1、第 1 页 共 13 页浅谈离心法预制空心混凝土桩陈芳斌，陈德文 2，侯善民 3，高建明 4，陈巧 5，王重 6，古素青 7（1.建华管桩控股有限公司，2. 江苏省审图中心，3.南京金宸建筑设计有限公司，4.东南大学， 5.江苏建华管桩有限公司，6.上海兴南混凝土制品有限公司，7.广东三和管桩集团有限公司）摘要：混凝土预制桩为我国经济建设的快速发展作出了重大的贡献，本文介绍了市场上常见的工厂化生产的混凝土预制桩桩型特点及其生产工艺，摘录了国家标准对预制桩的相关规定，并在标准、预应力钢筋混凝土保护层厚度、钢筋配筋率、力学性能、材料用量、横截面面积及侧面面积、混凝土用量、承台等工程综合造价上重点对
2、管桩与空心方桩进行了比较，通过比较,综合分析得出:空心方桩相关工艺至今仍不够成熟，存在钢筋混凝土的保护层厚度低、配筋率小、桩身混凝土截面的不均匀、应力作用不均、桩身的成桩质量得不到控制、施工时造成烂桩率偏高等缺点。关键词:混凝土预制桩; 生产工艺; 管桩; 空心方桩 ;比较;Abstract： concrete precast pile for the rapid development of Chinas economic construction made significant contribution, this paper introduces the common market o
3、f the factory production of precast concrete pile type characteristic and its production process, excerpts from the national standards on prefabricated pile of the relevant provisions, and in standard, prestressed reinforced concrete protective layer thickness, reinforcement reinforcement ratio, mec
4、hanical properties, material consumption, cross-sectional area and the side area, the amount of concrete pile cap, and the comprehensive cost is important for pipe and hollow square pile are compared, by comparison, it is concluded: hollow square pile technology is still not mature enough, existing
5、reinforced concrete protective layer thickness is low, reinforcement rate of small concrete pile section, non-uniform, stress uneven, pile body quality is not controlled, caused by the construction of partial defect of high rate of rotten piles.Key words：precast concrete pile; production process; pi
6、pe pile; hollow square pile; comparison;前 言混凝土预制桩，主要是指在工厂采用离心成型或震动成型工艺制成的混凝土桩，用沉桩设备将桩打入、压入土中。先张法预应力离心混凝土空心预制桩是指采用先张法预应力和离心工艺成型的外方内圆或外圆内圆、结构配筋均匀对称的混凝土细长预制空心体构件。上世纪 50 年代我国大部分预制桩为实心混凝土方桩，到了 60 年代出现采用振动、抽芯式工艺生产的空心方桩、预应力空心方桩。进入 70 年代，预制桩市场上出现了八角预应力空心桩和三角预应力空心桩，也均为采用振动、抽芯式工艺生产。由于实心方桩、空心方桩、八角预应力空心桩、三角预应力空
7、心桩产品本身缺陷和生产成本较高，在 80 年代从国外引进混凝土管桩生产工艺后，逐渐被预应力混凝土管桩取代。预制桩发展至今，在管桩的基础上了衍生许多其他预制桩桩型，如混合配筋管桩、支护柱、增强型预应力管桩、竹节桩、预应力钢管桩、螺旋状管桩等 1。混凝土预制桩发展历程如图 1 所示。第 2 页 共 13 页中国建筑施工领域采用较多的混凝土预制桩主要有实心方桩、管桩和空心方桩三大类。目前市场上先张法预应力离心混凝土空心预制桩主要有管桩和空心方桩。预应力混凝土管桩于上世纪八十年代末期从日本引进至今，作为建筑基础材料使用已将近 30 年。由于该产品具有单桩承载力高、成桩质量可靠、适用范围广、桩身耐锤击和
8、抗裂性好、穿透力强、造价低、施工速度快、运输吊桩方便等优点，自上世纪 80 年代作为国家建设部重点推广应用的科技成果以来，在我国的上海、广东、浙江、江苏等地的工业与民用建筑中开始使用，随之在全国范围内得到大规模应用。目前全国管桩生产企业近 500 家，年生产能力近 4 亿延米，年销售额达 700 亿元以上。目前预应力混凝土管桩已成为基础工程中的主打桩型，同时管桩行业配套的辅助产品年产值也超过 300 亿元，取得了显著的经济效益和社会效益，成为科学、经济、环保，符合国家可持续发展方向的朝阳产品，为我国发展低碳经济、建设生态文明社会作出了重大的贡献。在 2000 年初有些厂家开始试生产离心法空心方
9、桩，并在一些小型民用建筑中试用，在上海及周边有一定的工程应用，但此桩种相关工艺至今仍不成熟。预应力离心空心方桩 20 年以前在日本已经不能作为基础桩来使用了，只能应用于基础加固工程等非承重结构工程。图 1 混凝土预制桩发展历程1 市场上主要预制桩简介1.1、实心方桩如图 2 所示，实心方桩有以下特点：（1） 、混凝土强度：一般为 C50 以下，钢筋直径 12mm25mm（螺纹钢） 。（2） 、规格：200200mm500500mm 不等；（3） 、适用范围：适用于黏性土、粉土、淤泥质粉质粘土、素填土以及厚度不大的稍密、中密的砂土层，较难穿透较厚的硬土层、砂层以及卵石层等。（a）实心方桩成品 （
10、b）实心方桩钢筋骨架笼尾端 （c）实心方桩钢筋骨架笼头端图 2 实心方桩第 3 页 共 13 页1.2、管桩如图 3 所示，管桩有以下特点：（1） 、混凝土强度：一般为 C80 以上，钢筋直径 7.1mm14mm（预应力钢棒） ；（2） 、规格：直径 300mm1400mm 不等；（3） 、适用范围：适用于黏性土、粉土、淤泥质粉质粘土、素填土、稍密、中密的砂土层，较厚的硬土层、砂层以及卵石层等。管桩基础持力层选在较厚的强风化或全风化、坚硬的粘性土层、中密及密实的粗砂、卵石层、碎石土层中。（a）管桩成品 （b）管桩钢筋骨架笼 （c）装上钢筋骨架的钢模图 3 管桩1.3、空心方桩如图 4 所示，空
11、心方桩有以下特点：（1） 、混凝土强度：一般为 C60C80，钢筋直径 7.1mm12.6mm（预应力钢棒） ；（2） 、规格：外边长 250mm500mm 不等；（3） 、适用范围：主要用于土层较好的设防裂度与抗水平力要求不高一般工业与民用建筑基础。 （a）空心桩成品 （b）空心方桩钢筋骨架笼 （c）装上钢筋骨架的钢模图 4 空心方桩2 市场上常见预制桩的工艺流程2.1 管桩、空心方桩生产工艺第 4 页 共 13 页图 5 管桩、空心方桩生产工艺流程图由图 5 可以看出，空心方桩和管桩属于同一种生产工艺的预制构件，其在工程桩基础中的作用与管桩相同，仅仅是在形状上不同，管桩为截面形状为外圆内圆
12、，空心方桩的截面形状为外方内圆，如图 6所示。（a）管桩 （b）空心方桩图 6 管桩、空心方桩横截面示意图注：离心方桩尺寸规格表示方法为 B（d） ，管桩尺寸规格表示方法为 D（t） ；钢筋笼制作：在钢筋笼滚焊中，由于空心方桩的笼筋是方形。在钢筋笼制作时，采用旋转滚焊工艺，导致箍筋的成型呈弧线型桩而非直线型桩，焊点质量无法保证，滚焊、起吊、钢筋张拉和离心的过程中，导致箍筋与预应力主筋焊接不牢，钢筋笼容易松散，如图 7 所示。而管桩的钢筋笼为圆形，箍筋与主筋焊接牢固，钢筋笼不易松散。管桩的钢筋笼为圆形，采用旋转滚焊工艺，焊点质量可靠，焊点处 PC 钢棒强度损失小，钢筋笼不易散笼。如图 7 所示。
13、第 5 页 共 13 页图 7 空心方桩钢筋笼 图 8 预应力空心预制桩离心阶段离心成型：预应力混凝土空心预制桩的离心过程是离心力、重力、与各类型振动力等综合作用的结果。如图 8所示。假设混凝土各颗粒在离心过程中完全是处于相对独立的理想状态。由于混凝土拌合物中各组分密度 不同，且同一组分又拥有不同的外形尺寸而体积不同，离心转速采用 n 表示，故将转速 n、体积OV、密度 引入可得预应力空心预制桩在离心时的离心力计算公式：（1）22-52()1.06OOSrpnPmRwVrRg式中： 物体离心力（g） ； 旋转半径（cm） ； 物体体积（cm 3） ； 旋转速度S Vn（r/min） 。物体密度
14、（g/cm 3） ；O根据离心原理及离心计算公式（1）可知，在相同转速下，颗粒密度、半径、体积均与离心加速度成正比。而混凝土中各组分之间密度、体积、半径相差较大，且同种组分之间体积、半径也有较大的差别。与其是离心半径大小不一，其最后的离心力大小不同，管桩由于截面为圆形，从管桩的中心点至外边沿其长短一致，即离心半径相等，假设混凝土质量相同，外界一致时，混凝土中砂石、水泥等组份的分布合理，混凝土分层分布均匀，不存在盲点与死角，桩身混凝土强度高，质量稳定。而空心方桩的截面为方形，在离心时，其离心半径不同，空心方桩的中心点到四角与中间的矩离不一，极易造成四角处混凝土相对较厚，离心后混凝土的质量和混凝土
15、的力学性能难以保障。四角出现混凝土层厚，中间部份薄成为一种普遍现象。如图 9 所示。第 6 页 共 13 页（a ）管桩 （b）空心方桩图 9 管桩、空心方桩离心后的横截面示意图2.2、实心方桩生产工艺图 10 实心方桩生产工艺流程图实心方桩与管桩、空心方桩生产工艺不同之处在于其采用采用振动成型，仅经过一次养护（自然养护、蒸汽养护）即可，如图 10 所示。3 国家相关标准对预应力空心预制桩的规定（摘录）混凝土结构设计规范GB50010-2010 中对钢筋混凝土保护层的定义为：“结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土，简称保护层。 ”钢筋包括预应力钢筋、螺旋筋、螺纹钢等，则其钢筋
16、混凝土保护层厚度应从螺旋筋算起。如图 11 所示图 11 管桩、空心方桩预应力钢筋混凝土保护层3.1、 建筑地基基础设计规范GB50007-2011 2第 8.5.3 条第 7 点规定：桩的主筋配置应经计算确定。预制桩的最小配筋率不宜小于 0.8%(锤击沉桩) 、0.6%(静压沉桩)，预应力桩不宜小于 0.5%；灌注桩最小配筋率不宜小于 0.2%0.65%( 小直径桩取大值)。桩顶以下 35 倍桩身直径范围内，箍筋宜适当加强加密；第 7 页 共 13 页第 8.5.3 条第 11 点规定：灌注桩主筋混凝土保护层厚度不应小于 50mm；预制桩不应小于 45mm，预应力管桩不应小于 35mm；腐蚀
17、环境中的灌注桩不应小于 55mm。3.2、 工业建筑防腐蚀设计规范GB50046-2008 3（1）第 4.2.5 条：“4.2.5 钢筋的混凝土保护层最小厚度，应符合表 4.2.5 的规定。 ”表 4.2.5 钢筋的混凝土保护层最小厚度（mm）结构类别 强腐蚀 中、弱腐蚀板、墙等面形构件 35 30梁、柱等条形构件 40 35基础 50 50地下室外墙及底板 50 50（2）第 4. 9. 4 条，混凝土桩基础的结构设计应符合下列规定:1、预制钢筋混凝土桩的混凝土强度等级不应低于 C40，水灰比不应大于 0.4 ；腐蚀性等级为中、弱时，抗渗等级不应低于 S8；腐蚀性等级为强时，抗渗等级不应低
18、于 S10；钢筋的混凝土保护层厚度不应小于 45mm；2、预应力混凝土管桩的混凝土强度等级不应低于 C60，抗渗等级不应低于 S10；钢筋的混凝土保护层厚度不应小于 35mm；桩尖宜采用闭口型。3.3、 混凝土结构设计规范GB50010-2010 4（1）8. 2. 1 构件中普通钢筋及预应力筋的混凝土保护层厚度应满足下列要求。1 构件中受力钢筋的保护层厚度不应小于钢筋的公称直径 d；2 设计使用年限为 50 年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度应符合表 8. 2. 1 的规定；设计使用年限为 100 年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于表 8. 2. 1 中数值的 1. 4 倍。
19、表 8.2.1 混凝土保护层的最小厚度 c（mm）环境类别 板、墙、壳 梁、柱、杆一 15 20二 a 20 25二 b 25 35三 a 30 40三 b 40 50注：1 混凝土强度等级不大于 C25 时，表中保护层厚度数值应增加 5mm；2 钢筋混凝土基础宜设置混凝土垫层，基础中钢筋的混凝土保护层厚度应从垫层顶面算起，且不应小于 40mm。4 管桩、空心方桩比较4.1 管桩、空心方桩标准比较4.1.1 管桩标准4.1.1.1 管桩国家、行业标准（1）国家标准先张法预应力混凝土管桩GB13476-2009 ( 住建部、国家质检总局联合颁发)； （2）国家建筑标准设计图集预应力混凝土管桩10
20、G409（住建部颁发） 5；（3）建材行业标准，如管桩端板标准先张法预应力混凝土管桩用端板JC/T 947、管模标准先张法预应力混凝土管桩钢模JC/T 605-2005 等；4.1.1.2 各省地方标准（1）各省管桩基础技术规程，如天津市预应力混凝土管桩技术规程DB29-110-2010，江苏省预应第 8 页 共 13 页力混凝土管桩基础技术规程DGJ32/TJ 109-2010，安徽省先张法预应力混凝土管桩基础技术规程DB34/T1198-2010 等。（2）各省管桩标准设计图集，如浙江省先张法预应力混凝土离心管桩2010 浙 G22 等。4.1.2 空心方桩标准4.1.2.1 空心方桩国家
21、、行业标准（1）建材行业标准预应力离心混凝土空心方桩JC/T2029-2010 (工信部颁发)；（2）建筑工业行业标准预应力混凝土空心方桩JG197-2006 （住建部颁发） ；（3）国家建筑标准设计图集预应力混凝土空心方桩08SG360 6；4.1.2.2 各省地方标准（1）江苏省先张法预应力混凝土空心方桩苏 G/T17-2008；（2）浙江省预应力离心混凝土空心方桩2010 浙 G35；（3）上海市先张法预应力混凝土空心方桩2009 沪 G/T-502；由以上可知，管桩的最高标准是国家标准，其相关指标均符合国家现行大规范的相关要求，同时各省、市依据管桩国家标准纷纷编制了管桩最新的地方基础规
22、程。而空心方桩只有建材的行业标准和建筑标准设计图集，没有国家产品标准和省地方基础技术规程，同时其行业标准和各省地方标准的相关指标如预应力钢筋混凝土保护层厚度，配筋率，适用范围等，均已严重低于国家现行大规范的相关要求。 4.2 管桩、空心方桩钢筋混凝土保护层比较以预应力混凝土管桩10G409 ， 预应力混凝土空心方桩08SG360 标准设计图集为依据，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的钢筋混凝土保护层厚度进行比较，如表 1、表 2 所示。表 1 管桩(10G409) 钢筋混凝土保护层厚度（图集号： 10G409）规 格 直径（mm) 内径（mm) 型号 最小壁厚（mm) Dp 值 配筋 螺旋箍筋
23、直径(mm)钢筋内混凝土保护层厚度（mm)钢筋外混凝土保护层厚度（mm)400*95 400 210 A 95 308 7 d 9.0 4 44.50 37.50500*100 500 300 A 100 406 11 d 9.0 5 48.50 37.50600*110 600 380 A 110 506 14 d 9.0 5 58.50 37.50表 2 空心方桩(08SG360)预应力钢筋混凝土保护层厚度（图集号：10G409）规 格 直径（mm) 内径（mm) 型号 最小壁厚（mm) Bp 值 配 筋 螺旋箍筋直径(mm)钢筋内混凝土保护层厚度（mm)钢筋外混凝土保护层厚度（mm)30
24、0*160 300 160 A 70 230 8 d 7.1 4 31.45 27.45350*190 350 190 A 80 280 8 d 9.0 4 40.50 27.45400*250 400 250 A 75 330 8 d 9.0 4 35.50 27.45450*250 450 250 A 100 374 12 d 9.0 5 57.50 30.45500*300 500 300 A 100 424 12 d 9.0 5 57.50 28.50注：管桩钢筋内混凝土保护层=(Dp 值-内径-钢筋直径)/2，管桩钢筋外混凝土保护层=(外径-Dp 值-钢筋直径)/2-螺旋箍筋直径，空
25、心方桩钢筋内混凝土保护层=(Bp 值-内径- 钢筋直径)/2 ，空心方桩钢筋外混凝土保护层=(边长-Bp 值-钢筋直径)/2-螺旋箍筋直径由表 1、表 2 可得出：第 9 页 共 13 页（1）管桩的钢筋混凝土内、外保护层厚度均满足 35mm 要求，完全符合现行大规范的要求；（2）空心方桩的钢筋混凝土外保护层厚度均小于 35mm 的要求，严重低于国家标准 GB50007-2011、GB50046-2008、GB50010-2010 对钢筋混凝土保护层厚度 35mm 的要求。4.3、管桩、空心方桩配筋率比较以预应力混凝土管桩10G409 ， 预应力混凝土空心方桩08SG360 标准设计图集为依据
26、，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的钢筋配筋率进行比较，如表 3、表 4 所示。表 3 管桩 A 型预应力钢筋配筋率（图集号：10G409）外径（mm ）内径（mm）型号壁厚（mm）横截面面积（mm 2) 配筋规格预应力钢筋总面积（mm 2)预应力配筋率(%)400 210 A 95 91028 7 d9.0 448 0.49500 300 A 100 125664 11 d9.0 704 0.56500 250 A 125 147262 12 d9.0 768 0.52600 380 A 110 169332 14 d9.0 896 0.53600 340 A 130 191951 16 d
27、9.0 1024 0.53表 4 空心方桩预应力钢筋配筋率(图集号：08SG360)边长（mm ）内径（mm)型号最小壁厚（ mm)横截面面积（mm 2) 配筋规格预应力钢筋总面积（ mm2)预应力配筋率（%）300 160 A 70 69894 8 d7.1 320 0.46 350 190 A 80 94147 8 d9.0 512 0.54 400 250 A 75 110913 8 d9.0 512 0.46 450 250 A 100 153413 12 d9.0 768 0.50 500 300 A 100 179314 12 d9.0 768 0.43 注：预应力钢筋配筋=(钢筋
28、总面积/横截面面积)100%从表 3、表 4 可以得出：（1）管桩除直径 400mmA 型桩的预应力钢筋配筋率为 0.49%外，其余规格均满足预应力钢筋配筋率 0.50%的要求；（2）空心方桩在不满足钢筋混凝土保护层 35mm 的情况下，仍存在较多的桩型无法满足国家强制性标准 GB50007-2011 对预应力钢筋的最小配筋率 0.50%的要求。4.4 管桩、空心方桩力学性能比较以预应力混凝土管桩10G409 ， 预应力混凝土空心方桩08SG360 标准设计图集为依据，在竖向抗压承载力相当时，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的力学性能进行比较，如表 5 所示。表 5 竖向抗压承载力相当时管桩(
29、10G409)与空心方桩(08SG360)力学性能序号 桩 种直径或边长(mm)壁厚（mm）内径（mm）型号 配筋混凝土有效预压应力（N/mm 2）抗裂弯矩设计值Mcr（kNm）抗弯承载力设计值Mu（kNm）竖向抗压承载力设计值Rp（kN）竖向抗拉承载力设计值Npu（kN）抗剪承载力设计值Q（kN）管 桩 400 95 210 A 7 d9.0 4.30 60 64 2288 381 1461空心方桩 300 70 160 A 8 d7.1 3.52 34 37 1941 322 88管 桩 500 100 300 A 11d9.0 4.84 118 132 3158 598 2062空心方桩
30、 400 75 250 A 8 d9.0 3.58 77 83 3107 515 129管 桩 600 110 380 A 14d9.0 4.60 191 206 4255 762 2703空心方桩 450 100 250 A 12d9.0 3.88 119 140 4265 772 201第 10 页 共 13 页从表 5 可以得出，在竖向抗压承载力相当时：（1）管桩的混凝土有效预压应力大于空心方桩的混凝土有限预压应力值 19%35%；（2）管桩的抗裂弯矩设计值大于空心方桩的抗裂弯矩设计值 53%76%；（3）管桩的抗弯承载力设计值大于空心方桩的抗弯承载力设计值 47%73%；（4）管桩的抗
31、剪承载力设计值大于空心方桩的抗剪承载力设计值 34%66%；（5）管桩的竖向抗拉承载力设计值比空心方桩的抗拉承载力设计值最高高 18%。4.5 管桩、空心方桩主要原材料用量比较以预应力混凝土管桩10G409 ， 预应力混凝土空心方桩08SG360 标准设计图集为依据，在管桩的直径与空心方桩的边长相等，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的主要原材料用量进行比较，如表 6 所示。表 6 直径与边长相等时管桩（ 10G409）与空心方桩（ 08SG360）主要原材料用量序号 桩 种外径或边长（mm）壁厚（mm）内径（mm）型号 配筋端板厚度（mm）每米混凝土用量（m 3）每米竖向受力钢筋用量（kg）两
32、块端板重量（kg）管 桩 400 95 210 A 7 d9.0 20 0.0910 3.51 28.581空心方桩 400 75 250 A 8 d9.0 18 0.1109 4.02 31.34管 桩 500 100 300 A 11d9.0 20 0.1257 5.52 39.462空心方桩 500 100 300 A 12d9.0 18 0.1793 6.02 50.67管 桩 600 110 380 A 12d9.0 20 0.1693 6.02 53.173空心方桩 600 100 400 A 20d9.0 18 0.2343 10.04 66.22注：1、 取 3.1415926
33、，端板密度取 =7850kg/m 3，管桩端板重量 M(kg)=0.25(外径 2-内径 2) 空心方桩端板重量 M(kg)=(边长 2-0.25 内径 2)，每条桩需要两块端板； 2、直径 7.1mm 钢筋米重取 0.314kg/m，直径 9.0mm 钢筋米重取 0.502kg/m；从表 6 可以得出，在管桩的直径与空心方桩的边长相等时：（1）每米管桩比空心方桩最大节约混凝土用量 29.9%；（2）每米管桩比空心方桩最大节约竖向受力钢筋用量 25.1%；（3）每米管桩比空心方桩最大节约端板用钢量 22.1%；（4）管桩端板的厚度均比空心方桩段端板厚度厚 2mm，管桩端板的抗剪性能优于空心方桩的端板。4.6 管桩、空心方桩横截面面积、侧面面积比较以预应力混凝土管桩10G409 ， 预应力混凝土空心方桩08SG360 标准设计图集为依据，在竖向抗压承载力相当时，对市场上常用规格的管桩、空心方桩的横截面面积、侧面面积进行比较，如表 7所示。表 7 在竖向抗压承载力相当时管桩(10G409) 与空心方桩 (08SG360) 截面、侧面面积序号 桩 种 边长或直径 （mm）壁厚（mm）内径（mm）型号横截面周长（mm）横截面面积 （mm 2）每米侧面面积（mm 2）
