2016-04-29德翰公司参与2016亚太城市建设实务论坛(香港)，并发表论文 德翰公司很荣幸能参与2016-4-29于香港举行的「2016亚太城市建设实务论坛」，并发表专业论文「预力基桩桩头接头的改进—以上海大楼倒塌案为例」。 由香港科技大学土木及环境工程校友会与香港工程师学会土木分部举办的「2016亚太城市建设实务论坛」，逾200名中国大陆、台湾、澳门和本地的学者、专业人士及业界代表参与，就可持续发展、城乡建设及基建发展三个主题交流意见和经验。  本公司论文主要在探讨工程中常用的预力基桩(预应力混凝土基桩、管桩) 在桩头施工失败的可能性，及可能引发的灾害。并以一近年发生的案例作为学术研究案例，与广大的专家学者们共同探讨，以谋求能在未来的工程实施中降低灾害损失伤亡。 本文探讨的方向是以完全不一样的角度来加以深入研究，祈以发现不同的工程盲点。德翰公司欢迎工程界朋友共同研究。 下载：论文PDF檔 (繁中 8.7MB)、(简中译本 6.7MB) 预力基桩桩头接头的改进—以上海大楼倒塌案为例
李胜男 (台湾)德翰智慧科技有限公司/副总经理 摘要：在亚洲城市建设中，人口密集、高楼林立，土地需求相对大，使用预力基桩(或称预应力混凝土管桩、管桩)作为大楼基础桩或轨道交通桥梁基础桩，以增加基础支承力的情形相当普遍。2009年发生于中国上海市的新建大楼倒塌事故，即是以预力基桩作为支承结构，相邻的基地内有多栋同类型的大楼，所幸大楼才刚兴建完成，尚未有住民入住，否则所造成的灾难之大和人员伤亡之多将会是一件工程界惨剧。本文将藉此百年难得一见的大楼倒塌案例中遭到破坏的基桩接头型式，来探讨现有基桩接头的设置接合方式、弱点及隐患，进一步分析建议基桩接头改进方式，期以预防或降低未来相关工程灾难的发生及损伤程度。 序言 2009年6月27日北京时间5时40分，在建的莲花河畔景苑楼盘中一幢已基本完工但尚未交付使用的13层小高层向南侧倾斜，然后迅速整体倒塌，管桩折断[1]。这是发生在上海市的倒楼案例，该大楼是以预力基桩(中国称预应力混凝土管桩，以下简称基桩、管桩)作为基础支承结构。本文目的乃是特别针对此案例中作为基础支承的基桩所发生的预力基桩失败缺失进行结构力学方面的探讨，以期能对日后工程界在使用基桩作为大楼建筑物、桥梁结构或其它大型结构物的支承时，可改进并得到更完整稳定的支承力。 1. 大楼倒塌事件的发生 1.1大楼倒塌发生的历史记载 本案例，调查结果显示，倾覆主要原因是，楼房北侧在短期内堆土高达10米，南侧正在开挖4.6米深的地下车库基坑，两侧压力差导使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒[1]。(见图1-1、1-2) 图1-1 楼倒事件示意 [2] 图1-2 楼倒事件照片 [2] 图1-3 楼倒事件照片 [3]
1.2作为大楼支承的预力基桩失败原因探讨 根据当年的调查报告指出，本案例是由于建筑物一侧开挖地下车库(4.6M)、一侧超填土方(约10M)所造成大楼两侧「压力差」，而致大楼倒塌。大楼两侧「压力差」是成因，显然的已经存在一段时间了。大楼为13层兴建时间绝对超过28天，混凝土构件强度也已完全发挥。两侧「压力差」造成水平剪力过大，而致大楼有「异常大的倾覆力矩」，最终导致作为地质改良的预力基桩失败。 预力基桩的失败原因可能有三：受压失败、受拉失败、受剪失败。根据当年媒体所刊载的现场照片(见图1-3)只能照到外露的部份，这一部都是受拉侧，我们无从得知大楼受压侧的预力基桩失败情况(因为被压在建筑物下，或许照片也有些拍摄角度盲点)。 预力基桩受拉失败时，在桩体越上方所受拉力越大，故一般都发生在接近预力基桩和基础承台接口附近。有几种情形： (1) 发生在预力基桩和基础承台介面：可能是垂直锚定钢筋拉断失败。 (2) 发生在预力基桩填芯段：可能是填芯段混凝土摩擦力失败，最糟糕的是整个填芯段被「拉出」。 (3) 发生在预力基桩填芯段以下：可能是预力基桩本身拉断失败。一般预力基桩本体都是设计来承受「压力」的，容许承拉力可能都只是容许承压力的1/5～1/10左右。由于桩壁混凝土材料不耐受拉力，拉力是由预力钢棒承受。图1-3照片中的预力基桩大多都不见预力钢棒的原因是拉断后，预力钢棒多「缩进」桩壁内，并非没有钢筋。 当大楼两侧「压力差」一直存在，致使拉力侧的预力基桩受到「异常拉力」。打击式的预力基桩桩体主要是由高强度混凝土(fc’=78.5N/mm2或800kg/cm2，大陆打击桩用C80规格类似)、高强度异形钢棒(fy=1,227N/mm2或12,500kg/cm2)及螺旋筋所组成，并予施加预应力。桩身材料刚性相当高，基本上也没有什么延展性，一旦发生破坏，就是直接「脆性破坏」了。大楼建筑物主要是由梁柱版墙构件组成，整体还是有一定程度的靱性和弹性，比起预力基桩显得柔软些。若建筑物作为支承中的某单一支预力基桩发生拉力失败，桩抗拉力即告「归零」，必须由邻近的预力基桩来加以分担承受。在结构设计上，通常预力基桩并不是设计来「承受拉力」的，容许拉力很低，所以就易发生「无预警性的连锁拉断、崩塌」。当然也会相对应的产生大楼受压侧的预力基桩的「异常受压」而失败；因预力基桩受压破坏时，会将力量传导于土壤层，因桩身强度远大于土壤强度，除非桩底入岩(注：本案例场址为河岸冲积土层)，否则最终常导致土壤破坏沉陷。但本案例分析有属于预力基桩拉力破坏的情形。 依照片(见图1-3，由照片中人形比例加以估计桩径)略估预力基桩桩径大概是Φ600mm、管壁厚100mm、内孔(填芯段)直径Φ400mm，明显可见受拉侧的预力基桩失败情况有二： (1) 一是预力基桩本身被「拉断」，如露出的管状构件即是，断点应在填芯段交界附近或以下； (2) 二是预力基桩的填芯段被「拉出」，如图1-3照片右上角所露出的构件为较小直径的平整浅色圆柱体即是； 预力基桩受拉破坏时，预力基桩本体被拉断是正常，但填芯段被拉断则属异常，尤其是填芯段整支被拉出更是预力基桩内孔界面摩擦力完全没发挥或失效。预力基桩施工型式在大陆主要是打击桩或压入桩，沉桩后的预力基桩内孔还算是干净，桩头填芯段界面摩擦力比较高；台湾是植入桩，沉桩后仍须二次钻芯清孔工序，来增加内孔的粗糙程度，但预力基桩内孔面仍都是劣质水泥浆，浇注混凝土后的填芯段摩擦力是比较差(指使用相同填芯混凝土配比的情况)(见图1-4)。[5][6] 图1-4 传统植入式预力基桩桩头二次钻芯清孔残留劣质混凝土情形 预力基桩的桩壁中是均布高强度异形钢棒，桩身在承受拉力时，虽桩壁混凝土的承拉力极低，但异形钢棒仍可承受拉力。表1-1即为TYPE C预力基桩(预应力为7.85N/mm2 (约80kg/cm2)的桩身承拉力容量。表中可看出600mm预力基桩的承拉力容量为638 KN(约65 tons)才会到达预力钢棒降伏的状态；如拉力未超过此值，桩身却受拉破坏时，即为异常。例如桩头填芯段被拉出，即为一例。预力基桩受拉破坏，为无预警的脆性破坏，极为容易造成连锁破坏。在图1-3照片右上角中可见到预力基桩的填芯段整个被拉出，可能是大楼整体受压力侧的基桩尚未遭破坏即遭拉断破坏；否则以大楼倒塌过程中倾斜情形推测，填芯段也会因为倾角而使桩身被弯断，而非拉出。 表1-1 现行预力基桩之桩身抗拉力容量 (下略) |
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