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上海陆家嘴世界金融和新上海国际大厦
软土地基长江之滨建造现代化钢厂是专家们最关心的问题,是关系到数百万立方米大体积混凝土基础和地下空间裂缝与防水问题,是确保现代化生产的要害。经1978年2月全国专家们热烈的论证,一、宝钢软弱地基厚度较深60m左右,面积较大,紧靠长江地基比上海市区还更软弱,处理地基难度较高(我院情报室提供资料举例:美国大湖钢厂原料堆场曾发生地基失稳现象)。处理地基费用较多。二、地基处理费用虽然很高,但从全面来看钢铁工业的转型换代,联系上海建厂的优越条件,投资是值得的。我接受香港大公报和文汇报记者的采访,香港大公报和文汇报于1980年3月22日都刊登了我的意见标题为“中国副总工程王铁梦个人意见-宝钢投资虽然很高换来经验完全值得”,实际宝钢钢管桩处理地基的费用约占总投资的10%。约12亿人民币。按常规国内外专家都重视被加固地基的垂直承载力,经过35年,现在以证明对控制全厂结构差异沉降和水平位移更加重要。
最后肯定了软弱地基上建设现代化钢厂可行性,关键是如何加固软土地基,宝钢软土地基加固方法是决定宝钢工程建设的要害问题。由于当时国内混凝土方桩的试验,深度达不到持力层就被打断,表明无法满足深厚层软弱地基上建设现代化钢厂的要求,日本到处都是填海造地的软土地基,在此基础上建造了许多大型现代化钢铁厂,他们对深层软土地基加固主方法是钢管桩技术,质量好速度快,因此宝钢一期工程决定采用日本钢管桩加固软土地基处理技术。根据国内当时没有制造和应用钢管桩技术的实际情况,工程所需的钢
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管桩也一并从日本引进。1978年5月,我们在现场做前期准备工作,进行了日本提供的三种钢管桩的承载力试验;日本还有偿提供了自动化试桩检测设备和仪器非常先进,中日双方并按照试验结果确认了钢管桩极限承载力,变形和设计容许荷载,我方则据此估算了钢管桩的引进数量。同年6月,在日本进行技术设计审查。
审查地点在日本八幡新日铁技术中心,没有想到在审查钢管桩的垂直承载力时,日本新日铁的谈判人员提出,由于为宝钢建设提供的成品桩壁厚比上海试验桩的壁厚小了3~3.5毫米,根据美国Seed & Reese理论计算,成品桩的极限承载力要比试验桩的极限承载力降低约30%;因此他们要求修改双方在上海现场确认的钢管桩极限承载力数据。并要求中方代表审查,签字同意。这意味着如果同意日方意见,将向日本多买30%数量的钢管桩。约5千万美金,签字后果严重。我们土建组的五个成员一致说不能签。日本人按照美国Seed & Reese理论计算。我们的图书资料远在上海,在日本八幡无法得到美国Seed & Reese的原始方程的推导依据。在宝钢工程的具体条件下如何应用?是谈判争论的技术关键。我对日本如何应用应用美国Seed & Reese计算理论计算书进行了分析研究,发现其中的微分方程和我以前研究过的温度应力微分方程形式基本一致。我当即在住所花费了两天两夜推导出微分方程的详细解答,经过严密检算,确认在宝钢既定的地基情况下,摩擦桩的极限承载力足够,可以采用上海试验桩承载力的试验结果,没有改变的理由。在接下来和日方谈判中,我联系宝钢工程具体条件和日方谈判专家据理力争,指出日方意见中对美国Seed & Reese计算法的边界条件有错误,应该维持双方在上海确认的试验结果。经过一个星期的辩论,日方终于同意中方提出的按双方在上海确认的试验结果计算成品钢管桩数量的意见,撤回要求宝钢降低承载力YB100-33号文件,即要求宝钢降低钢管桩承载力的文件。这个技术争论的圆满解决,在当时至少节约了5000万美元外汇。确保了高度自动化生产沉降变形。
钢管桩打入后,土方施工随即开始。1979年10月即发生了震惊全国的宝钢地基位移现象,及水平滑移变形现象“宝钢花了几百亿投资,要滑到长江里去,初轧厂钢管桩地基朝长江方向以每天1毫米的速度滑移”的传闻,各分区指挥部全面观测结果,到处都有不同程度的水平位移,最大接近400毫米,一时震惊国内外,宝钢紧急汇报给党中央国务院。党中央国务院十分关心宝钢地基位移问题,李先念主席亲自批示“慎重慎重再慎重,注意注意再注意,宝钢不能出岔子”。要求宝钢每隔15天向中央报告一次。再一次测试中发现,从宝钢1号高炉与热风炉的轴线发生桩头位移,经进一步测试证实:各大分项工程都有不同程度的桩头位移现象。特别是正在施工的初轧厂开挖工程,桩基位移尤为严重。宝钢工程指挥部组织了由冶金部建筑研究总院、二十冶、上海基础公司联合试验攻关小组,我担任负责人,于1980年7月18日开展了位移为361毫米的钢管桩承载力试验,荷载加到了225吨(相当于设计允许荷载的1.3倍),证明完全可以达到设计规定的承载能力。7月22日又进行了位移为376毫米的钢管桩承载力试验,,荷载加到了250吨(相当于设计允许荷载的1.5倍),钢管桩仍然工作正常,尚未出现破坏迹象。据此,指挥部得出了水平位移小
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于300毫米的桩基不作处理时,位移超过300mm的桩通过具体部位条件进行验算,大部分桩都可以满足安全度的要求不需要加固。我根据实测资料提出了桩基变形分析方法的计算模型。经过这些试验,中日双方一致认为,已经发生的位移桩基在处理后质量是可以放心的。自此之后,指挥部做了大量工作,要求各施工单位注意桩基位移这个问题,在后续的施工中,如二期三期都发生过桩基位移,最大位移量达4米之多,都获得了成功的解决。天津大无缝工程发生了桩基位移现象,邀请宝钢派专家组赴天津现场,解决了现场问题,写出了论文(王铁梦、周志道、陈幼雄)在全国地基会议上进行了交流,指挥部制订了有关打桩、开挖、降水控制位移的技术措施,临时性重大技术难题已获解决,但是为了解决今后还会发生的桩基位移问题,必须从理论上探索规律。国际上关于桩基技术论文多数是在垂直承载力方面,但在水平承载力和变形方面资料很少。
在水平位移方面,中日双方都同意应用弹性基础梁的理论作为基础模型进行推导。
水平位移后钢管桩承载力和应变变形试验现场
翻译,春松(日),王铁梦,杉浦(日),张善明(从左至右)
宝钢桩基位移后在钢管桩承载力试验现场
即Y.L.CHANG(张友龄)方法。中方有宝钢顾问委员会首席专家李国豪和宝钢桩基位移实验研究组,有我本人负责,虽然基本理论是共同的,但是日方的初始条件将位移桩当做
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“主动桩”进行推导其结果与实际误差过大不能应用,而我方将位移桩做为“被动桩”推导的结国接近实际,所以以后的桩基位移都是用我推导的公式。
宝钢一期投产后,粉煤灰的存放成灾,外运粉煤灰1吨倒贴2元,当时粉煤灰的综合利用列入宝钢的公关技术难题,在15万立方米高炉煤气柜基坑内进行了粉煤灰回填应用。日方得知这一情况后,进行了煤气柜在8级台风作用下的水平位移的分析计算,他们计算得到的结果是超过允许位移数倍,竟达70至100毫米,我方做了有限元和按动力基础的理论分析,结果大致相同,位移很大,可能引起煤气柜爆炸。一号高炉离煤气柜很近,如果发生爆炸,后果将不堪设想。这一计算结果震惊了宝钢指挥部。我根据宝钢软土地基位移实验资料假定计算模型,计算结果最大位移只有3至5毫米,不可能引起煤气柜的爆炸。分歧很大,怎么办?指挥部又组织了现场科学试验。冶金建筑研究总院结构试验室派出了专职人员和我一起应用宝钢遥控检测集装箱装置,在台风季节进行了长期的观测。
通过在不同高度的风压传感器和地基位移的激光法检测得出结论:基础的最大位移在8级台风作用下为1毫米,呈反复变形,对煤气柜不产生任何有害影响,由此解决了重大的技术和安全问题。这里可以看出理论计算和有限元分析和工程实际变形最大误差达70—100倍,多年来的使用证明,这一现场实测结论是正确的。
在浦东开发建设时期,针对上海软土地基经常出现地基稳定性问题影响工程建设安全性和可靠性,浦东新区采取了新型的领导方法,即将专家和行政领导结合的领导小组处理,建筑密集区的地基基础问题,如陆家嘴地区工程,我和叶克明被推荐为技术专家组的组长和专家黄绍明、周志道等,行政由城建局副局长担任,这样新型组织使得专家意见能得到顺利的执行,处理了大量的工程实际问题,其中有不少工程都出现过桩基位移这个问题,浦东陆家嘴地区超高层建筑深基坑开挖的相邻影响问题,我们专家组深入现场第一线,提出技术处理意见,由行政组监督实践,工程问题获得妥善解决,我体会到在重大工程建设中,这种有行政和专家组成的协调领导小组可以非常有效的解决重大技术难题,如相邻影响问题,有利于大量地下工程混凝土结构裂缝与渗漏控制问题,确保了陆家嘴国际金融开发区顺利建设。
后来宝钢总承包设计院重庆钢铁设计研究院,在总结桩基水平位移和弯曲的内力计算公式时认为:“1980年宝钢处理桩基位移时,曾以国内外专家和王铁梦氏推导的公式做过分析对比,处理实际工程位移的经验认为,建立在现场实验基础上的王氏公式较为切合实际而且简单实用”。详见1981年桩基工程学术论文集—中国建筑学会地基基础学术委员会。《宝钢1580热轧厂工程箱形基础部分桩位移的分析研究与处理意见》。宝钢总承包设计院重庆钢铁设计研究院—1995年9月。
在软土地基高地下水位条件下,由于开挖、降水、打桩等施工过程会引起地基的应力重分布,导致工程现场产生变形(水平位移和沉降,及上浮,混凝土裂缝),工程周边地面和部分结构出现裂缝,这是完全正常的现象,他具有临时性和局部性,工程建成后会逐渐
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恢复,此现象与上海地区地面沉降无关。2012年2月20日晚中央台焦点访谈中关于上海中心周边的地面裂缝分析是一个误解。
上海吴淞蕰藻浜(吴淞大桥)大桥九十余条裂缝检定与超载重车通行
宝钢一期工程开工建设初期,现场最大只有20吨吊车,根本不能满足现代化钢铁企业大型设备施工需要,为了解决这个实际问题,从德国DEMAG公司引进了五辆300吨履带吊车,装载这些吊车的货轮停靠在蕰藻浜南侧的逸仙路上海港九区码头,就是无法运到宝钢工地。其原因是当时的吴淞蕰藻浜大桥是宝钢建设初期必经的咽喉要道;而上海和宝山的经济发展已使这座历经了28个春夏秋冬的老桥不堪重负,大桥年久失修。管理单位检测到全桥裂缝缠身,因此交通公安局在桥头挂蓝牌白字限制通过该桥的单车总重量不能超过80吨。300吨履带吊车分解后的主机重量有68吨,运送主机的拖车也有35吨,加起来的总重量是103吨,超过了允许载重的28.75%;桥梁管理单位不放行。货轮虽到了上海却只能停靠在码头不能卸货,每天还要付压港费4500美元。当时这个问题已经拖了有半个多月了。
我知道这是一件风险较大的棘手事情,必须先到实地调查,摸清基本情况;做到心中有数再说。大桥位于吴淞镇南,横跨80余米宽的蕰藻浜,南接逸仙路,北连同济路,是当时贯通宝山(吴淞)区南北的主要桥梁。1951年上海市政府投资269万元,由华东建筑工程局土木工程处承建。1951年6月12日开工,1953年2月28日通车,称吴淞蕰藻浜大桥,简称吴淞大桥,此桥为解放后上海市郊最早建成的大跨度钢筋混凝土公路桥。桥梁结构为箱型梁双悬乙型扩大基础钢筋混凝土结构桥,总长度为126米,宽度15.2米,车行道12米。设计车辆载荷为20吨,车流量每分钟20车次,桥的跨径12.04米+21.8米+12.04米,桥下一孔通航,低水位通600~700吨级船,高水位通200~300吨级船。1979年宝钢一期工程建设时,这座第四次改建的永久性钢筋混凝土结构公路桥也已经历了26年的风风雨雨,虽曾在1962年进行过一次加固维修,但由于交通量的不断扩大,桥梁上已出现90余条裂缝而且在不断增加。公安局在桥头立牌限载通行
由于年代久远,桥梁的设计图纸和人员已经难以找到。通过我的不懈努力和恳求,最后在吴淞桥梁管理所的一个破箱子里找到了1962年进行的加固维修图,我如获至宝。对于一座带有数百条裂缝和严重变形的桥梁,能否超载通行是一个重大的疑难问题。我必须实事求是,以严谨的科学态度认真对待。根据桥梁裂缝较多的实际情况,我对现场调查时检测到的裂缝按照配筋图进行了结构承载力和裂缝开展宽度的验算,从而区分出了三种不同情况的裂缝来进行桥梁检定和超载重车的通行评估。第一种是动荷载引起的裂缝,宽度都在0.3毫米以下,其位置一般在最大弯曲受拉区域;在剪力区域则未发现有开裂现象。第二种是因为桥梁基础处理不当而造成了不同沉降,差异沉降产生了裂缝和变形;这种裂缝和变形所占的比例不多,大约在10%左右,但其宽度较大,一般在1~5毫米之间。第三种
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