德翰公司參與2016亞太城市建設實務論壇(香港)，並發表論文 
德翰公司很榮幸能參與2016-4-29於香港舉行的「2016亞太城市建設實務論壇」，並發表專業論文「預力基樁樁頭接頭的改進—以上海大樓倒塌案為例」。 由香港科技大學土木及環境工程校友會與香港工程師學會土木分部舉辦的「2016亞太城市建設實務論壇」，逾200名中國大陸、台灣、澳門和本地的學者、專業人士及業界代表參與，就可持續發展、城鄉建設及基建發展三個主題交流意見和經驗。 
本公司論文，主要在探討工程中常用的預力基樁 (預應力混凝土基樁、管樁) 在樁頭施工失敗的可能性，及可能引發的災害。並以一近年發生的案例作為學術研究案例，與廣大的專家學者們共同探討，以謀求能在未來的工程實施中降低災害損失傷亡。 本文探討的方向是以完全不一樣的角度來加以深入研究，祈以發現不同的工程盲點。德翰公司歡迎工程界朋友共同研究。  
下載：論文PDF檔 (繁中 8.7MB)、(簡中譯本 6.7MB) 
預力基樁樁頭接頭的改進—以上海大樓倒塌案為例 李勝男 (台灣)德翰智慧科技有限公司/副總經理 摘要：在亞洲城市建設中，人口密集、高樓林立，土地需求相對大，使用預力基樁(或稱預應力混凝土管樁、管樁)作為大樓基礎樁或軌道交通橋樑基礎樁，以增加基礎支承力的情形相當普遍。2009年發生於中國上海市的新建大樓倒塌事故，即是以預力基樁作為支承結構，相鄰的基地內有多棟同類型的大樓，所幸大樓才剛興建完成，尚未有住民入住，否則所造成的災難之大和人員傷亡之多將會是一件工程界慘劇。本文將藉此百年難得一見的大樓倒塌案例中遭到破壞的基樁接頭型式，來探討現有基樁接頭的設置接合方式、弱點及隱患，進一步分析建議基樁接頭改進方式，期以預防或降低未來相關工程災難的發生及損傷程度。 序言 2009年6月27日北京時間5時40分，在建的蓮花河畔景苑樓盤中一幢已基本完工但尚未交付使用的13層小高層向南側傾斜，然後迅速整體倒塌，管樁折斷[1]。這是發生在上海市的倒樓案例，該大樓是以預力基樁(中國稱預應力混凝土管樁，以下簡稱基樁、管樁)作為基礎支承結構。本文目的乃是特別針對此案例中作為基礎支承的基樁所發生的預力基樁失敗缺失進行結構力學方面的探討，以期能對日後工程界在使用基樁作為大樓建築物、橋樑結構或其他大型結構物的支承時，可改進並得到更完整穩定的支承力。 1. 大樓倒塌事件的發生 1.1大樓倒塌發生的歷史記載 本案例，調查結果顯示，傾覆主要原因是，樓房北側在短期內堆土高達10米，南側正在開挖4.6米深的地下車庫基坑，兩側壓力差導使土體產生水平位移，過大的水平力超過了樁基的抗側能力，導致房屋傾倒[1]。(見圖1-1、1-2) 圖1-1 樓倒事件示意 [2]
除了早年日本地震中預力基樁受到強烈地震水平力破壞外，在現代建築案例中，其實是很難得見到預力基樁破壞的情形，這是極為難得的案例。尤其是預力基樁樁頭的填芯段整支被拉出的情形，則更是絕無僅有的罕品，即使在實驗室中也未曾發生(實驗一般都是應變計到達變位即告停止)。若是填芯段處理的好一些，可能可以使填芯段介面的摩擦力更徹底發揮，可能可以撐久一點吧。以此案例毫無支撐側擋的低挖土/高填土方式，大概災難的發生應該還是必然的。 在結構設計上，設計工程師都希望最初破壞點發生在「桿件上」，而不是在「接點上」。所以本案例中，預力基樁拉斷是正規的，只有「填芯段拉出」才是最大的異常。填芯段一旦拉出(摩擦力失效)，承拉力即歸零，鄰近預力基樁受拉力大增，預力基樁陸續被拉斷，樓倒是必然的。預力基樁樁身可以透過增加預力鋼棒數來增強樁體的抗拉力，但現行工法的填芯段(台灣稱為樁頭處理、大陸稱為樁頭加強)則不行，由於樁頭內孔中的水泥漿及土壤拌合液乾硬後的劣質混凝土不易徹底清除，植入樁的填芯段抗拉能力則比打擊樁更差一些。台灣30年的植入樁施工案例中，只有少數的填芯段抗拉報告[5][6]，用以肯定及鞏固樁頭處理施工成果，其餘更多量的施工案則多是語焉不詳。 植入基樁在二次鑽芯、高壓水清孔後，填芯段與樁壁介面的摩擦力保守取為0.20N/mm2(約2.0kg/cm2) [5]，估計 600mm基樁、填芯2M深的摩擦力約為 491KN(約50tons)。為使摩擦力增加，只有增加填芯段深度；但填芯段深度越深，則內孔面的清理更不易，工人施工的嚴謹度更受考驗。 2. 預力基樁樁頭接合的改進 災難一般都是突發的、異常的、超出容許範圍的，沒有人能預知災害的發生。預力基樁是一種極為優良的建材，性價比(C/P值)高，但仍有上中下三個主要缺陷，樁頭處理部份即是預力基樁上端最易發生的缺失。在改良式的DH-PHC樁工法就是針對這個工程困擾發展的，盡力鞏固樁頭接點的設計，使結構構件能力發揮的更好。 不同於台灣通用的植入式基樁(大陸稱埋入式)，大陸的大樓的預力基樁基礎多為打擊樁(或壓入樁)。這類似台灣1970年代盛行的施工方式，比起植入式工法，打擊式工法施工成本較低(約減少4成)[4]，但樁體因受擊打而易有損傷，影響基樁的耐久性。 在本文案例中，我們將焦點集中在預力基樁的樁頭受拉力的突發性破壞。在預力基樁受拉破壞中，以樁頭填芯段填芯混凝土（以下簡稱填芯段）受拉且被拉出於基樁外是最為異常的案例。由於傳統填芯段和樁壁間主要是由交界面的摩擦力來傳遞，除了材質之外，相當程度受到工地現場施工品質的影響，包含工作人員的施工嚴謹度。當一旦發生樁頭拉力時，由於基樁樁壁是由混凝土組成，且基樁和上方基礎承台間並未有適當的拉力連結，只能依賴填芯段來承受。當樁碩拉力超過基樁內孔填芯段的摩擦力時（包含摩擦力的喪失或減損），則發生拉力脆性破壞可能性就會增高。在結構設計上，工程師將會力求構件的容許承載力大於外力，以求結構安全，至少能達到產生預警破壞的情形，以降低災害中人員傷亡。 在預力基樁樁頭填芯段的處理上，數十年來，除了以填芯段的摩擦力設計外，並未有更好的方式，多數的工程設計上都只能用《基樁是設計來承受垂直壓力，而非拉力》來作為設計準則，以規避拉力的設計。這也造成了基樁只受壓而不受拉的刻板印象。但災難並不會如預期的只發生在壓力承載，當一旦拉力承載發生且超出設計拉力容量、或由於填芯段施工不確實造成基樁內孔摩擦力的喪失或減損，則災害的發生將會是突然且重大。 在張家齊等(2013)的研究中[3]，基樁樁頭的抗拉力可以透過基樁工廠預製時在樁頭段預先埋置水平鋼筋方式(圖2-1、2-3)，並於工地施工時和填芯段的垂直鋼筋及混凝土結合成為更為可靠的結構接點，一舉將樁頭填芯段的拉力承載量大舉提高。由於樁頭填芯段在完成後，幾近於實心混凝土斷面（指不同於基樁的空心管形斷面）。錨錠鋼筋藉由填芯混凝土及水平鋼筋，穩固錨定於基樁壁體內。在足夠的水平筋及妥善的錨定狀態下，填芯段的抗拉力可高達 400 tons以上。但一般基樁並非設計為抗拉樁，所需抗拉力並不高，只需滿足預力鋼棒的拉力容量即可。 圖2-2為DH-PHC樁頭水平筋的精簡方式，水平筋不再使用彎鉤，僅為直筋，適當簡化並降低成本。樁填芯段承受拉力，當水平筋是具有彎鉤時，水平筋可以發揮全部的剪力容量。但當水平筋不具有彎鉤時(平直型)，則水平筋的剪力容量將改由水平筋伸入樁壁混凝土中的(直徑*伸入深度)之投影面積的承壓應力控制，雖然會稍微降低填芯段的抗拉力，但仍可滿足預力鋼棒的拉力容量。當然，在特別需求的情形下(例如作為抗拉樁設計時)，水平筋仍是可以被設置來提供更大的抗拉力。 圖2-1 DH-PHC樁頭水平筋 圖2-2 精簡型DH-PHC樁頭水平筋 圖2-3 DH-PHC樁頭水平筋的組立、嵌入樁壁混凝土中 在設計上，樁頭填芯段將採用預置水平鋼筋的方式，在和填芯混凝土結合後，由於水平筋預先嵌入於樁壁混凝土中，鋼筋斷面將會發揮足夠的力量，以承壓方式（bearing type)將填芯段的拉力傳遞給樁壁體。其拉力的傳遞模式如下： 樁頭受拉力→垂直錨定鋼筋受拉→由鋼筋握力傳遞至填芯混凝土→傳遞至水平鋼筋→傳遞至樁壁混凝土→由樁壁中的高強度預力鋼棒承拉→傳遞至基樁全長度樁身→由樁身摩擦力傳遞至土壤承受。 在樁頭水平鋼筋的設計上，主要由水平筋伸入樁壁的深度和鋼筋的寬度作為承壓面積來承受，再由水平筋佈置的層數、支數及直徑來控制容許承載力，一般可由設計工程師自主調整其大小。 單支水平鋼筋單一端點的承壓力可由下二式取小值控制： 鋼筋的承剪力 Fhbs1 = As1*fva*Φss …… (1) 樁壁混凝土承壓力 Fhbc1 = Asc*fc' *Φcb …… (2) Fhbv1 = min( 式(1) , 式(2) ) …… (3) 總支承力為 Fhbv = Fhbv1*Nhb …… (4) 式中，As1=單支鋼筋斷面積（mm2)。fva:鋼筋容許剪應力（N/mm2)，取為鋼筋降伏強度fy。Φss=鋼筋剪力折減因子，取為0.75。Asc=樁壁混凝土承壓面積(mm2)，取為 db*Lhb，db=鋼筋標稱直徑(mm)，Lhb=水平筋深入樁壁深度（mm)。fc'=樁壁混凝土抗壓強度(N/mm2)，取為78.5N/mm2 (或800 kg/cm2）。Φcb=混凝土承壓力折減因子，取為0.65。Nhb=水平筋總支承點數，取為（樁頭水平筋層數*每層鋼筋支數*2端點）。[8] 由於DH-PHC樁頭水平筋受限於樁壁厚度會影響鋼筋保護層厚度[7]，無法足量深入樁壁，故在較小外徑的基樁（即樁壁較薄），該水平筋剪力承載量將會受限於樁壁混凝土的承壓力。所幸基樁所使用的混凝土都是高強度混凝土(如78.5N/mm2)，能發揮相當大的承壓力，所形成的水平鋼筋總承載量比起傳統的填芯混凝土摩擦力仍是大且穩定耐久。而且工程師可視需求改變水平筋的總支數來提高容許拉力。 表2-1 各種樁徑DH-PHC基樁填芯段在建議水平筋下的拉力承載量 由表2-2中，我們可發現：填芯段水平筋使用2支較小直徑(如2-D16)比使用1支較大直徑(如1-D19)的抗拉拔效果來的更好。這是基於水平筋伸入樁壁所產生的垂直向投影面積較大之故；但若水平筋設置彎鉤，則效果不同。 2.2 運用DH-PHC基樁的植入式施工法的優點 植入式工法（埋入式）在台灣及日本地區的施行己達30年以上，雖施工成本較高，但被公認為能使基樁樁體保持最佳構件性能的工法。在外鑽掘植入式工法中，由於基樁在植入土層後，尚需使用大型鑽掘機械在樁頭進行二次鑽芯、及再進行清孔作業，以便能讓內孔壁面擁有足夠的良好接觸面。 圖1-2 樓倒事件照片 [2] 1.2作為大樓支承的預力基樁失敗原因探討 根據當年的調查報告指出，本案例是由於建築物一側開挖地下車庫(4.6M)、一側超填土方(約10M)所造成大樓兩側「壓力差」，而致大樓倒塌。大樓兩側「壓力差」是成因，顯然的已經存在一段時間了。大樓為13層興建時間絕對超過28天，混凝土構件強度也已完全發揮。兩側「壓力差」造成水平剪力過大，而致大樓有「異常大的傾覆力矩」，最終導致作為地質改良的預力基樁失敗。 預力基樁的失敗原因可能有三：受壓失敗、受拉失敗、受剪失敗。根據當年媒體所刊載的現場照片(見圖1-3)只能照到外露的部份，這一部都是受拉側，我們無從得知大樓受壓側的預力基樁失敗情況(因為被壓在建築物下，或許照片也有些拍攝角度盲點)。 預力基樁受拉失敗時，在樁體越上方所受拉力越大，故一般都發生在接近預力基樁和基礎承台介面附近。有幾種情形： (1) 發生在預力基樁和基礎承台介面：可能是垂直錨定鋼筋拉斷失敗。 (2) 發生在預力基樁填芯段：可能是填芯段混凝土摩擦力失敗，最糟糕的是整個填芯段被「拉出」。 (3) 發生在預力基樁填芯段以下：可能是預力基樁本身拉斷失敗。一般預力基樁本體都是設計來承受「壓力」的，容許承拉力可能都只是容許承壓力的1/5～1/10左右。由於樁壁混凝土材料不耐受拉力，拉力是由預力鋼棒承受。圖1-3照片中的預力基樁大多都不見預力鋼棒的原因是拉斷後，預力鋼棒多「縮進」樁壁內，並非沒有鋼筋。 當大樓兩側「壓力差」一直存在，致使拉力側的預力基樁受到「異常拉力」。打擊式的預力基樁樁體主要是由高強度混凝土(fc’=78.5N/mm2或800kg/cm2，大陸打擊樁用C80規格類似)、高強度異形鋼棒(fy=1,227N/mm2或12,500kg/cm2)及螺旋筋所組成，並予施加預應力。樁身材料剛性相當高，基本上也沒有什麼延展性，一旦發生破壞，就是直接「脆性破壞」了。大樓建築物主要是由樑柱版牆構件組成，整體還是有一定程度的靱性和彈性，比起預力基樁顯得柔軟些。若建築物作為支承中的某單一支預力基樁發生拉力失敗，樁抗拉力即告「歸零」，必須由鄰近的預力基樁來加以分擔承受。在結構設計上，通常預力基樁並不是設計來「承受拉力」的，容許拉力很低，所以就易發生「無預警性的連鎖拉斷、崩塌」。當然也會相對應的產生大樓受壓側的預力基樁的「異常受壓」而失敗；因預力基樁受壓破壞時，會將力量傳導於土壤層，因樁身強度遠大於土壤強度，除非樁底入岩(註：本案例場址為河岸沖積土層)，否則最終常導致土壤破壞沉陷。但本案例研判有屬於預力基樁拉力破壞的情形。 依照片(見圖1-3，由照片中人形比例加以估計樁徑)略估預力基樁樁徑大概是Φ600mm、管壁厚100mm、內孔(填芯段)直徑Φ400mm，明顯可見受拉側的預力基樁失敗情況有二： (1) 一是預力基樁本身被「拉斷」，如露出的管狀構件即是，斷點應在填芯段交界附近或以下； (2) 二是預力基樁的填芯段被「拉出」，如圖1-3照片右上角所露出的構件為較小直徑的平整淺色圓柱體即是； 預力基樁受拉破壞時，預力基樁本體被拉斷是正常，但填芯段被拉斷則屬異常，尤其是填芯段整支被拉出更是預力基樁內孔介面摩擦力完全沒發揮或失效。預力基樁施工型式在大陸主要是打擊樁或壓入樁，沉樁後的預力基樁內孔還算是乾淨，樁頭填芯段介面摩擦力比較高；台灣是植入樁，沉樁後仍須二次鑽芯清孔工序，來增加內孔的粗糙程度，但預力基樁內孔面仍都是劣質水泥漿，澆注混凝土後的填芯段摩擦力是比較差(指使用相同填芯混凝土配比的情況)(見圖1-4)。[5][6] 圖1-4 傳統植入式預力基樁樁頭二次鑽芯清孔殘留劣質混凝土情形 預力基樁的樁壁中是均佈高強度異形鋼棒，樁身在承受拉力時，雖樁壁混凝土的承拉力極低，但異形鋼棒仍可承受拉力。表1-1即為TYPE C預力基樁(預應力為7.85N/mm2 (約80kg/cm2)的樁身承拉力容量。表中可看出600mm預力基樁的承拉力容量為638 KN(約65 tons)才會到達預力鋼棒降伏的狀態；如拉力未超過此值，樁身卻受拉破壞時，即為異常。例如樁頭填芯段被拉出，即為一例。預力基樁受拉破壞，為無預警的脆性破壞，極為容易造成連鎖破壞。在圖1-3照片右上角中可見到預力基樁的填芯段整個被拉出，可能是大樓整體受壓力側的基樁尚未遭破壞即遭拉斷破壞；否則以大樓倒塌過程中傾斜情形推測，填芯段也會因為傾角而使樁身被彎斷，而非拉出。 表1-1 現行預力基樁之樁身抗拉力容量 除了早年日本地震中預力基樁受到強烈地震水平力破壞外，在現代建築案例中，其實是很難得見到預力基樁破壞的情形，這是極為難得的案例。尤其是預力基樁樁頭的填芯段整支被拉出的情形，則更是絕無僅有的罕品，即使在實驗室中也未曾發生(實驗一般都是應變計到達變位即告停止)。若是填芯段處理的好一些，可能可以使填芯段介面的摩擦力更徹底發揮，可能可以撐久一點吧。以此案例毫無支撐側擋的低挖土/高填土方式，大概災難的發生應該還是必然的。 在結構設計上，設計工程師都希望最初破壞點發生在「桿件上」，而不是在「接點上」。所以本案例中，預力基樁拉斷是正規的，只有「填芯段拉出」才是最大的異常。填芯段一旦拉出(摩擦力失效)，承拉力即歸零，鄰近預力基樁受拉力大增，預力基樁陸續被拉斷，樓倒是必然的。預力基樁樁身可以透過增加預力鋼棒數來增強樁體的抗拉力，但現行工法的填芯段(台灣稱為樁頭處理、大陸稱為樁頭加強)則不行，由於樁頭內孔中的水泥漿及土壤拌合液乾硬後的劣質混凝土不易徹底清除，植入樁的填芯段抗拉能力則比打擊樁更差一些。台灣30年的植入樁施工案例中，只有少數的填芯段抗拉報告[5][6]，用以肯定及鞏固樁頭處理施工成果，其餘更多量的施工案則多是語焉不詳。 植入基樁在二次鑽芯、高壓水清孔後，填芯段與樁壁介面的摩擦力保守取為0.20N/mm2(約2.0kg/cm2) [5]，估計 600mm基樁、填芯2M深的摩擦力約為 491KN(約50tons)。為使摩擦力增加，只有增加填芯段深度；但填芯段深度越深，則內孔面的清理更不易，工人施工的嚴謹度更受考驗。 2. 預力基樁樁頭接合的改進 災難一般都是突發的、異常的、超出容許範圍的，沒有人能預知災害的發生。預力基樁是一種極為優良的建材，性價比(C/P值)高，但仍有上中下三個主要缺陷，樁頭處理部份即是預力基樁上端最易發生的缺失。在改良式的DH-PHC樁工法就是針對這個工程困擾發展的，盡力鞏固樁頭接點的設計，使結構構件能力發揮的更好。 不同於台灣通用的植入式基樁(大陸稱埋入式)，大陸的大樓的預力基樁基礎多為打擊樁(或壓入樁)。這類似台灣1970年代盛行的施工方式，比起植入式工法，打擊式工法施工成本較低(約減少4成)[4]，但樁體因受擊打而易有損傷，影響基樁的耐久性。 在本文案例中，我們將焦點集中在預力基樁的樁頭受拉力的突發性破壞。在預力基樁受拉破壞中，以樁頭填芯段填芯混凝土（以下簡稱填芯段）受拉且被拉出於基樁外是最為異常的案例。由於傳統填芯段和樁壁間主要是由交界面的摩擦力來傳遞，除了材質之外，相當程度受到工地現場施工品質的影響，包含工作人員的施工嚴謹度。當一旦發生樁頭拉力時，由於基樁樁壁是由混凝土組成，且基樁和上方基礎承台間並未有適當的拉力連結，只能依賴填芯段來承受。當樁碩拉力超過基樁內孔填芯段的摩擦力時（包含摩擦力的喪失或減損），則發生拉力脆性破壞可能性就會增高。在結構設計上，工程師將會力求構件的容許承載力大於外力，以求結構安全，至少能達到產生預警破壞的情形，以降低災害中人員傷亡。 在預力基樁樁頭填芯段的處理上，數十年來，除了以填芯段的摩擦力設計外，並未有更好的方式，多數的工程設計上都只能用《基樁是設計來承受垂直壓力，而非拉力》來作為設計準則，以規避拉力的設計。這也造成了基樁只受壓而不受拉的刻板印象。但災難並不會如預期的只發生在壓力承載，當一旦拉力承載發生且超出設計拉力容量、或由於填芯段施工不確實造成基樁內孔摩擦力的喪失或減損，則災害的發生將會是突然且重大。 在張家齊等(2013)的研究中[3]，基樁樁頭的抗拉力可以透過基樁工廠預製時在樁頭段預先埋置水平鋼筋方式(圖2-1、2-3)，並於工地施工時和填芯段的垂直鋼筋及混凝土結合成為更為可靠的結構接點，一舉將樁頭填芯段的拉力承載量大舉提高。由於樁頭填芯段在完成後，幾近於實心混凝土斷面（指不同於基樁的空心管形斷面）。錨錠鋼筋藉由填芯混凝土及水平鋼筋，穩固錨定於基樁壁體內。在足夠的水平筋及妥善的錨定狀態下，填芯段的抗拉力可高達 400 tons以上。但一般基樁並非設計為抗拉樁，所需抗拉力並不高，只需滿足預力鋼棒的拉力容量即可。 圖2-2為DH-PHC樁頭水平筋的精簡方式，水平筋不再使用彎鉤，僅為直筋，適當簡化並降低成本。樁填芯段承受拉力，當水平筋是具有彎鉤時，水平筋可以發揮全部的剪力容量。但當水平筋不具有彎鉤時(平直型)，則水平筋的剪力容量將改由水平筋伸入樁壁混凝土中的(直徑*伸入深度)之投影面積的承壓應力控制，雖然會稍微降低填芯段的抗拉力，但仍可滿足預力鋼棒的拉力容量。當然，在特別需求的情形下(例如作為抗拉樁設計時)，水平筋仍是可以被設置來提供更大的抗拉力。 圖1-4 傳統植入式預力基樁樁頭二次鑽芯清孔殘留劣質混凝土情形 預力基樁的樁壁中是均佈高強度異形鋼棒，樁身在承受拉力時，雖樁壁混凝土的承拉力極低，但異形鋼棒仍可承受拉力。表1-1即為TYPE C預力基樁(預應力為7.85N/mm2 (約80kg/cm2)的樁身承拉力容量。表中可看出600mm預力基樁的承拉力容量為638 KN(約65 tons)才會到達預力鋼棒降伏的狀態；如拉力未超過此值，樁身卻受拉破壞時，即為異常。例如樁頭填芯段被拉出，即為一例。預力基樁受拉破壞，為無預警的脆性破壞，極為容易造成連鎖破壞。在圖1-3照片右上角中可見到預力基樁的填芯段整個被拉出，可能是大樓整體受壓力側的基樁尚未遭破壞即遭拉斷破壞；否則以大樓倒塌過程中傾斜情形推測，填芯段也會因為傾角而使樁身被彎斷，而非拉出。 (下略)
圖1-3 樓倒事件照片 [3] |
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