預應力基樁 樁頭處理與承台間力學傳遞之行為模式探討

余韋慶/德翰智慧科技有限公司總經理

一、前言

傳統預應力基樁(PHC)無論是植入式或錘擊式，都不能剛好把每根樁施做到承台底所需的設計高程。若是因為施工技術或地質因素導致樁帽高程過高，就要把承台墊層以上部分樁截除(圖1，圖2)。而截除後整體樁面高程，雖然有利於承台的接續承載，但是截樁後的樁頂抗剪能力與抗拉拔強度，是否因此被削弱而不穩定？

傳統預力基樁樁頭處理之填芯混凝土，與樁內壁界面之摩擦力並無法規之規定，實務上多無明顯依據，傳統上一般仍以摩擦力學為相互拮抗作用(圖3，圖4)。而改良式基樁，藉由中空樁頭之水平剪力摩擦鋼筋和樁頭處理之錨錠鋼筋，形成更強大可靠的樁頭抗拉力，並將工地施作之工序，移轉為質量穩定性高的工廠預製處理。除了增加基樁樁體強度和結構力學穩固之外，並減少現場施作時間及工期縮短。

二、技術規範回顧

建築物基礎構造設計規範[4]群樁側向設計規範指出: 得將樁帽視為鋼體，基樁及周圍地盤視為彈性體，並依結構理論分析推估之，以及第02457章預力混凝土基樁[5]切樁：樁頂超出設計高程時，應設計圖之規定及工程司之指示辦理切樁。實務上，常常忽略樁頭之樁帽截斷，造成樁頂之預應力不足及抗彎抗剪能力耗弱之嚴重性。

福建省建築科學研究院[2]研究指出：

2.1 樁與承台的連接方法未做改進，是幾次地震中樁基破壞率幾乎不變的主要原因，其存在的主要問題是:

  2.1.1樁頭埋入基礎中的鋼筋較少，剪力大時樁伸入基礎的鋼筋剪斷，產生樁頭相對承台的滑移。

  2.1.2 PHC 基樁樁頭截斷， 造成樁頂 30cm 範圍內預應力不足，抗彎 、抗剪能力下降。

  2.1.3樁頭抗拉力不足 。

  2.1.4不論液化土或非液化土中的建築樁基，樁頭部位總是出現大彎矩與剪力的危險部位。

2.2 1995日本阪神地震的樁基震害的調查，認為沿海土壤液化地基上 PHC基樁的震害主要表現為:

  2.2.1樁頂嵌固的破壞。

  2.2.2上部結構因樁身折斷而產生不同程度的不均勻沉降。

再者，第02457章預力混凝土基樁[6]樁頭處理：樁頭與基礎之結構連接，依設計圖之規定及工程司之指示辦理。傳統預力基樁(PHC)樁頭處理之填芯混凝土，與樁內壁界面的摩擦力，並無任何相關規範之規定。在實務執行上，許多疑問和顧慮點等待釐清:

(1)  預應力基樁屬離心式生產，內孔壁表面緊貼大量低強度水灰浮沫層，是否可以當成摩擦握裹之介面(未經表面粗糙處理)，用來計算摩擦力數值？

(2)  樁頭鑽芯處理後，是否有表面粗糙處理或內壁清潔度檢驗?

(3) 是否有執行水刀刮洗樁內壁動作(表面粗糙處理)，以增加摩擦握裹力?

(4) 截樁動作使得環狀排列的預力鋼鍵全部截斷，樁頂預應力值耗弱是否有任何補救措施?

(5) 打擊式或是靜壓入式施工工法，導致樁頭打爆(裂)、或夾爆(裂)現象產生，是否有補救措施來修繕處理?

(6) 樁頭填芯的膨脹混凝土品質及強度，是否有確實填充進中空樁頭裡?再者，產生乾縮裂縫後該如何因應？

 三、樁頭拉力傳遞行為模式的比較

由圖5 及圖6 的比較，清楚地看到改良式基樁與傳統基樁樁頭部位不一樣的拉力傳遞模式。改良式基樁技術上，捨棄傳統利用樁頭填芯混凝土與樁內壁間摩擦力來傳導上方基礎荷重的方式，而是改以工廠內預製的樁頭水平鋼筋來結合填芯混凝土，形成一個更穩定、強度更強的樁頭連結機制。

圖5 改良式基樁拉力傳遞示意圖		圖6 傳統基樁拉力傳遞示意圖

四、技術改進觀點(鋼筋混凝土結構力學取代摩擦力學)

改良式基樁在工廠預製過程中進行了技術改良(圖7，圖8，圖9，圖10)：

    1.樁頭部位水平鋼筋的預先設置

    2.樁頭中空部位下方的排氣孔設置 (鑽掘植入式基樁適用)

    3.樁頭中空部位的預先形成

圖7 預製廠內水平剪力筋綁紮(離心前)		圖8 水平剪力筋和透氣管(成品植入前)
圖9 樁頭水平剪力筋暨透氣管(植入後打開)		圖10 水平剪力筋暨下檔板(植入後樁內俯視)

五、改良式基樁樁頭與傳統基樁樁頭抗拉力計算

改良式基樁的樁頭握裹力的分析計算，係以水平鋼筋的斷面強度為基礎。技術研發之特殊中空樁頭設計裡，是以多層的水平鋼筋，作為樁內壁與現場灌注之填芯混凝土間的剪力摩擦鋼筋。

樁頭處理之剪力摩擦鋼筋所能提供之摩擦剪力為Vu = Φ*A_vf*F_y*μ 。

改良式基樁的樁頭握裹力，依剪力水平鋼筋設計量分析計算(表一)，以直徑600Φmm預力基樁，內徑為400Φmm,樁頭處理植入深度為2.0m為例。用以#6鋼筋D19  6層*2支*2支為設計量，經查表得知剪力摩擦鋼筋所能提供之摩擦剪力值 Vu＝486(ton)。

表1  剪力水平鋼筋設計量 [1]

王元靖等人(2007) [3]在中龍鋼鐵公司建廠案基樁工程中，執行現場樁頭抗拉拔極限載重試驗(工作應力法，ASD method)，決定PHC基樁內壁與普通混凝土界面之容許握裹應力值大小之建議，為樁內壁與填芯混凝土間之摩擦應力：

長期載重：　fs = 3.2 kg/cm² * 0.6 = 2.0 kg/cm²       

短期載重：　fs = 2.0 kg/cm² * ⁴/₃ = 2.6 kg/cm²

以相同條件下分析：傳統預力基樁依上述容許握裹應力值2.0kg/cm2計算之摩擦握裹應力值為 Ｑ_u = 2.0 kg/cm2 x (πx 40cm x 200cm) ＝ 50265.6kg≒ 50(ton)。 

比較之下，改良式基樁樁頭處理之摩擦鋼筋剪力值Vu＝486(ton)，遠大於傳統預力基樁的摩擦握裹應力值Ｑ_{u ＝}50(ton)。傳統預力基樁樁頭處理，只有單一固定摩擦握裹應力值可供設計使用。而改良式基樁是一種可變式樁頭握裹力學設計，可依剪力水平鋼筋之號數、層數與支數提供設計者參考的摩擦剪力值(詳情見表1)。

六、結論

改良式基樁的技術研發，雖然無法使同尺寸之傳統式預力基樁，獲得承載力上的重大進步，但由於其抗拉拔力穩定性高、容易施工及控制品質、縮短施工時間及節省成本等諸多新發現的優點，可以使預力基樁在應用上更進一步。

改良式基樁樁頭部位技術的改進，即使植入過程當中，因高程過高而截樁，或是操作不當而沉樁的情形發生，可利用此剪力摩擦鋼筋，分層次預埋於預應力基樁結構裡，用來強固化基樁與承台之間力量的傳遞。

  由此可見，改良式基樁在結構力學上確實克服傳統許多缺陷及不確定性因素，大大提升建築物抗破壞能力的質與量!

參考文獻

[1] 德翰智慧科技有限公司官網 (http://www.dehantech.com)

[2] 福建省建築科學研究院(http://www.jstv.com/static/jzzl/case/201311/t20131115_1961440.shtml)，中國。

[3] 王元靖、北條幸治、林振平(2007)。”PHC基樁孔壁與澆置之普通混凝土間容許握裹應力設計案例探討”。第十二屆大地工程研討會論文(A1-14)，台灣。

[4] 建築物基礎構造設計規範(2001) 。第5.5.3節群樁側向設計規範，台灣。

[5] 公共工程施工綱要規範。第02457章預力混凝土基樁，第3.2.6節切樁，台灣。

[6] 公共工程施工綱要規範。第02457章預力混凝土基樁，第3.2.7節樁頭處理，台灣。