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1、 钢管桩钢管桩在上海超高层建筑的基础在上海超高层建筑的基础中已有所应用中已有所应用,如如金茂大厦金茂大厦等等.随着我国随着我国经济的高速发展经济的高速发展,钢管桩的应用必将越钢管桩的应用必将越来越多来越多.广大设计施工人员对广大设计施工人员对钢管桩钢管桩的的性能应该有一些认识性能应该有一些认识.目前大家比较关目前大家比较关注的问题一是注的问题一是钢管桩的腐蚀与防腐钢管桩的腐蚀与防腐问问题题,二是二是开口钢管桩的桩端阻力开口钢管桩的桩端阻力问题问题.腐蚀的现象与原因腐蚀的现象与原因 钢铁受环境的作用而变为氧化钢铁受环境的作用而变为氧化铁等的现象称为腐蚀铁等的现象称为腐蚀.钢管桩工作的环境是海水、
2、淡钢管桩工作的环境是海水、淡水、大气和土等水、大气和土等,而使钢管桩发生腐而使钢管桩发生腐蚀的就是其中的水和氧蚀的就是其中的水和氧.水和氧与钢水和氧与钢铁发生反应生成铁锈铁发生反应生成铁锈.钢铁变为铁锈钢铁变为铁锈的反应是一种电化学电化学反应反应.也可以说是根据”电池作用电池作用”进行的反应.在钢铁的表面表面由于种种原因存在无数非常细小的阳极阳极和阴极阴极,形成了了局部电局部电池池.在局部电池的阳极上发生生铁的溶解铁的溶解,阴极上发生氧的还原氧的还原,就这样进行着腐蚀反腐蚀反应应.钢管桩钢管桩腐蚀的速度腐蚀的速度决定于决定于单位时间内到达并扩散到钢表面的氧的量氧的量.而促使氧增加的主要因素是水
3、中溶存的氧的浓度、流速、氧的浓度、流速、混合的程度和温度等混合的程度和温度等.由于腐蚀而在钢表面形成的铁铁锈锈,在某种程度上成为氧扩散的屏氧扩散的屏障障,具有抑制氧扩散的作用抑制氧扩散的作用.而这种已经形成的铁锈层的保护作用铁锈层的保护作用,在大气中较大,在水中较小.当水中溶有食盐等中性盐溶有食盐等中性盐类类时,腐蚀的机理原则上没有变化.但食盐的存在影响作为氧扩影响作为氧扩散屏障的铁锈层的性质散屏障的铁锈层的性质.如果钢的如果钢的金属组织、应力金属组织、应力和塑性变形的和塑性变形的程度不同程度不同,在水中在水中的的电位就不同电位就不同.如两种不同成分如两种不同成分钢的钢的连接部位连接部位,成为
4、腐蚀电池阳成为腐蚀电池阳极的一方就会极的一方就会促进腐蚀促进腐蚀.钢表面钢表面的的压痕也会促进腐蚀压痕也会促进腐蚀.在低合金钢中,合金的元素进入铁合金的元素进入铁锈层中会引起铁锈层性质的变化锈层中会引起铁锈层性质的变化,从而从而影响钢的耐腐蚀性影响钢的耐腐蚀性.如在低合金钢中加入适量的磷、铬和铜磷、铬和铜,则在大气或海水中,其耐腐蚀性为普通钢的耐腐蚀性为普通钢的23倍倍.而在淡水或土中则没有没有太大的变化变化.腐蚀的形态腐蚀的形态 构筑物基础使用的钢除构筑物基础使用的钢除全面腐蚀全面腐蚀外外,还会发生还会发生“孔蚀孔蚀”和和“腐蚀疲劳腐蚀疲劳”等等形态的腐蚀形态的腐蚀.在钢表面的某些部位在钢表
5、面的某些部位,阳极反应集中阳极反应集中发生发生,严重腐蚀严重腐蚀,成为成为“孔蚀孔蚀”.孔蚀最孔蚀最主要的主要的原因原因是是通气性差通气性差.例如在例如在缝隙缝隙和和贝类附着的部贝类附着的部位位等等,氧的供给氧的供给比其他部位比其他部位少少,供给供给少的部位少的部位成为成为阳极阳极,供给供给多的部位多的部位成为成为阴极阴极,这样就形成了这样就形成了“电池电池”,在阳极部位就发生在阳极部位就发生“孔蚀孔蚀”.使钢发生激烈使钢发生激烈孔蚀孔蚀的诸多原因的诸多原因中中,还有还有“迷走电流迷走电流”的作用的作用.从从电电气铁路气铁路和和电焊机电焊机洩漏的洩漏的直流电直流电,一旦一旦流入流入土和水中的土
6、和水中的钢结构钢结构物物,再从钢结再从钢结构物流到土和水中构物流到土和水中,流出的点流出的点即发生即发生腐蚀腐蚀.电流容易流出的部位会造成深电流容易流出的部位会造成深深的孔蚀深的孔蚀.“腐蚀疲劳腐蚀疲劳”是钢铁在是钢铁在腐蚀性的环腐蚀性的环境中在拉应力的反复作用境中在拉应力的反复作用下在某一周下在某一周期以后发生期以后发生破裂的现象破裂的现象.腐蚀疲劳与没腐蚀疲劳与没有腐蚀作用的疲劳相比有腐蚀作用的疲劳相比,在在一定的应力一定的应力下下,达到破坏的达到破坏的反复次数少反复次数少.并且即使并且即使应应力较低力较低,如果如果反复次数非常大反复次数非常大,也会出现也会出现破坏的特征破坏的特征.应力腐
7、蚀破坏应力腐蚀破坏是钢在静拉应力是钢在静拉应力的作用下、在的作用下、在特定的腐蚀环境特定的腐蚀环境(热而热而浓的碱、硝酸盐、氰化氢水溶液或浓的碱、硝酸盐、氰化氢水溶液或液体氨等液体氨等)中发生的中发生的.这些腐蚀环境不这些腐蚀环境不是在通常的自然环境中遇到的是在通常的自然环境中遇到的,因此因此发生发生应力腐蚀的可能性非常小应力腐蚀的可能性非常小.钢表面铁锈层的厚度钢表面铁锈层的厚度 与与板厚减少量的关系板厚减少量的关系 因腐蚀而失去的因腐蚀而失去的铁的量铁的量中中,相当一部分相当一部分(一般一般1/2以上以上)用于用于钢表面铁锈层的形成钢表面铁锈层的形成,剩余剩余的一部分的一部分作为铁锈一度残
8、留在钢表面作为铁锈一度残留在钢表面,而后剥而后剥离离.另一部分另一部分不在表面生成铁锈不在表面生成铁锈,而以而以离子状离子状态流失态流失.这几部分铁的这几部分铁的比例比例根据淡水、海水、根据淡水、海水、大气、土等的大气、土等的环境变化而定环境变化而定.作为钢表面铁锈作为钢表面铁锈残存的残存的铁铁的比例的比例,一般在一般在土中较高土中较高,大气中较大气中较低低.并并随液体的流动而变化随液体的流动而变化.现假定因腐蚀而失去的铁全部用于在钢表面形成铁锈,则钢表面铁锈层的厚度与板厚减少量的铁锈层的厚度与板厚减少量的关系关系如下式所示:y=D S x/100 A式中 y-钢材的板厚减少量(mm);D-铁
9、锈的表观比重;S-铁锈层中铁的含有率(%);x-铁锈层的厚度(mm);A-铁的比重(7.85)例 y=D S x/100 A 在海洋环境中钢管桩铁锈层的测试结果为D=2.01,S=52.4%,代入公式计算:y=(2.0152.4x)/(1007.85)=0.134 x x/y=7.46 即铁锈层的厚度为板厚减少量的7.46倍 这一算例表明,若因腐蚀而失去的铁约一半用失去的铁约一半用于形成铁锈于形成铁锈,则铁锈层的厚度比板厚减少量大得多则铁锈层的厚度比板厚减少量大得多(34倍倍).所以应当注意应当注意,不要误以为铁锈层的厚度等于不要误以为铁锈层的厚度等于板厚减少量板厚减少量.铁锈层的厚度与板厚减
10、少量的关系铁锈层的厚度与板厚减少量的关系如下图所示如下图所示:钢管桩在土中的腐蚀情况钢管桩在土中的腐蚀情况 1 日本建设省土木研究所的调查研究日本建设省土木研究所的调查研究 调查对象调查对象是幸谷桥幸谷桥的的钢管桩钢管桩 钢管桩钢管桩外径486mm、壁厚16 mm、9mm 1958年1011月施工,经过17年后拔出,进行腐蚀调查.调查方法调查方法 为了解钢管桩在深度方向大致的腐蚀程度和腐蚀形态,先用肉眼观察表面附着物的颜色先用肉眼观察表面附着物的颜色和状态和状态,以及以及附着物清除后的腐蚀形态和程度附着物清除后的腐蚀形态和程度.然后取样测试取样测试,定量地了解钢管桩各部位的腐蚀量.根据外观,认
11、为腐蚀大的表层部位连续取样,腐蚀小的深层部位间隔取样,取样时还要考虑土层变化情况,试样尺寸为 1010 cm,在柠檬酸二铵水溶液中浸泡冼净,再用点测微计量点测微计量测量厚度.取样和试样上测点位置如图所示.因为没有钢管桩打设前壁厚的测试资料,所以原始壁厚是根据实测结果推算的原始壁厚是根据实测结果推算的.调查结果调查结果 如表所示如表所示 深度 m土质表面 原 始 壁 厚 mm 实 测 壁 厚 mm 最小 平均 腐 蚀 速 度 mm/yr最大值 平均值-0.30.00.00.20.20.91.72.55.26.110.211.117.218.124.225.118.229.135.236.1大气土
12、 细 砂淤泥夹细砂 粘土夹淤泥 。细砂涂涂裸下 同 15。8115。8115。8115。8115。429。029。218。748。749。5714。04 15。6115。26 15。7615。14 15。6514。76 15。41 15。28 15。398。90 8。998。86 9。158。61 8。738。21 8。709。38 9。520。104 0。0240。032 0。0030。039 0。0090。062 0。0240。008 0。0020。007 0。0020。021 0。0040。008 0。0010。031 0。0020。011 0。003 从表中可见：从表中可见：1 外观外
13、观：大气中涂膜损坏部分腐蚀显著；表层土中部分腐蚀；细砂层中除全面腐蚀外有局部腐蚀，到淤泥夹砂层中局部腐蚀更多；从粘土夹淤泥层以下几乎没有腐蚀从粘土夹淤泥层以下几乎没有腐蚀。2 在土中腐蚀速度总平均总平均为0。007mm/yr.3 腐蚀速度表层部位表层部位明显大于深层部位深层部位；同在表层，淤泥夹砂淤泥夹砂大于细砂细砂；4 腐蚀速度最大最大部位平均不过0。024mm/yr,2mm的壁厚可耐腐蚀耐腐蚀80年。年。2 日本土质工学会的腐蚀调查日本土质工学会的腐蚀调查 日本土质工学会日本土质工学会为在大范围内各种土质为在大范围内各种土质条件下的条件下的钢桩钢桩进行腐蚀试验进行腐蚀试验,从从1962年到
14、年到1966年年,在日本在日本10个地方个地方设置了设置了126根钢桩根钢桩,桩的桩的断面为断面为L型型,桩长约桩长约15 m.然后分别在打然后分别在打设后的第设后的第二二年、第年、第五五年、第年、第十年十年各拔出各拔出42根根,进行进行腐蚀状况观察和板厚减少量的测定腐蚀状况观察和板厚减少量的测定.结果如表所示结果如表所示.桩所在地 土质调查目的根数平均腐蚀速度 (mm/yr两面)东京电力冲积淤泥 普通钢腐蚀90.0045川崎制铁填海地普通钢合金钢腐蚀 电防腐120.0114广岛大学砂.淤泥普通钢腐蚀100.0116新日铁关东砂粘 普通钢腐蚀90.0112关西电力海边填土 普通钢 耐候性钢焊接
15、部位蚀150.0083鹿岛建设 砂砾普通钢腐蚀90.0093住宅公团 砂粘互层普通钢腐蚀电车轨道迷走电流影响 涂装防腐120.0148农林省淤泥普通钢腐蚀90.0094武里团地 砂.淤泥普通钢腐蚀钢管桩内面防腐110.0061川崎制铁 填海地普通钢腐蚀钢筋混凝土基础内钢筋的影响等300.0127总计总计126 根根平均平均 0.0106mm/yr 根据试验结果可以作出如下判断根据试验结果可以作出如下判断:1 除接近地表部分外,经过10年的桩表面几乎保持原状;2 各地10 年总平均腐蚀速度腐蚀速度(两面两面)为0.0106mm/yr单面为0.0053 mm/yr 最大值最大值为0.0297mm/
16、yr;3 腐蚀速度随年数增加而减少;4 推荐设计用腐蚀速度为推荐设计用腐蚀速度为0.02mm/yr 3 日本钢管桩协会的腐蚀调查日本钢管桩协会的腐蚀调查 钢管桩协会在大宫城县盐釜市,对正在使用的构筑物钢管桩进行了腐蚀实态调查.这些桩已打设4年.土层状况是地表至3m为填土,38m为淤泥,以下持力层为泥岩(基岩).钢管桩 外径 508 mm、壁厚9.5mm、桩长711m.调查方法调查方法 露出三根钢管桩露出三根钢管桩,在基底以下约在基底以下约1020cm的桩顶附近的桩顶附近(深度约深度约2.3m)切下切下60110mm110mm的试验片的试验片.在试验片切取以前在试验片切取以前,先清除切取部位先清除切取部位附近的铁锈附近的铁锈,用超声波测厚仪测定壁厚用超声波测厚仪测定壁厚.测定的位置和结果如图所示测定的位置和结果如图所示.No.1No.1桩桩 测测得得9.3mm 9.3mm、9.4mm9.4mm的壁厚的壁厚较多较多,比比当初当初的的公称壁厚公称壁厚9.5mm9.5mm有所减有所减少少.No.2No.2、No.3No.3桩桩与当初与当初的的公称壁厚完公称壁厚完全相同全相同.从试验片可见钢管桩
