失乃在于施工设备复杂, 施工费用高, 工程稍慢等 [5] 而在混凝土灌注时, 一面拔出钢套管, 仍会使桩底的含泥量偏高许多当桩深度太深时, 常因钢套管无法拔出而须就地抛弃, 造成施工成本偏高目前台湾地区, 举凡重要桥梁的基桩, 由于外径大 ( 约 1.2~2.5 米或以上 ) 桩身长 ( 约 30~50 米或更长 ), 皆仍采用全套管桩, 就是因为全套管桩工法的成桩质量优良安全性高的特性 (3) 半套管桩工法 : 因应全套管桩工法容易卡管 ( 钢套管 ) 而导致施工成本高昂, 也发展出半套管桩工法, 即是采用局部深部的钢套管, 降低套管施工成本, 提高施工后拔出钢套管的成功机率但半套管桩工法并非全深度采用钢套管施工, 桩身的缺陷可能性大增和桩身混凝土含泥量过高是无法避免全套管桩工法类的主要缺失 : 桩身含泥量过高 ( 质量差 ) 工期太长成本过高监督不易周到三 DH-PHC 复合式混凝土桩结合了 DH-PHC 桩头处理技术 [1] 和 DH-PHC 接桩处理技术 [2], 更进一步发展为 DH-PHC 复合式桩及其快速工法 DH-PHC 复合式桩主要在改进预制管桩和场铸桩的缺失, 并强化它们的优点, 也就是结合预制桩及场铸桩的优点 3.1 DH-PHC 复合式桩的技术组成主要有二阶段 : 工厂预制阶段工地施工阶段 DH-PHC 复合式桩的工厂预制阶段 : DH-PHC 复合式桩的主要桩体都是在管桩工厂中预制原则上,DH-PHC 复合式桩体可说是管桩的改进型态, 在管桩中空内孔中加入了许多水平钢筋, 在管桩混凝土投料离心成形干硬后, 即成为固定且外露在中空内孔的钢筋件 ( 见图 3-1) DH-PHC 复合式桩大量采取管桩的许多工厂预制优势 : (1) 成本低 p. 6

(2) 生产速度快 (3) 桩质量量优良在 DH-PHC 复合式桩体制作上仍需投入人工进行管桩中空内孔中水平钢筋的绑扎组立工作会略增成本(见图 3-2) 这点和在

在本文中讨论的是以高架桥梁的大型基础桩为主所以 DH-PHC 桩将都是大尺寸的管桩类中空内孔中水平钢筋都是呈现井字型偏向中空内孔周围的排列方式(见图 3-3)

DH-PHC 技术点特别为大尺寸 DH-PHC 复合式桩设计的藉由内孔中的水平钢筋偏向外侧布置预留管桩中央矩形空间供未来工地特密管灌浆施工之用例如

7 (2) 生产速度快 (3) 桩质量量优良在 DH-PHC 复合式桩体制作上仍需投入人工进行管桩中空内孔中水平钢筋的绑扎组立工作会略增成本(见图 3-2) 这点和在发表的 DH-PHC 桩头/接桩处理技术是相同的(见图 1-1,图 1-2) [1][2] 但更成熟完整特别值得注意的是在本文中讨论的是以高架桥梁的大型基础桩为主所以 DH-PHC 桩将都是大尺寸的管桩类中空内孔中水平钢筋都是呈现井字型偏向中空内孔周围的排列方式(见图 3-3) 而非是像在的 DH-PHC 桩头/接桩处理技术[1][2] 偏向在中间十字交叉的排列方式(见图 3-1,3-4,1-1,1-2) 这也是改良自 DH-PHC 技术点特别为大尺寸 DH-PHC 复合式桩设计的藉由内孔中的水平钢筋偏向外侧布置预留管桩中央矩形空间供未来工地特密管灌浆施工之用例如当使用管桩体外径达 1.0 m 以上时这个空间足有近 50*50 cm 用途相当的大图 3-1 DH-PHC 桩中空内孔的水平钢筋情形之一种图 3-2 工厂中 DH-PHC 桩中空内孔的水平钢筋绑扎组立情形之一种 p. 7

图 3-3 DH-PHC 复合式桩体中空内孔的水平钢筋布置情形图 3-4 DH-PHC 桩内孔十字交叉水平钢筋情形 [1]

(这概念是采自管桩施工方法) (2) 使用埋入式施工方法可确保预制管桩不会产生裂纹等影响长短期质量的缺失

8 图 3-3 DH-PHC 复合式桩体中空内孔的水平钢筋布置情形图 3-4 DH-PHC 桩内孔十字交叉水平钢筋情形 [1][2] DH-PHC 复合式桩的工地施工阶段复合式桩的工地施工阶段当 DH-PHC 复合式桩的预制桩体运至工地后即可进行置入土层的作业 DH-PHC 复合式桩的置入土层作业乃是大量采用类似埋入式管桩施工方法施工的几个重点概念 (1) 将预制的管桩组立接桩施工速度快 (这概念是采自管桩施工方法) (2) 使用埋入式施工方法可确保预制管桩不会产生裂纹等影响长短期质量的缺失埋入式管桩是目前最能确保管桩体质量的工法沈桩深度的准确度相当优良 (±5 cm) (这概念是采自埋入式管桩施工方法) (3) 利用管桩体中空内孔的空间在工地插入垂直钢筋(组)和灌注混凝土配合预置于内孔的水平钢筋形成完整的钢筋混凝土结构物并进一步和上下管桩形成更稳固的基础桩结构这即是形成复合式的基础桩型式预制式桩+场铸式桩旳复 p. 8

9 合施工型式 (这概念是采自 DH-PHC 桩头和接桩技术[1][2]) (4) 高度利用已具初期强度的管桩桩壁作为工地灌注混凝土的模板确保场铸混凝土的含泥量降至最低 (这概念是采自管桩预制接桩焊接和全套管桩工法) 3.2 DH-PHC 复合式混凝土桩的施工工序简介复合式混凝土桩的施工工序简介以下是 DH-PHC 复合式混凝土桩的施工工序(其中一种) (1) 临时工作孔阶段 (以二节桩为例) 利用临时工作孔将运抵工地的预制管桩予以第一次组合 (见图 3-5) 为方便解说图 3-5 只使用了一个临时工作孔当然可以将焊接后的管桩体移至另一更深的临时工作孔以便利灌注填芯混凝土图 3-5 DH-PHC 复合桩的临时工作孔施工工序 (2) 正式桩孔阶段将第一次组合完成的管桩予以沈桩入正式桩孔 (见图 3-6) p. 9

10 图 3-6 DH-PHC 复合桩的正式桩孔施工工序上述工法是利用在临时工作孔中组合完成的 DH-PHC 复合式混凝土桩成品再将之沈桩入正式桩孔中等待混凝土干硬即完成桩作业此方式较适用在完成长度较短的桩当然也可以因应工地岩土性质或桩长度使用其它的施工方法进行植桩作业例如当桩长超出 40 m 时或可实行下列方式 (1) 临时工作孔阶段 (见图 3-7) 图 3-7 DH-PHC 复合桩的临时工作孔施工工序 (2) 正式桩孔阶段 (见图 3-8) p. 10

11 图 3-8 DH-PHC 复合桩的正式桩孔施工工序上述工法只是将图 3-5 图 3-6 的工法予以变化而已但可以适应不同的工作要求例如尽量使大量的工作保持在近地面作业对现场工作者安全也有较佳的保护这种方式非常适合在冲积层土层中(常见于沿海城市)施作其它仍有许多不同的施作工法可行例如或者土层的岩土石条件(或称地质条件) 较严苛时例如遭遇砾石土层或破碎岩层等钻孔机具也可以使用抓斗机械取土或加设置钻头钻齿以破坚铲土正式桩孔也用钢套管加以保护这是相当类似全套管场铸桩工法的引用这些都是目前普遍使用在土木工程上的桩孔钻掘方式四 DH-PHC 复合式混凝土桩的优点 DH-PHC 复合式桩综合预制桩和场铸桩的特点创造出兼具二者优点也尽力克服二者缺失的桩种 4.1 DH-PHC 复合式混凝土桩的竞争优点 (1) 桩体质量佳 A. 预制管桩桩体质量佳此乃管桩特长除特殊应用外基础桩主要是以承受垂直压力为主多数都是由混凝土所承担利用工厂预制特性可制造出高达 800 kg/cm2 (C80)高强度混凝土的管桩体作为桩的主体比起场铸桩而言这样的高强度混凝土简直可以说是梦寐以求的而管桩体藉由预力钢棒施加预压应力到混凝土上更可以增加桩体对地下土层环境的耐久力这也是许多场铸桩所不及的 B. 现场混凝土灌注质量佳 p. 11

利用管桩壁作为填芯混凝土的模板, 质量特好, 且无须多加钢套管保护桩孔壁除了节省套管施工时间外, 也没有钢套管拔不出来的成本耗损

管桩接桩处质量佳 : 管桩接桩处是管桩的一大弱点, 在图 4-1 中可以见到管桩接桩的缺失, 这也是管桩无法使用在重大基础桩的主要原因之一

且接点上不易出现上述的缺失, 故重大基础桩多采用场铸桩 DH-PHC 复合式桩延伸利用了 DH-PHC 接桩处理技术 [2],

12 利用管桩壁作为填芯混凝土的模板, 质量特好, 且无须多加钢套管保护桩孔壁除了节省套管施工时间外, 也没有钢套管拔不出来的成本耗损在场铸的全套管桩中, 桩底部混凝土的高含泥量一向都是施工失败的最大征结在使用管桩壁作为混凝土模板, 这个缺失是可以完全的被排除 C. 管桩接桩处质量佳 : 管桩接桩处是管桩的一大弱点, 在图 4-1 中可以见到管桩接桩的缺失, 这也是管桩无法使用在重大基础桩的主要原因之一这些重大基础的使用年限要求大多是 100 年或更久, 几乎无法接受传统管桩的缺失相对的, 场铸桩的长度上可以延伸相当长, 且接点上不易出现上述的缺失, 故重大基础桩多采用场铸桩 DH-PHC 复合式桩延伸利用了 DH-PHC 接桩处理技术 [2], 当接桩处的管桩填芯混凝土经养护后, 接桩部位即由填芯混凝土垂直钢筋及管桩桩壁的高强度混凝土桩中空内孔预置的水平钢筋相互形成一个稳定的钢筋混凝土结构体形态 ( 见图 4-2) 图 4-1 传统管桩接桩接头可能遭受锈蚀的影响 [2] p. 12

13 (2) 成本低 : 图 4-2 DH-PHC 管桩的接桩处理示意 [2] 例如, 在外径 1000 mm 内径 720mm 的 DH-PHC 复合桩的管桩接桩处中空内孔的垂直钢筋采用了 28 支直径 35mm 降伏强度 4200 kg/cm 2 (412 N/mm 2 ) 的竹节钢筋, 及抗压强度 280 kg/cm 2 (27 N/mm 2 ) 的填芯混凝土即使在接桩处锈蚀的情形下, 仍能提供 : 抗拉力 = 轴向连结钢筋数 * 钢筋断面积 * 钢筋强度 =28 支 *(π/4*3.5 2 )*4200 kg/cm 2 = 约 1131 ton, 以及更高的抗压力即使只存在接桩处的填芯混凝土抗压力 =(π/4*72 2 )*280 kg/cm 2 = 约 1140 ton ( 以上未计入强度折减 ) 这样的接桩处理方式彻底解决管桩接桩的缺失, 也为取代场铸桩提供了一个良好解决方案 D. 管桩的桩头接点处质量佳 : 管桩的桩头处理也是管桩的另一大弱点, 传统管桩只使用了简单的膨胀混凝土的摩擦力作为和上方基础承台的接续, 不足以作为稳定结构的一部份 DH-PHC 复合式桩利用 DH-PHC 桩头处理技术 [1], 使用相同技术改善桩头缺失由于 DH-PHC 复合式桩的桩头改善措施, 仍有一些不足的地方, 例如桩头的弯矩承担容量会降低, 但只要适当地改变桩的设计模式, 偏向铰接方式 (hinge type) 的设计方式, 即可满足 ; 相对省下的成本和工期, 相当值得 E. 管桩中空内孔的钢筋混凝土结构质量佳 : 略不同于 2013~2014 年的 DH-PHC 桩头处理 [1] 和接桩处理 [2] ( 见图 1-1 图 1-2) 仅止于管桩端头部位的续接,DH-PHC 复合式桩采用了在管桩内孔中完全不中断的垂直钢筋和填芯混凝土灌注, 不会造成力量传递时的曲折情形及应力集中利用管桩壁作为填芯混凝土的模板, 几乎可以排除传统场铸桩含泥量过高且不易控制的情况由于大型基础桩的尺寸长度岩土条件都存在有相当大的差异, 成本比较上会有相当大的变异 DH-PHC 复合式混凝土桩的成本将可以降低达 1/4 的短期目标而当 p. 13

14 各方面的工程技巧日趋成熟 ( 含施工重机械的开发 ), 相信将可降低达 1/2 的长期目标 (3) 工期短 : DH-PHC 复合式桩工期短主因有二 : A. 管桩的工厂快速预制模式 : DH-PHC 管桩 [1][2] 是 DH-PHC 复合式桩最主要组件由于 DH-PHC 复合式桩大量地采用管桩工厂制造模式, 生产速度快, 可说是快速地产生大量的半成品公路交通日趋完善, 也使 DH-PHC 管桩的运输速度大量提升, 这些都足以达到缩短工期的要求这在华北华东华南地区的竞争优势更加明显 B. 工地桩孔钻掘速度快 : 实际上, 这是类似埋入式管桩施工法的模式, 直接以钻杆钻孔施作反循环桩是因成桩桩体泥量实在太高, 而遭到淘汰的在全套管桩中必须使用钢套管的主因是为保护桩孔壁土壤不致崩塌或导致含泥量过高, 但如此不但会增加成本, 且施作工期加长 DH-PHC 复合式桩采用以管桩桩壁作为场拌混凝土的模板, 无须保护桩壁土壤, 故可直接使用效率相对高的螺旋钻掘机进行钻孔, 工期会达到缩短 1/3 的短期目标, 长期目标则是工期缩短 2/3 C. 初期强度相当高且形成速度快 : DH-PHC 复合式桩以管桩作为主要的组件, 可以拥有相当高的初期强度, 意即当管桩运抵工地时桩体即已具有相当的强度事实上, 这是类似钢管桩的模式, 只是以预应力混凝土管桩材料取代钢管而已其次, 利用管桩端板焊接方式所进行的管桩结合, 在接桩处 15~30 分钟左右的焊接冷却后, 即可使管桩接桩具有相当高的结合强度, 使吊装等操作都可进行无虞, 工期当然会缩短在接桩处端板和焊道开始锈蚀前 ( 具体仍需数年至十数年的时间 ), 管桩中空内孔中的钢筋混凝土早已干硬形成强度, 这也克服了场铸混凝土桩多需要约 28 天时间以上才足以形成强度的困扰 (4) 质量检查确实且容易 : DH-PHC 复合式桩主要组件预应力管桩是在工厂生产, 可直接在工厂查验而 DH-PHC 复合式桩的场拌的填芯混凝土是以管桩壁作为模板, 使用特密管灌浆, 含泥量极低, 质量查验也相当容易现在钻掘机施工的桩孔平直度及尺寸都可以良好控制, 所有的桩材施作都是处在良好质检的情形下 4.2 DH-PHC 复合式桩的一些技术点 (1) DH-PHC 复合式桩的桩头弯矩承受 : DH-PHC 复合式桩由于使用了预制管桩作为一重要组件, 在桩头处扣除掉管桩桩壁厚度后, 所余的空间较小, 这会形成桩头在承接弯矩力量时的降低将桩头承力方式由刚接模式 (Fixed type) 改变为铰接模式 (Hinge type), 通常管桩的预制长度可达到 16~18 m, 意即第一个接桩点将会是在基础承台底部 16 m 以下, 在这的土层深度下, 由侧向力引起的弯矩消散的相当快张嘉德氏引 Y.L.CHANG 依据弹性理论之半无限长梁的解法, 对基桩各部的位移及弯曲力矩整理 ( 见图 4-3)[7] p. 14

15 图 4-3 基桩各部的位移及弯曲力矩 [7] (2) DH-PHC 复合式桩的中空内孔的垂直钢筋插入施工 DH-PHC 复合式桩应用于大型基础桩长都特别深在台湾西部平原地区高架桥梁基础桩深度多维持在 40 m 左右为主要在这么深的内孔中插入垂直钢筋实属不易钢筋间隔不易控制钢筋吊起的高度也高 (见图 4-4) DH-PHC 复合式桩的内孔垂直钢筋可采用多支钢筋组成的钢筋排片(或 2 支以上成束非钢筋笼方式) (见图 4-5 图 4-6) 由间隔设置(如间隔 4 m 等)的水平系筋予以固定垂直钢筋的间隔一次性插入内孔中除可较准确固定垂直钢筋间隔也节省施工时间尚可配合由钢筋或光面钢筋的护耳类似于全套管的钢筋笼护耳以确保与管桩壁的距离即钢筋混凝土保护层的厚度 p. 15

16 图 4-4 管桩内孔中各自独立的垂直筋图 4-5 管桩内孔中的垂直筋组片图 4-6 管桩内孔中的垂直筋组片 4.3 DH-PHC 复合式混凝土桩预期的成效 DH-PHC 复合式混凝土桩预期的成效整理摘要见表 4-1 表 4-1 DH-PHC 复合式桩的成本控制目标与全套管桩比较 p. 16

17 项次比较品项 DH-PHC 复合式桩说明 1 成桩质量优高度仰赖管桩工厂预制主要的桩体 ; 工地成桩含泥量极低, 成桩质量远高于场铸桩 2 成本短期 : 降低 1/4 长期 : 降低 1/2 3 工期短期 : 缩短 1/3 长期 : 缩短 2/3 待工地施工技术陆续成熟配合更多型式的施工机械陆续开发出来后, 长期可望达到 1/2 的成本降低目标 [ 注 1] 例 : 外径 1.2m 40m 长的传统全套管桩, 施工速度约 1 支 /2 天 DH-PHC 复合桩, 施工速度可达 4 支 /1 天此外, 耗用大量的施工工期必会造成人工机具的成本及租金大量增加相同待工地施工技术续成熟配合更多型式的施工机械陆续开发出来后, 长期可望达到 1/2 的成本降低目标 4 监理及质检易不易有人为疏失注 1: 由于 DH-PHC 复合式桩及是新工法, 仍待工地施工技术陆续成熟配合更多型式的施工机械陆续开发出来后, 长期目标才可望达到五 DH-PHC 复合式混凝土桩在工程领域的市场应用与商业价值管桩技术自约六十年前开始, 已臻成熟, 至今未有突破性的技术发展继 DH-PHC 管桩桩头处理技术 [1] 接桩处理技术 [2] 后, DH-PHC 复合式混凝土桩及快速工法重新组合预制桩和场铸桩的优点本文主要以陆地型的高架桥梁基础桩为讨论标的, 主要着眼在大量降低成本大幅缩短工期高密度提升质量, 相信会使土木承包商在工程竞标及市占上取得更有利的地位在许多的大型桩基础上, 在不降低质量及成本的情形下, 如何大量的缩短工期将成为工程市场的重要决胜点, 除了承包商能有更佳的财务操作的快速周转能力, 也会使投资方的投资能迅速启动回收的开始点降低投资风险在高架桥基础桩工程中, 虽不可能全然由 DH-PHC 复合式桩取代全套管桩, 但只要能有其中六七成的取代, 便会使工程效益大幅呈现, 特别是在必须快速施工的工程案件中, 如抢修工程等, 这都是 DH-PHC 复合式桩极为看好的领域这中间许多的技术细节仍待与工程同业及前辈们加以实地探讨及切磋研究时代不断向前, 当工程技术未臻进步时, 多数的艰困工程多只能仰赖投入大量且廉价的技术人力和基层劳动力或漫长工期, 以期降低成本或完成使命有时, 甚至必须犠牲工程的质量, 或是犠牲 ( 或故意忽视 ) 长期不确定的工程质量而形成建筑物有效使用寿命的大量缩短和大型灾害发生的隐患 DH-PHC 复合式桩, 的确在工程质量成本工期上都有大量的优势在此, 我们也可以看到新工程技术的研发, 至少都需要投入三年以上或更长的时间, 足以造成竞争者的技术障碍或执行障碍, 对于企业竞争力及占据市场会有大幅的帮助, 尤其在数额极大的艰困或大型工程上 p. 17

18 更进一步,DH-PHC 复合式混凝土桩将会继续在涉及河流或海洋或其它更新的基础桩领域加以应用研发及发表参考文献 : [1] 张家齐刘文宗等 (2013), DH-PHC 钻掘植入式预力基桩之桩头处理技术应用, 第三届中国国际桩与深基础峰会论文集 pp.197~206, 中国上海市 [2] 李胜男张家齐刘文宗 (2014), DH-PHC 管桩技术在管桩接头及桩头节点的最新运用, 第四届中国国际桩与深基础峰会论文集 pp.111~123, 中国上海市 [3] 东阳建设实业股份有限公司 (2010), 预力基桩产品目录 p.18, 台湾嘉义县 [4] 新晟水泥制品股份有限公司 (2010), 预力基桩产品目录 p.6~8, 台湾台南市 [5] 石正义林文琪译 (1991), 场铸基桩工法施工指南,pp.57~162, 詹氏书局, 台湾台北市 [6] 林永光郭晋荣吴立华 (1995), 反循环基桩施工与质量管理 pp.15~26, 地工技术杂志第 52 期, 台湾台北市 [7] 张嘉德 (1983), 沈箱与桩基桩的设计 pp.177~182, 中华顾问工程司图书数据室, 台北市 p. 18

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