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2020混凝土科学技术奖
【科技进步类】一等奖:系列化高性能预制桩成套关键技术研发与应用
时间:2021-01-07    来源:中国混凝土与水泥制品协会    分享:
本项目进行了高性能预制桩成套关键技术的研发与应用,在深基础核心要素预制桩的设计理论、材料 性能、施工工艺等方面进行了全面系统的工作。




2021年度中国混凝土与水泥制品协会混凝土科学技术奖已经启动,欢迎业内企事业单位及从业人员,持续关注协会官方公众号【混凝土科技奖】的相关信息。


2020年度中国混凝土与水泥制品协会

混凝土科学技术奖•科技进步类

获奖项目展示





2020年度中国混凝土与水泥制品协会混凝土科学技术奖工作于2020年6月启动,至12月圆满完成。报名期间共收到有效申报项目61项。经过专家评审委员会的初评及终评,共计39个项目获奖,包括一等奖2项、二等奖15项、三等奖22项,其中“科技进步类”13项、“基础理论类”2项、“技术革新类”24项。



一等奖项目:系列化高性能预制桩成套关键技术研发与应用



主要完成单建华建材(中国)有限公司



主要完成人:张雁、苟德胜、李斌斌、陈巧、毛永平、毛由田、王卫民、金忠良、李志高、谢晓钟、姚栋、赵伟华、向立军、张钊茂、杨广超


项目概况


改革开放以来,在我国经济快速发展的进程中,国家大规模基础设施建设带动了包括预制混凝土桩在内的水泥混凝土制品行业的发展,基础建设投资不断增长,预制混凝土桩行业得到了长足发展,其在产品多样性、年产能、生产工艺、生产设备及施工装备等方面都有了较大提升。目前预制桩已成为基础工程中的主要桩型,每年应用近4亿米,取得了显著的经济效益和社会效益。同时在工程应用中也存在如下问题急需解决:

  • 预制混凝土桩产品的多样性不足;
  • 应用领域较窄,主要集中在建筑工程;
  • 高承载性能、耐腐蚀性能、抗震能力等技术创新工作不足;
  • 桩间连接技术发展滞后;
  • 小直径桩抗水平承载力能力较弱;
  • 单桩竖向承载力不能满足工程要求;
  • 采用传统工法沉桩在部分地质条件下沉桩效果不佳。

针对现有因常规管桩单桩承载力不足导致超高层建筑中无法采用管桩、护岸支挡工程中错误使用预制桩导致事故多发、复杂地质环境和腐蚀环境下应用预制桩受限等问题,项目组通过长期系统的研发,在系列新型高强高性能预制桩及其成套技术研发、护岸支挡系列桩型及其成套技术研发、高效机械接头发明、植桩工法的工程应用性研发等四个方面取得自主创新突破,研发了系列高性能、高强混凝土预制桩及其成套技术,建立了系统的设计方法和技术标准,形成了完整的工程应用体系,实现高承载力预制桩的应用、复杂地质和腐蚀环境下的桩基础应用及支挡工程中正确应用,并广泛应用于建筑工程、公路、铁路、水利、港航等工程建设各个领域的桩基工程。重点开展了以下工作:

  • 耐腐蚀预制混凝土管桩的研发;
  • 预制超高强(强度等级高于C100)混凝土管桩的创新研发与工程应用;
  • 大尺寸离心预制构件及成套技术的研发;
  • 高烈度地震区域用桩的研发;
  • 高强预应力混凝土方桩的研发;
  • 地基处理用预制混凝土管桩的研发;
  • 护岸支挡用桩的研发;
  • 预制桩接桩技术研发;
  • 新型植桩工法应用研发。
主要创新点

1.研发了系列高强、高性能新型混凝土预制桩技术

研发了强度等级高于C100的混凝土及超高强管桩(C105~C125),验证材料力学指标及超高强管桩的力学性能;研发了用于腐蚀环境下桩基工程的防腐桩,实现其抗冻、抗渗、氯离子迁移、碳化、抗硫酸盐等指标均超过100年耐久性要求;研发了高延性、高韧性、高抗变形能力的混合配筋管桩及其抗弯等强接头的构造设计方法,实现了其在深厚软土基坑工程中的应用;研发了大尺寸(Φ800~Φ1600mm)离心预制构件及其成套工艺技术装备;研发了高承载力、高抗弯能力、高抗震能力的钢管混凝土管桩,揭示了混凝土与钢管不同材料离心结合后的协同工作机理与性能;研发了高强预应力实心方桩,提升结构耐打性及单桩承载力;研发了地基处理用管桩产品及配套桩帽产品。

防腐桩

地基处理用管桩施工现场

2.研发了多种用于护岸、支挡工程的新型预制桩及其制造、施工成套技术,实现护岸支挡工程非开挖、低影响、生态化、装配化建造。

研发了弧形截面高强混凝土波浪桩,首次提出了非对称弧形截面不同受力方向承载力计算方法,开发了弧形骨架自动成型设备、模具、施工精度控制系统、配套施工机具;研发了混合配筋护壁桩及其制造技术,具有良好的桩间防渗性能,同时混合配筋结构提升了桩身水平承载力及延性;研发了大长宽比(大于2)、混凝土填充率达85%以上的高强预应力离心混凝土板桩,开发了自平衡模具、骨架自动成型及控制设备,并专门研究其泵送工艺及离心工艺。研发了具有木纹效果的仿木桩,开发了多种效果成型模具。

波浪桩截面形状及拼接图

3.发明了抱箍式和膨胀咬合式快速机械连接接头,实现接头与桩身强度、防腐性能等效,得到理论和试验的验证。

研发了快速、高效、性能可靠的抱箍式快速机械连接,实现桩与桩之间的连接接头强度不小于桩身强度;发明了快速、高效、性能可靠的膨胀咬合式快速机械连接,实现了混凝土桩与桩之间的连接接头强度不小于桩身强度;研制了与各类快速机械连接适配的抗拔管桩;研制出可用于抗拔工程的预应力混凝土抗拔桩。

接头构件及桩身抗拉试验

4.试验与工程应用验证了适用于不同地质与环境的预制桩新型植桩方法,提出了质量验收要点及承载力计算分析方法。

采用水泥土原位搅拌、高压旋喷等多种工艺验证了适用于多种土层的非取土植桩工法。有效解决预制桩在软土中桩身强度发挥不足、在密实砂层中穿越困难、在老黏土地区偏位上浮等问题;开展了中掘引孔、旋挖等钻孔取土后植入预制桩的工法研究,验证了适用于基岩浅埋、密实砂卵石以及穿透硬夹层等地质的取土植桩工法。解决预制桩入岩、穿越溶洞及密实砂卵石应用等问题;提出由植桩法预制桩桩身强度控制单桩承载力的设计原则、植桩法的质量验收要求及承载力计算分析方法。

搅拌植桩工艺

应用效果

通过本项目技术,将现有的管桩混凝土强度等级由C80提升至C105及以上,可以大幅度提高单桩承载力特征值,减少桩数和承台面积,在桩基础工程中更具优势。

通过高性能防腐蚀混凝土管桩的研制,解决中、强腐蚀环境下预制管桩的应用难题,中、强腐蚀环境下,桩身无附加防腐成本,有效节约造价,进而扩大预制桩的使用范围;大尺寸离心构件及其工艺的研发使大直径管桩、预制离心桥墩等在交通工程及上部结构中的应用成为可能,大边长异形离心构件突破传统板桩制造工艺,其质量更稳定、支挡高度更高、施工造价更低;对于基坑支护或支挡工程中,混合配筋预应力混凝土管桩的抗弯、抗剪能力、变形能力等均优于同直径甚至更大直径的灌注桩。

港珠澳大桥人工岛桩基础工程

为适应工程需求,提高桩体接头力学性能,发展了管桩接头的构造设计,突破其在基坑和支挡工程应用中的局限性;在相同水平和竖向承载力的条件下,相对于大直径管桩,钢管混凝土管桩桩径小、自重轻,可以有效发挥承载能力,极大提高施工效率,且与大直径管桩造价相当;相对于钢管桩,钢管混凝土管桩身抗弯刚度大,高厚比小,等承载力替换有效节约钢材;波浪桩拼接形成波浪形挡土结构,结构新颖、造型美观,四向定位导向架沉桩精度高;护壁桩外方内圆截面,截面刚度大,挡土高度大,增加非预应力螺纹钢,桩身延性好,桩侧凹槽注浆后防渗效果好,适用范围广;仿木纹管桩木纹效果逼真,可代替木桩满足各类景观需求,承载力高、耐久性好、综合经济性好;抱箍式和膨胀咬合式机械连接的研制,节约现场施工工期,提高接头的强度,减少现场监管力度,进而减少机械投入和人工投入,接头处防水胶封闭,提高桩身的防腐和耐久性。

波浪桩施工效果

植桩法应用研究拓展了预制桩应用范围,针对预制桩在部分地质条件成桩难、无法充分发挥桩身强度的问题提供了解决方案,且对相关施工要点及设计原则作出要求,使预制桩在复杂地质条件下及环境条件下的应用成为可能。
企业介绍

建华建材集团,混凝土制品与技术综合服务商,国家住宅产业化基地,创建于1992年,其前身是建华管桩集团。

建华建材“让建筑更安全”为使命,坚持“走正道、负责任、心中有别人”的企业文化,遵循“以人为本,无为而治”的管理理念,坚守“用户第一,信誉至上”的企业宗旨,弘扬“求实、务实,提高办事效率,参与市场竞争”的企业精神。建立基于建筑工程项目的生态圈,为社会提供低碳环保、可持续发展的技术成果。

经过二十余年发展,不断地进行技术改造、革新、提高产品质量、扩大市场份额,逐步形成规模化经营,目前,建华建材产销量在中国市场占有率达 30%以上,为向客户提供专业的混凝土预制构件产品和技术解决方案。提供从地下基础工程到上部结构工程的全流程产品,如管桩、方桩、钢管混凝土桩、异型桩等桩基础产品,箱涵、管廊、顶管等管道产品,梁、板、柱、架、楼梯等混凝土PC部件,以及围栏、花架、桌椅、台面等各类混凝土装饰构件,产品广泛应用于民用建筑、工业厂房、铁路、机场、公路、水利、市政、电力通讯、装饰装修等各类工程领域,并提供勘察设计、产品供应、施工管理、方案优化、工程应用咨询等系列标准化服务和定制服务。

截止到2020年12月,建华建材集团在国内18个省、2个直辖市和2个自治区成立并投产了60多处生产基地。紧紧抓住“长三角”、“珠三角”、“环渤海湾”三大区域经济增长点,在全国设有近300个销售服务网点,覆盖全国大部分区域。在加大全国布点,抢占市场制高点的同时,建华建材积极探索国外市场,并于2012年在越南成立首家海外生产基地,阔步走向世界。为更大程度地满足海外市场需求,2018年1月集团在越南成立第二家海外生产基地,目前,建华建材通过沿海沿江生产基地自建码头,产品销售可覆盖东南亚及周边各国。

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