《X形预制桩》初探
混凝土 沈保汉 刘兴旺 张日红 陆建华 2020-12-25
简介：本文简要回顾了异形桩及《X形桩》研发历史，介绍了《X形预制桩》的前期实践，并展望《X形预制桩》的前景。
问题的提出：
本文开头先提出一个问题：一米直径的混凝土管桩能直接用打桩机打下去吗？答案是不行。奇怪了，这种外行看似简单的事难道还没法解决吗？原因主要是混凝土预制桩的历史只有短短几十年，而桩型及配套沉桩机具研发验证极需时日，暂且回顾一下管桩的历史。
一. 预制桩和异形桩的历程
离心法生产混凝土预制管桩自上世纪60年代由日本发明，开始是制作圆管桩，后来发现用此法也可以生产方桩，性价比更高。故圆管桩使用量逐年减小，至本世纪初日美两国离心方桩已经占所有桩型的35——40%。我国上世纪80年代引进管桩生产线，离心方桩则是由上海中技桩业在国内首先生产，自此混凝土预制桩基本上“非圆即方”。
众所周知异形桩具有较好的性价比。国内异形桩自上世纪末由山东省河务局牟玉玮总工首创，当时是用组合架将圆形钻孔桩简单组合成异形桩，此后各种现浇异形桩纷现。主要有《薄壁筒桩》和《Y形灌注桩》。其中《薄壁筒桩》是河海大学刘汉龙教授采用双层同心圆管桩模形成筒形沉管灌注桩，而《Y形灌注桩》是由我国工程界著名专家陆祖荫发明，其断面形状为三段弧线弧面向内组成的曲边三角形（如图1），《Y形灌注桩》首次应用于申苏浙皖高速，继而在申嘉湖及杭浦三条高速公路推广应用超过卅万米。应用结果表明：（摘自2006年浙江省科技厅申苏浙皖Y形桩成果鉴定）Y形桩是一种经济合理、技术可行的高速公路深厚软基处理方法，既保持了沉管灌注桩施工快捷、价格低廉的优势，又在等工程量前提下大幅提高桩基的承载能力，降低了基础造价。可使其比预应力管桩节省成本20-25％，因此取得了良好的经济效益和社会效益，具有广阔的推广应用前景。《Y形灌注桩》两次获得省部级科技进步一等奖，并获批国家工法。
因为桩基技术的发展已经将大尺度预制桩的应用摆到了工程技术人员面前。中铁上海设计集团刘建红院长在最新研究结果《铁路桥梁大直径管桩适用性对比分析》里总结：
1)钻孔桩适用于所有地质，但施工工艺复杂，易造成施工环境污染。管桩预制化程度高，施工速度快，不同工艺适用地层范围不同，需根据场地条件选择合适的施工工艺。
2)3种沉桩工艺中：打入桩单价最低；劲性复合管桩次之，基本与同桩径钻孔桩持平；跟钻法略高于同桩径钻孔桩单价。
3)砂性土工点：打入桩经济性最好，劲性复合桩次之，跟钻法与钻孔桩相近。黏性土工点：劲性复合桩较钻孔桩有较好经济性。
二. 《X形预制桩》研发过程
继《Y形灌注桩》之后河海大学刘汉龙教授又发明出《X形现浇桩》，不但在苏闽等地高速公路得到大量应用，更进一步延伸应用于高铁工程，取得了显著的经济效益和社会效益。2017年住建部颁布了现浇X形桩复合地基技术规程（JTG/T 402-2017），同期住建部还颁布了预应力混凝土异形预制桩技术规程（JTG/T 405-2017），为以后异形预制桩更有了规范参照。
此前仅浙江地区就出现了三种《竹节桩》，一种是天海集团周兆弟先生发明。它在普通园形管桩桩模内附加凸块，靠它在圆形管桩侧表面上印成30mm深的条块状凹陷，一米一段，四侧均布。再有宁波中淳张日红先生发明的《静钻根植桩》。它是在普通圆形管桩外表面上增加 8——10 mm高的环状凸缘，一米一环。这种桩形状更近似竹节，后者在沉桩工艺及设备方面更有独创，故取名《静钻根植桩》。此后还出现了《竹节方桩》。
其实《X形预制桩》以前也有人研究过，如天津周玉明，温州管自立，但现在陆氏父子研发的不同于以上几种。它是融合了《X形现浇桩》和离心预制方桩的新型X形桩。虽然它像《X形现浇桩》凸缘也是纵向布置，但它的凸缘偏尖，更有利的是它可以预制。
《X形预制桩》具体是在方桩四条纵向侧楞基础上，沿对角线方向再向外拓延十几公分。外形很像钉鞋子用的“秋皮钉”，发明人称这种桩就是一根“水泥大鞋钉”。异形桩预制化工厂化生产，无疑将给异形桩发展开辟出一片广袤市场。因为《X形预制桩》只需在现有离心方桩工艺基础上稍作改动即可。
以上可见《X形预制桩》是在吸取现有各种混凝土预制桩及异形桩优势的基础上应运而生的。
三. 《X形预制桩》的实践
《X形预制桩》实践要解决的主要问题：
1、桩型及桩模的设计，《X形预制桩》截面设计主导思想是离心用的模具要尽量利用现有圆形管桩模具，同时又要将异形X桩的中心主体方桩纳入现有离心方桩系列，这样便利端头板和钢筋笼的通用化，因此《X形预制桩》内外尺寸都向现有管桩方桩标准靠拢。
在桩侧面积相同的情况下《X形预制桩》比圆桩和方桩具有更大的惯性距。而且《X形预制桩》还具有较大的周长面积比，即与同截面面积的圆形桩或方形桩的截面惯性距之比与ɑ和θ呈正比例关系、与S呈反比关系。因而可大大提高单桩承载力和抗弯能力。
2、桩模及桩体的制作，
之前离心方桩就是在普通圆形管桩模具内增加4块平板衬板，形成“外圆内方”的效果。现在《X形预制桩》则是将4块平板换成相对应的梯形板。这样制成的《X形预制桩》桩中心部位是一根方桩，端头板及钢筋笼可套用系列方桩，适应已有打桩施工机具和工艺。
3、钢筋笼的制作，
《X形预制桩》主钢筋笼完全等同方桩的方形笼，但只在四个笼角放四根预应力主筋，另外的四根主筋移到四个角笼上了。角笼为等腰三角形，每个顶角放一根主筋，这就使得《X形预制桩》的四个角的钢筋混凝土也作为桩体部分材料，增加了X形桩的荷载能力。
4、现场试验《X形预制桩》离心法生产X形桩取得成功后，在申嘉湖西延工程一标现场进行了试验。试验目的：一是检验施工机具的现场适应性，二是与常规管桩作承载力对比。（1）静压法顶压沉桩只需将桩顶压套与桩顶适配。抱压则需使夹头适应《X形预制桩》，本次采用300型静压桩机随机配有方桩及圆桩两种夹具，方桩夹头宽度150mm正好嵌入《X形预制桩》桩侧面凹陷部位，沉桩顺利。（2）承载力测试结果申嘉湖高速公路西延工程原设计使用400mm竹节桩（周长1.338m），X型桩外径600mm，周长1.861m，理论上侧摩阻力X桩大39%，实测为25%。 另有一次试验是在在杭州第二绕城公路连接线二标一个500mm 管桩50x 22m桥头加固区红线外打了三根400mm《X形预制桩》试桩，桩长45m，采取顶压沉桩，虽然没能进行测试，但沉桩过程中三根试桩有两根发生“抬架”，就是说压桩机重量已经不足以把桩压下去了，而现场工程桩发生“抬架”的现象却并不多。这个例子客观地说明400mmX形桩的承载力要大于500mm圆形管桩。更有意义的是两种桩的市场价相差50多元，也就是说《X形预制桩》性价比更高。
四、《X形预制桩》展望
1、《X形预制桩》最大的优势在于可实现大尺度预制桩的锤击沉桩。原因来自它的特殊结构。《X形预制桩》在截面等周长前提下投影面积比圆形管桩缩小近三分之一。这对大尺度桩的实施是非常有利的，之前大口径桩大都采用钻孔桩，污染大，效率低。因而采用混凝土预制桩是桩基工程的迫急需要，尤其是桥梁基础桩，锤击沉桩桩径往往止于800mm。1000mm以上大口径预制管桩市场都可生产但锤击沉桩困难。因为土塞形成后挤土效应影响严重，沉桩阻力大大增加，故而多采取引孔跟钻或劲性根植。
2. 同时桩体增粗后桩体的惯性也随之大幅增加。以致超过1m粗的桩未达设计高程或未到收锤贯入度，往往即由于桩顶桩体被锤击破碎而败收。虽然采用预钻引孔、桩内排土以及“先搅后植”也能沉桩，但直接锤击沉桩造价最为低廉。
而《X形预制桩》能从两个方面较好解决上述问题，其一《X形预制桩》的挤土量只有同比圆形管桩的三分之一，沉桩阻力大幅度减少；其二《X形预制桩》由于截面积由相对薄壁的管桩向桩体中心内缩成厚壁的方桩，耐锤击打能力相应提高，这又从另一层面有利于大口径预制桩的沉桩。
3.《X形桩》与传统圆管桩相比优势还在于单位材料所产生的承载力增幅明显。承载力增加来自两个层面，其一，桩体侧表面积增加，侧摩阻力相应增大。其二，桩体端承力也有提升，因为除桩体端面投影面积产生端承力以外，桩侧凸缘由于桩底土体拱效应作用，实际产生端承力的面积要大于桩端的投影面。
虽然《X形预制桩》的实践仅进行了小规模试验，展望市场前景主要还是在于大口径桩，尤其承受大剪力和弯矩的桥梁基础桩，而现在缺少超过1m的圆形管桩单靠锤击沉桩的工程实例，《X形预制桩》能为解决这一问题提供较好方法。
《X形预制桩》还可以与离心方桩相比，直接的经济效益就是用添加四个角笼成本多了不到20%，而承载力增加超过50%，这从《X形预制桩》的结构图上直观可以看到。所以希望现在有能力的单位和企业能加大对《X形预制桩》研究开发的力度，尽早真正使其转化为生产力。
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