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2017/8/25 | DH快速桩的研发历程、遭遇困难的解决、专利申请心得、及快速建厂的应用(1)(部份上传)
DH先进型快速基桩的研发历程、遭遇困难的解决、
专利申请心得、及快速建厂的应用(1)
 
李胜男 /德翰智慧科技公司副总经理
 date: 2017-08 尚未完
 
Mr. Lee
 
前言与发想
 
  笔者从年轻就进入工程界工作,广泛参与了民间建筑、公共工程、工业建厂的各类型工作,参与过的基桩从反循环桩/全套管桩的场铸桩、PC/PHC预制桩都有,亲手亲眼见识了许多桩的就地形成及它的缺失,尤其以公共工程的全套管桩让我印象最深。这也是作为一个工程师想从工作经验中改良传统工艺的小小心愿,也是之后与好友们共同创建德翰智慧科技公司的发想之一。 
  DH桩是德翰公司在基桩类的产品代号(P系列--意指Pile),一共有九个阶段的技术,部份已有产品,部份仍已在生产在线排队等待或蕴酿待开封中,也有转型成其他方向的(例如四阶品即转型为海绵城市的基本技术类W1:DH-RAIN)。最早期,DH桩主要是针对全套管桩的缺失改良而展开的「DH先进型快速复合桩」(公司内称:六阶桩品、DH快速复合桩)。
  在DH桩发展过程中,不意或有意衍生了一款「DH先进型快速基桩」(公司内称:一阶桩品、DH快速桩)。这主要是我们后期在接触到工厂建筑时(主要是石化工厂)的发现与改良,更简洁。不像消费性电子产品生命周期只是一两年,工程技术的改善常是数年或数十年的周期,重要结构物被要求百年的寿命也是常态,考虑观点也不相同。
 
  且让我先打个针:文章会有点长且臭、或间断跳tune、甚至会有点乱,部份内容或许还会对现有传统产品技术有点挑剔和攻击。因为使用口语式的铺陈,显得会有点冗长、论点会有点跳跃、校稿也不会太仔细。反正不是学术论文,同好们不必太在意,就当作有则佳勉、无则庆幸吧了。
  在这篇文章中,我将DH快速桩(一阶)大部份的研发过程揭露分享给工程同好,期待工程界未来能有更好的产品或技术产生。同时,也将研发与产品推展过程中所遭遇的各式问题与困难,分享给工程同好,期待未来您遭遇类似问题时,可供您参考。有您的参与,必是工程界的荣幸,期待…您应该是下一个继起者。
  我想这部份在台湾工程界是很珍贵的经验,因为很少会有人(或公司)将研发过程揭露,还延续跨越好几个阶段技术。
  
一、 DH先进型快速基桩的研发
 
  先从最短小精干型的技术说起吧。
  「DH先进型快速基桩」(以下称DH快速桩)是我们在研发此一P系列基桩技术的改良发源,主要是在工业建厂过程中对PC/PHC桩之桩头处理的缺失的触发与改进。因是预制桩类,故仍分为工厂预制端及工地植桩端二部份叙述。
  台湾的工业建厂,结构基础大量的采用工厂预制的预力基桩(PC/PHC),几乎石化、钢铁、电子等行业都涵盖在其中,主要的原因是成本低廉、工期短、强度佳、品管容易、及耐久性佳等,这些都是工业建设最迫切的需求。
  虽说PC/PHC桩并不是发源自日本,但台湾的PC/PHC桩的工厂预制及现场植桩(包含更早期的打击桩施工)的技术都是源自日本,不论施工或是设计的学理演变也都大量地采用日本的技术及理论。我们在研发过程中也大量的研读及参考日本早期资料。
 
1.1 现有预制PC/PHC基桩的优缺点
 
  预制桩采用了在基桩工厂厂房内预制完成,再运至工地施工,我们先从工厂预制端的优/缺点谈起,再建伸至工地施工端的优/缺点。
 
1.1.1 预制PC/PHC桩的工厂预制优点:
 
  预制的PC/PHC桩的工厂预制的优点主要有:
 
(1) 成本低:
预制桩采用了在基桩工厂厂房内预制完成,再运至工地施工。
 
(A) 混凝土:
工厂内制作,工具机具吊具完整,操作工班人员熟练,通常使用自家厂内的现拌混凝土,精准的混凝土投料量,使用钢模具在滚动台上离心制成,最终强度可以轻易达到800 kg/cm2 (近12,000 psi) 的高强度混凝土要求(PHC桩),比起工地场拌或预拌运来的混凝土现场浇置(通常强度不高于350 kg/cm2,近5,000 psi),质量上当然是强太多了。这也是PC/PHC桩高CP值的所在之一:略高的成本可制成超高强度的混凝土。实务上,混凝土材料是工程材料中成本较低廉的材料 (在基桩种类上,较之钢管桩等,实在太便宜了)。CNS 2602规定至少为500 kg/cm2 的混凝土强度,目前只有 500 kg/cm2 (PC桩)和 800 kg/cm2(PHC桩)两种。同时工厂预制使用的劳务人工远较工地场铸来得少许多,这也是大量使用机器替代人力的方式之一。
 
(B) 异形钢棒:
再加上使用了比4,200 kg/cm2 钢筋更高强度的异形钢棒(降伏强度约13,500 kg/cm2 ),让稍高成本的钢材将材料特性彻底发挥的淋漓尽至(这在大学低年级的钢筋混凝土学中有教)。以前使用钢线(pc wire),现在则改以异形钢棒(deformed bars)为主了,可焊性高,握裹力也佳。
 
(C) 螺旋筋:
由于PC/PHC桩外形是圆形,使用螺旋筋作为箍筋是绝对合理的,也会更增加桩的紧束力,对混凝土强度有帮助。同时,也因为螺旋筋的使用,主要以点焊于纵向主钢棒作为固定,现在已全数采用了自动点焊机械代替人工;点焊于最传统的高强度钢线(wire)上会伤到主筋,所以纵向的钢线现在已全改异形钢棒(deformed bar),以克服点焊的需求。(A)(B)(C)三项是钢筋混凝土的基本功。
 
(D) 预应力:
同时,预施加预应力(即钢桩预拉、混凝土预压) 使混凝土构件本身(桩)拥有预力性质,这是混凝土材料的极限了(这在大学高年级的预力钢筋混凝土学中有教)。目前台湾CNS 2602规范的预应力分A/B/C/D四级,各为40/60/80/100 kg/cm2预力。日本JIS A5337则为A/B/C三级,各为40/80/100 kg/cm2预力 (中国则为A/AB/B/C四级,各为40/60/80/100 kg/cm2预力)。综合前列(A)(B)(C)(D)这四项特性,几乎可以说将RC材料充份利用了。 

(2) 工期短:
  在工厂预制基桩,是使用长形钢模具作为混凝土模板,高频率重复使用,以降低成本。佐以吊具工具运搬固定,组模迅速,以减少人工劳务时间浪费。钢模具是预先订制的,尺寸精准,几乎误差是在1~2 mm间。最重要的是,混凝土材料强度的成形是需要「时间」这个材料的,工厂预制则以蒸气进行高温高压蒸养,以加速混凝土材料强度的形成。工厂一般以一天一次模为主,必要时钢模具仍可翻模加快制作速度。大量的PC/PHC桩成品可以在工厂中堆置,随时可出厂至工地,等于是在工厂端位速进行预制。这也是PC/PHC桩工期短的原因之一 (另一为工地施工)。
 
(3) 强度佳:
  就如同在前项(1)中所述,使用高强度混凝土(800 kg/cm2)预制桩体,基桩主要是承受上方载重的垂直压力,混凝土强度越高越有利。台湾绝大多数PC/PHC桩已使用植入式工法施工,施工过程中对桩体几乎没有任何破坏,即是使桩体自预制的工厂端到施工的工地端,质量都可以维持一致,不会因顾虑桩体的缺损隐忧而使设计的安全系数必须提高。所有设计工程师都知道,在接近的尺寸条件下,预制桩的强度一定比场铸桩来的好上许多。这也是我们进行改良的重要参考点之一。
 
(4) 品管容易:
  PC/PHC桩体主要是在工厂内预制完成,工厂内环境控制质量好,不受天候影响,成桩质量自然较佳。检验上一般采用实地厂验方式进行检验,少数业主/上包商可以直接派遣人员驻厂督导,基本上工厂不易发生重大缺失。剩余的工地施工(例如:植桩等),大约只有水泥浆质量的差别而已。这样的预制桩品管方式是远优于场铸型基桩的工地检验。最终的基桩载重试验是最后的关卡;在预制桩而言,多数的品管都已在工厂内完成,而PC/PHC桩若依地质钻探报告及学理推估桩承载力,数据上已相当保守,其实这一桩载重试验程序并无什么实质意义,只是在浪费工期而已,因为都在等待「时间」的流逝而己。这形成了我们产品成型后在推展中极重要的参考点,留后再述。
 
(5) 耐久性佳:
  在对抗环境侵蚀的条件中,混凝土材质是其中较优的材料,尤其在水环境(包含地下水环境),特别是海水环境(指含盬份的侵蚀氧化等)。混凝土桩主要材料90%是由混凝土组成,具有较高的环境抗蚀性能,耐久性当然优于其他桩体(例如:钢管桩等)。PC/PHC桩更是在工厂中制作,较工地场铸桩质量稳定许多,更是耐久;而PC/PHC桩使用了施加预应力,更可使混凝土密实、提高水密性、降低拉力裂纹的发生,都可以更提高耐久性。这也是我们极力推荐PC/PHC预制桩的重要原因。
 
  这是我们最喜欢的部份:工厂预制,走过工地的同好就比较容易理解现场施工过程中是状况百出、场铸桩成果通常是不易和设计图一致的、现场要解决的情事(含协调、斡旋、台面上下、黑白灰道等) 非常多,优秀的现场工程师都是这样子训练出来的啊!如果能将大多数的现场工作移转至工厂进行,应该是对工程最好的选择。近年来,中国大陆日渐流行「组装式建筑」,想也是有其中的味道。 

1.1.2 预制PC/PHC桩的工厂预制缺点:
 
虽然预制的PC/PHC桩拥有许多的优点(如上述),但不可否认,它也有许多的缺点:
 
(1) 单节桩长受限制:受限的原因主要有三
 
(i) 受限于工厂:
由于工厂预制,不论是工厂厂房规模、钢模具长度、天车容量、离心滚动台量能、打线机等,都会影响桩长。例如一般钢模具长度不大于18米,即会限制桩长制作长度;又如随着桩径越大,桩的每米长的单位重量就越大,离心滚动量能若不足,即会限制桩长;如1.0M 桩径,台湾境内还能作到16米长;而1.2M桩径,将只能作到12米长而已。
 
(ii) 受限于运输:
主要是车辆的载物长度限制。不可避免PC/PHC桩必须运输至工地施工。虽然运输板车标准是40呎长以下,也还有伸缩加长型板车,但多数都以16米以下为佳;若桩再长,则须采用夜间运输或申请通行许可,较为费事。运输道路的状况也会对桩长有影响,例如若工地在台湾东部地区、或者是山区,行使道路弯折,会使运载难度增加。这也是PC/PHC桩多使用在都市或平原区的原因。
 
(iii)  受限于桩总长:
  这个原因主要是发生在植入式基桩上。
  打击式或压入式工法施工是采用分段置入土层,桩接续则采用桩位上焊接结合,所以没有长度上的限制 (这是理论上的说法。桩越深,击入的反力越大,断桩或破桩的机率就会加大)。植入式工法是采用先焊接接合,再置入桩孔的施工方式,必须先形成桩全长整体,所以桩长有一定的限制 (吊车的吊高、吊重、吊距都有限制,不可能用超级大吊车来作这样的基桩)。虽说可在桩孔上采用直接焊接接桩方式进行,但容易造成桩孔塌孔或夹制的情形,风险较高。
  这个部份在 DH快速桩(一阶)而言尚可,但在 DH快速复合桩(六阶)的考虑上,就更为讲究了,这段讲到六阶再补充吧。
 
(2) 会有废水泥浆产生:
  因为PC/PHC桩的高强度混凝土材料除了配比外,有一部份的原因是因为在滚动台上离心旋转,混凝土材料在钢模具里拌合,因离心力较重材料会逐渐向外缘移动,最轻的材料则向中心挤出,最轻的材料就是「水」(包含水泥液),这就是剩余的废水泥浆(中国大陆称浆水)的产生。
  废水泥浆一般都必须在厂内集中、沉淀、运弃,这些水泥材料性质上偏向建筑废弃物类,不至于产生毒性物质,但对台湾这种高密度居住的环境,也是环境废弃物,必须被运至厂外处理,至于如何处理,就不谈了,相信都是用合法手段。现在有些桩工厂都已采用添加剂(如减水剂等) 来降低废水泥浆的量,也是一种技术上的改进。
  德翰在研发过程中,也产生了相类似的处理技术,用来减废及产新的收益,这不在本文讨论范围,容以后再述。
 
(3) 会有较高的运输成本:
  因工厂预制,必须将完成的成品桩运输至工地施工现场,以便于植桩施作。也因为这个原因,PC/PHC预制桩有经济距离(自桩厂至工地)的考虑,一般在150~200公里左右,若太远就会使运输成本增加,竞争力迅速下降。而若工地位处交通不便之地(山区或道路受限制),也会有困难。目前台湾预制桩市场或因同业竞争、或因淡季抢单,即使是高雄-->台北,桩厂还是有意愿接单。
  大陆有些地方会有利用水运情形(例如沿长江),对台湾这种讲究效率的陆运方式,算是较为特殊。
  特别值得一提的是,因为特殊的需求(例如:超长单节大直径PHC桩、或下货点在水面上等情形时),会使用到船运的情形也是有,但台湾极为少见(或未曾见)。德翰在这一方面,也开发了一些相关的技术配合。

  下面,我们就要从德翰公司DH快速桩的开发开始谈起。 

1.2 DH先进型快速基桩的改良
 
  在历经过传统PC/PHC基桩的情形后,我们进行了一系列的改良方案。先从发想讲起:
 
1.1.1 DH先进型快速基桩改良的发想
  首先,我们看见了传统PC/PHC基桩的桩头处理时的不稳定点:
 
 
(文章很长 ---> 即将上传)
文章有点长,对我有点负荷,请先见谅。
先上传篇
2016-12月的文章(有些篇幅会重迭),这篇本是准备投稿大型论坛用的,因事延宕了。
 
 
 
 

 

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