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2017/8/25 | DH快速樁的研發歷程、遭遇困難的解決、專利申請心得、及快速建廠的應用(1)(部份上傳)
DH先進型快速基樁的研發歷程、遭遇困難的解決、
專利申請心得、及快速建廠的應用(1)
 
李勝男 /德翰智慧科技公司副總經理
 date: 2017-08 尚未完
 
Mr. Lee
 
前言與發想
 
  筆者從年輕就進入工程界工作,廣泛參與了民間建築、公共工程、工業建廠的各類型工作,參與過的基樁從反循環樁/全套管樁的場鑄樁、PC/PHC預製樁都有,親手親眼見識了許多樁的就地形成及它的缺失,尤其以公共工程的全套管樁讓我印象最深。這也是作為一個工程師想從工作經驗中改良傳統工藝的小小心願,也是之後與好友們共同創建德翰智慧科技公司的發想之一。 
  DH樁是德翰公司在基樁類的產品代號(P系列--意指Pile),一共有九個階段的技術,部份已有產品,部份仍已在生產線上排隊等待或蘊釀待開封中,也有轉型成其他方向的(例如四階品即轉型為海綿城市的基本技術類W1:DH-RAIN)。最早期,DH樁主要是針對全套管樁的缺失改良而展開的「DH先進型快速複合樁」(公司內稱:六階樁品、DH快速複合樁)。
  在DH樁發展過程中,不意或有意衍生了一款「DH先進型快速基樁」(公司內稱:一階樁品、DH快速樁)。這主要是我們後期在接觸到工廠建築時(主要是石化工廠)的發現與改良,更簡潔。不像消費性電子產品生命周期只是一兩年,工程技術的改善常是數年或數十年的週期,重要結構物被要求百年的壽命也是常態,考慮觀點也不相同。
 
  且讓我先打個針:文章會有點長且臭、或間斷跳tune、甚至會有點亂,部份內容或許還會對現有傳統產品技術有點挑剔和攻擊。因為使用口語式的鋪陳,顯得會有點冗長、論點會有點跳躍、校稿也不會太仔細。反正不是學術論文,同好們不必太在意,就當作有則佳勉、無則慶幸吧了。
  在這篇文章中,我將DH快速樁(一階)大部份的研發過程揭露分享給工程同好,期待工程界未來能有更好的產品或技術產生。同時,也將研發與產品推展過程中所遭遇的各式問題與困難,分享給工程同好,期待未來您遭遇類似問題時,可供您參考。有您的參與,必是工程界的榮幸,期待…您應該是下一個繼起者。
  我想這部份在台灣工程界是很珍貴的經驗,因為很少會有人(或公司)將研發過程揭露,還延續跨越好幾個階段技術。
  
一、 DH先進型快速基樁的研發
 
  先從最短小精幹型的技術說起吧。
  「DH先進型快速基樁」(以下稱DH快速樁)是我們在研發此一P系列基樁技術的改良發源,主要是在工業建廠過程中對PC/PHC樁之樁頭處理的缺失的觸發與改進。因是預製樁類,故仍分為工廠預製端及工地植樁端二部份敍述。
  台灣的工業建廠,結構基礎大量的採用工廠預製的預力基樁(PC/PHC),幾乎石化、鋼鐵、電子等行業都涵蓋在其中,主要的原因是成本低廉、工期短、強度佳、品管容易、及耐久性佳等,這些都是工業建設最迫切的需求。
  雖說PC/PHC樁並不是發源自日本,但台灣的PC/PHC樁的工廠預製及現場植樁(包含更早期的打擊樁施工)的技術都是源自日本,不論施工或是設計的學理演變也都大量地採用日本的技術及理論。我們在研發過程中也大量的研讀及參考日本早期資料。
 
1.1 現有預製PC/PHC基樁的優缺點
 
  預製樁採用了在基樁工廠廠房內預製完成,再運至工地施工,我們先從工廠預製端的優/缺點談起,再建伸至工地施工端的優/缺點。
 
1.1.1 預製PC/PHC樁的工廠預製優點:
 
  預製的PC/PHC樁的工廠預製的優點主要有:
 
(1) 成本低:
預製樁採用了在基樁工廠廠房內預製完成,再運至工地施工。
 
(A) 混凝土:
工廠內製作,工具機具吊具完整,操作工班人員熟練,通常使用自家廠內的現拌混凝土,精準的混凝土投料量,使用鋼模具在滾動台上離心製成,最終強度可以輕易達到800 kg/cm2 (近12,000 psi) 的高強度混凝土要求(PHC樁),比起工地場拌或預拌運來的混凝土現場澆置(通常強度不高於350 kg/cm2,近5,000 psi),品質上當然是強太多了。這也是PC/PHC樁高CP值的所在之一:略高的成本可製成超高強度的混凝土。實務上,混凝土材料是工程材料中成本較低廉的材料 (在基樁種類上,較之鋼管樁等,實在太便宜了)。CNS 2602規定至少為500 kg/cm2 的混凝土強度,目前只有 500 kg/cm2 (PC樁)和 800 kg/cm2(PHC樁)兩種。同時工廠預製使用的勞務人工遠較工地場鑄來得少許多,這也是大量使用機器替代人力的方式之一。
 
(B) 異形鋼棒:
再加上使用了比4,200 kg/cm2 鋼筋更高強度的異形鋼棒(降伏強度約13,500 kg/cm2 ),讓稍高成本的鋼材將材料特性徹底發揮的淋漓盡至(這在大學低年級的鋼筋混凝土學中有教)。以前使用鋼線(pc wire),現在則改以異形鋼棒(deformed bars)為主了,可焊性高,握裹力也佳。
 
(C) 螺旋筋:
由於PC/PHC樁外形是圓形,使用螺旋筋作為箍筋是絕對合理的,也會更增加樁的緊束力,對混凝土強度有幫助。同時,也因為螺旋筋的使用,主要以點焊於縱向主鋼棒作為固定,現在已全數採用了自動點焊機械代替人工;點焊於最傳統的高強度鋼線(wire)上會傷到主筋,所以縱向的鋼線現在已全改異形鋼棒(deformed bar),以克服點焊的需求。(A)(B)(C)三項是鋼筋混凝土的基本功。
 
(D) 預應力:
同時,預施加預應力(即鋼樁預拉、混凝土預壓) 使混凝土構件本身(樁)擁有預力性質,這是混凝土材料的極限了(這在大學高年級的預力鋼筋混凝土學中有教)。目前台灣CNS 2602規範的預應力分A/B/C/D四級,各為40/60/80/100 kg/cm2預力。日本JIS A5337則為A/B/C三級,各為40/80/100 kg/cm2預力 (中國則為A/AB/B/C四級,各為40/60/80/100 kg/cm2預力)。綜合前列(A)(B)(C)(D)這四項特性,幾乎可以說將RC材料充份利用了。 

(2) 工期短:
  在工廠預製基樁,是使用長形鋼模具作為混凝土模板,高頻率重覆使用,以降低成本。佐以吊具工具運搬固定,組模迅速,以減少人工勞務時間浪費。鋼模具是預先訂製的,尺寸精準,幾乎誤差是在1~2 mm間。最重要的是,混凝土材料強度的成形是需要「時間」這個材料的,工廠預製則以蒸氣進行高溫高壓蒸養,以加速混凝土材料強度的形成。工廠一般以一天一次模為主,必要時鋼模具仍可翻模加快製作速度。大量的PC/PHC樁成品可以在工廠中堆置,隨時可出廠至工地,等於是在工廠端位速進行預製。這也是PC/PHC樁工期短的原因之一 (另一為工地施工)。
 
(3) 強度佳:
  就如同在前項(1)中所述,使用高強度混凝土(800 kg/cm2)預製樁體,基樁主要是承受上方載重的垂直壓力,混凝土強度越高越有利。台灣絕大多數PC/PHC樁已使用植入式工法施工,施工過程中對樁體幾乎沒有任何破壞,即是使樁體自預製的工廠端到施工的工地端,品質都可以維持一致,不會因顧慮樁體的缺損隱憂而使設計的安全係數必須提高。所有設計工程師都知道,在接近的尺寸條件下,預製樁的強度一定比場鑄樁來的好上許多。這也是我們進行改良的重要參考點之一。
 
(4) 品管容易:
  PC/PHC樁體主要是在工廠內預製完成,工廠內環境控制品質好,不受天候影響,成樁品質自然較佳。檢驗上一般採用實地廠驗方式進行檢驗,少數業主/上包商可以直接派遣人員駐廠督導,基本上工廠不易發生重大缺失。剩餘的工地施工(例如:植樁等),大約只有水泥漿品質的差別而已。這樣的預製樁品管方式是遠優於場鑄型基樁的工地檢驗。最終的基樁載重試驗是最後的關卡;在預製樁而言,多數的品管都已在工廠內完成,而PC/PHC樁若依地質鑽探報告及學理推估樁承載力,數據上已相當保守,其實這一樁載重試驗程序並無什麼實質意義,只是在浪費工期而已,因為都在等待「時間」的流逝而己。這形成了我們產品成型後在推展中極重要的參考點,留後再述。
 
(5) 耐久性佳:
  在對抗環境侵蝕的條件中,混凝土材質是其中較優的材料,尤其在水環境(包含地下水環境),特別是海水環境(指含盬份的侵蝕氧化等)。混凝土樁主要材料90%是由混凝土組成,具有較高的環境抗蝕性能,耐久性當然優於其他樁體(例如:鋼管樁等)。PC/PHC樁更是在工廠中製作,較工地場鑄樁品質穩定許多,更是耐久;而PC/PHC樁使用了施加預應力,更可使混凝土密實、提高水密性、降低拉力裂紋的發生,都可以更提高耐久性。這也是我們極力推薦PC/PHC預製樁的重要原因。
 
  這是我們最喜歡的部份:工廠預製,走過工地的同好就比較容易理解現場施工過程中是狀況百出、場鑄樁成果通常是不易和設計圖一致的、現場要解決的情事(含協調、斡旋、台面上下、黑白灰道等) 非常多,優秀的現場工程師都是這樣子訓練出來的啊!如果能將大多數的現場工作移轉至工廠進行,應該是對工程最好的選擇。近年來,中國大陸日漸流行「組裝式建築」,想也是有其中的味道。 

1.1.2 預製PC/PHC樁的工廠預製缺點:
 
雖然預製的PC/PHC樁擁有許多的優點(如上述),但不可否認,它也有許多的缺點:
 
(1) 單節樁長受限制:受限的原因主要有三
 
(i) 受限於工廠:
由於工廠預製,不論是工廠廠房規模、鋼模具長度、天車容量、離心滾動台量能、打線機等,都會影響樁長。例如一般鋼模具長度不大於18米,即會限制樁長製作長度;又如隨著樁徑越大,樁的每米長的單位重量就越大,離心滾動量能若不足,即會限制樁長;如1.0M 樁徑,台灣境內還能作到16米長;而1.2M樁徑,將只能作到12米長而已。
 
(ii) 受限於運輸:
主要是車輛的載物長度限制。不可避免PC/PHC樁必須運輸至工地施工。雖然運輸板車標準是40呎長以下,也還有伸縮加長型板車,但多數都以16米以下為佳;若樁再長,則須採用夜間運輸或申請通行許可,較為費事。運輸道路的狀況也會對樁長有影響,例如若工地在台灣東部地區、或者是山區,行使道路彎折,會使運載難度增加。這也是PC/PHC樁多使用在都市或平原區的原因。
 
(iii)  受限於樁總長:
  這個原因主要是發生在植入式基樁上。
  打擊式或壓入式工法施工是採用分段置入土層,樁接續則採用樁位上焊接結合,所以沒有長度上的限制 (這是理論上的說法。樁越深,擊入的反力越大,斷樁或破樁的機率就會加大)。植入式工法是採用先焊接接合,再置入樁孔的施工方式,必須先形成樁全長整體,所以樁長有一定的限制 (吊車的吊高、吊重、吊距都有限制,不可能用超級大吊車來作這樣的基樁)。雖說可在樁孔上採用直接焊接接樁方式進行,但容易造成樁孔塌孔或夾制的情形,風險較高。
  這個部份在 DH快速樁(一階)而言尚可,但在 DH快速複合樁(六階)的考慮上,就更為講究了,這段講到六階再補充吧。
 
(2) 會有廢水泥漿產生:
  因為PC/PHC樁的高強度混凝土材料除了配比外,有一部份的原因是因為在滾動台上離心旋轉,混凝土材料在鋼模具裡拌合,因離心力較重材料會逐漸向外緣移動,最輕的材料則向中心擠出,最輕的材料就是「水」(包含水泥液),這就是剩餘的廢水泥漿(中國大陸稱漿水)的產生。
  廢水泥漿一般都必須在廠內集中、沉澱、運棄,這些水泥材料性質上偏向建築廢棄物類,不至於產生毒性物質,但對台灣這種高密度居住的環境,也是環境廢棄物,必須被運至廠外處理,至於如何處理,就不談了,相信都是用合法手段。現在有些樁工廠都已採用添加劑(如減水劑等) 來降低廢水泥漿的量,也是一種技術上的改進。
  德翰在研發過程中,也產生了相類似的處理技術,用來減廢及產新的收益,這不在本文討論範圍,容以後再述。
 
(3) 會有較高的運輸成本:
  因工廠預製,必須將完成的成品樁運輸至工地施工現場,以便於植樁施作。也因為這個原因,PC/PHC預製樁有經濟距離(自樁廠至工地)的考慮,一般在150~200公里左右,若太遠就會使運輸成本增加,競爭力迅速下降。而若工地位處交通不便之地(山區或道路受限制),也會有困難。目前台灣預製樁市場或因同業競爭、或因淡季搶單,即使是高雄-->台北,樁廠還是有意願接單。
  大陸有些地方會有利用水運情形(例如沿長江),對台灣這種講究效率的陸運方式,算是較為特殊。
  特別值得一提的是,因為特殊的需求(例如:超長單節大直徑PHC樁、或下貨點在水面上等情形時),會使用到船運的情形也是有,但台灣極為少見(或未曾見)。德翰在這一方面,也開發了一些相關的技術配合。

  下面,我們就要從德翰公司DH快速樁的開發開始談起。 

1.2 DH先進型快速基樁的改良
 
  在歷經過傳統PC/PHC基樁的情形後,我們進行了一系列的改良方案。先從發想講起:
 
1.1.1 DH先進型快速基樁改良的發想
  首先,我們看見了傳統PC/PHC基樁的樁頭處理時的不穩定點:
 
 
(文章很長 ---> 即將上傳)
文章有點長,對我有點負荷,請先見諒。
先上傳篇
2016-12月的文章(有些篇幅會重疊),這篇本是準備投稿大型論壇用的,因事延宕了。
 
 
 
 

 

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