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史佩栋桩在中国的起源桩基峰会
TheOrigin,ApplicationandDevelopmentofPileinChina
ShiPeidong
桩在中国的起源、应用与发展
史佩栋
SectionⅠTheOriginofPileinChina
第一节桩在中国的起源
桩在中国起源于距今6000-7000年以前的新石器时代。
中国的考古学家于1973年和1978年相继在长江下游以南浙江省东部余姚市的河姆渡
村发掘了新石器时代的文化遗址,出土了占地约4万m2的木桩和木结构遗存。
经放射性碳14测定,该遗址的浅层第二、第三文化层大约距今6000年,深层第四文化层大约距今7000年。
这是太平洋西岸迄今发现的时间最早的一处文化遗址,也是环太平洋地区迄今发现的规模最大、最具有典型意义的一处文化遗址和木桩遗存。
参见图1-1和图1-2。
钱塘江
图1-1河姆渡文化遗址位置图
图
图
图1-2河姆渡出土木桩现场
据报道,美国肯塔基大学的考古学家曾于1981年在太平洋东南沿岸智利的蒙特维尔德附近的森林里发现了一间支承于木桩上的木屋,经放射性碳14测定,据称是距今约12000至14000年前的文化遗存。
它可能比中国的河姆渡遗址大约还早6000至7000年。
但是该木屋遗存迄今未闻有任何后续报道。
中国的考古学家自1996年10月至1997年1月,又在浙江余姚市的鲻山(东距河姆渡约10公里)等地发掘了木桩遗迹,其时代与河姆渡遗址相同。
河姆渡出土文物表明,人类在新石器时代,已具备了制桩和打桩的成套工具,其中包括使今人十分惊奇的带有木柄且用榫卯结合的石斧、石凿、石槌、木槌,以及用动物骨制成的锐利的刀具等。
河姆渡现今海拔高程平均约3~4m。
所发掘的第四文化层位于今自然地面以下约-3.25至–3.80m。
其所出土的数百根木桩或直立,或微斜,大多高出当时地面约800mm至1m左右。
图1-2所示木桩,其截面有圆形、方形和板状三种。
圆桩直径约Φ60mm~Φ180mm不等;方桩尺寸约60mm×100mm至150mm×180mm不等;板桩厚度约14至40mm,宽度约100~500mm不等。
桩的入土深度一般为400至500mm,承重桩的入土深度约1m多;桩的下端均被削尖。
考古研究认为,根据这些木桩的排列规律及其附近所出现的众多的带有榫头、卯口或互相绑扎(当时已用绳绑扎)的大小梁、龙骨和地板等木构件推测,这些木桩应是3栋高架木屋的桩基础。
木屋的纵长×进深大致分别是26.4m×6.9m,21.6m×7.5m和11.6m×6.9m。
研究认为,该处古地貌应是背山面水的一片沼泽。
木屋采用高架,主要是为了临空避水防潮;木屋较长,乃是氏族共居之所需。
河姆渡高架木屋的上部形态在发掘时已荡无痕迹。
但据史料记载此类建筑物在古代曾流行于我国长江中下游、东南沿海、云贵高地及海南岛等地,亦流行于环太平洋沿岸的其它地区。
它在中国建筑史上被称为“干阑式建筑”。
这种高架木屋,先民不仅用来居住,而且也作仓贮和豢养牲畜之用。
研究认为,其形成过程和典型的外貌可追溯如图1-3所示。
它表明,“干阑式建筑”乃起源于人类的“巢居”生活。
图1-4是今人在河姆渡遗址仿建的“干阑式建筑”一角。
图1-5为河姆渡遗址博物馆外景。
图1-3“干阑式建筑”的形成过程
(a)独木架巢(b)多木架巢
(c)干阑式建筑雏形(d和e)干阑式建筑的典型外形图
图1-4河姆渡遗址仿建的“干阑式建筑”一角
图1-5河姆渡遗址博物馆外景
河姆渡第二文化层处于今自然地面以下约-1.20m至-1.80处。
此处还发掘了一口2m×2m的方形水井遗址。
井孔四壁有紧密排列的直径约60mm的木桩挡土,其顶端有4根水平木呈直角相交而构成井圈,水平木与水平木相交处用榫卯结合,直至出土时仍未松动。
考古研究认为,这是我国迄今所知最早的人工水井,见图1-6。
图1-6河姆渡第二文化层出土水井遗址——用桩作为挡土结构物的起源
在现场还可看到该水井系处于一直径约6m的锅底形土坑的底部,土坑周边又有木桩排列呈栅状围护。
以上说明了采用桩作为挡土围护结构,至少也可以上溯至新石器时代。
中国考古学家又于2002年底在浙江杭州市西部的余杭良渚文化遗址群南侧,发现了木桩遗存。
良渚文化期晚于河姆渡文化期约1000年。
由于木桩遗存具有一定的布列规律,乃于2003年予以正式发掘,揭露面积855m2,发掘了木桩140余根,其中部分木桩往水域伸展,宽约1m,长达10m。
木桩直径多在50-150mm之间,最粗者达215mm。
木桩尖部皆经削劈,加工痕迹明显。
是称卞家山文化遗址,参见图1-7至1-9。
图1-7卞家山文化遗址木桩出土现场
图1-8木桩与地层的关系图1-9往水中延伸的木桩
四川成都处于长江中游,在我国历史上有“古蜀文化”的记载。
1985-1986年,我国的考古学家在成都十二桥发现了商代晚期(距今约3000余年)的大型木结构建筑遗存,总面积达15000m2以上,其中有支承于桩的小型“干阑式建筑”的遗迹,见图1-10至1-11。
图1-10成都十二桥商代晚期的“干阑式建筑”遗存
图1-11成都十二桥商代“干阑式建筑”复原图
SectionⅡTheHistoricalApplicationsofPileinChina
第二节桩在中国历史上的应用
考古研究表明,中国在许多地方还存在着先人利用木桩支承房屋、桥梁、高塔、码头、海塘、城墙或筑坝挡水的遗址,以及先人别出心裁地应用木桩的另一些遗迹。
并且木桩尽管在历史的长河中可能会因自然或人为原因而遭毁损或被湮没,但人们仍可以从一些出土的墓砖、随葬品等或古画古籍等历史文物中领略到数千年以前的木桩建构筑物的风貌等。
1979年,我国考古学家在新疆罗布泊地区孔雀河古河道北岸发现了震惊世界的“太阳墓”遗址,其中间是由圆形木桩组成的“墓穴”,其外围有若干一尺多高的木桩围成的七个同心圆,这些木桩同时形成了以墓穴中心为端点的若干条射线,呈太阳光芒放射状,见图1-12。
这样的“太阳墓”共发现了数十处。
经放射性碳14测定,它们已有约3000年历史。
这是先人应用木桩的一个罕见的例子。
图1-12新疆罗布泊地区保存较完好的一处“太阳墓”遗址
2006年,我国考古学家在杭州余杭南湖一处古河道发掘了4000年前先人利用木桩拦截河道的“水利工程”遗址,木桩直径为100~150mm不等,共约100余根,排列成40余米长,参见图1-13。
图1-13浙江余杭南湖发掘的栏截河道的木桩遗存
1953年,四川成都青杠坡出土了一些汉代墓砖,其年代约在公元前200年至公元200年之间,其上所刻画的一座木桥的景象显示每排桥墩各有木桩4根,桩顶设有木梁构成排架,桥上轺车骏马奔驰而过,栩栩如生。
它可能是我国用木桩造桥的最早佐证之一,不论在历史文化上或艺术上都是难得的珍品。
见图1-14。
图1-14成都青杠坡出土的汉代墓砖上刻画的木桩支承的桥梁
图1-15是我国考古人员在西安市西郊汉长安城遗址发现的一座汉代木桥遗迹,距今约2000年。
这是迄今发现的我国历史上规模最大的木结构桥梁遗址。
该古桥遗迹位于西安西郊,北临陇海铁路,西与西安市三环路部分重合。
考古人员目前已对其东南角进行了考古发掘,已挖掘出揳入河床的木桩5排160根。
这些东西走向的木桩上端多已炭化,露出的高度多在1.5m至2.5m之间,直径300mm至500mm。
木桩木质坚硬,据林业专家现场推测是黄杨木、香樟木、楠木等珍贵木种。
从遗迹地理位置看,这座木桥应是汉代古河“潏水”上的桥梁。
根据史料推测,古桥长度约为300米。
从遗迹发掘情况推断,古桥宽度在50米以上。
图1-15西安西郊出土的汉代木桥遗迹
图1-16是“干阑式建筑”的一些历史佐证。
其中(a)是1956年至1957年在云南晋宁县所发掘的青铜贮贝器的盖上所铸造的图案;(b)是稍后在广州附近发掘的东汉墓(约公元80年)中的陶制随葬品房屋和谷仓。
图1-16从历史文物所见到的干阑式建筑
(a)出土的青铜贮贝器盖上的图案
(b)出土汉墓中的随葬品
图1-17是西安东北10余公里的古灞桥在1834年(清道光14年)进行翻修时测绘所得的构造图,它显示了木桩、石承台、石墩与灰土护底层的巧妙结合。
灞桥始建于汉代,但却历经磨难,屡建屡毁。
清道光年间翻修后,桥长近400m,分67跨,桥宽约7m。
此桥一直使用至1957年,历时120余年而未毁,且坚固如初。
1957年改建时仍使用了原有的木桩基础。
图1-17西安灞桥的构造
上海的龙华塔(图1-18)始建于三国东吴,约公元247年,重建于宋太平兴国二年,即公元977年。
该塔于20世纪50年代整修时,我国已故著名土力学家俞调梅教授曾亲自在塔旁的挖坑中摸到了塔基的矩形木桩,并测得桩的截面厚度为130mm。
此后有人补测,得知桩的截面宽度为180mm。
图1-18建于木桩上的上海龙华塔
中国至今保存完好的始建于公元6世纪(隋朝)的河南郑州超化寺塔始建于公元10世纪(五代)的山西太原晋祠圣母殿、始建于明清时代的北京御桥、南京石头城等,都支承在木桩基础上。
浙江钱塘江海塘与长城、京杭大运河齐名,而称为我国古代三大工程。
钱塘江海塘自汉唐以来筑塘技术从土塘、柴塘发展至明清时的鱼鳞石塘。
其塘基采用了5m多长的木料密密麻麻地打成“马牙桩”、“梅花桩”等不同形式,然后在其上铺设千斤条石,层层相叠而呈鱼鳞状。
海塘脚有护塘,护塘外层有坦水,坦水最多有四层,每层之间有1至2排5m多长的“关石排桩”相隔,最外沿又有两排排桩。
据陶存焕、周潮生著《明清钱塘江海塘》一书记载,典型的清代海宇海塘高1.8丈,底宽1.2丈,面宽0.45丈;每丈海塘的地基桩需70根长1.8丈的梅花桩,80根长1.9丈的马牙桩。
在地基桩上铺设的条石一般有18层。
今天在浙江海宁的老盐仓至尖山间仍绵延着约30公里的清代古海塘,唯因海潮长期冲刷,塘基排桩多已暴露,参见图1-19(a)、(b)。
(a)鱼鳞石塘、坦水和护坦排桩(b)石塘基桩经海潮长期冲涮而暴露
图1-19钱塘江海塘及其木桩基础
中国宋代《营造法式》有“临水筑基”一节,所述即为木桩施工;清代《工部工程做法》对木桩的选料、布置和施工方法均作了具体规定。
图1-20所示是我国考古工作者在发掘建于南宋绍兴年间(约公元1100余年)的临安皇城加固墙基、深埋于地下的长约2m、直径约150~200mm松木桩。
图1-20杭州临安皇城加固城墙墙基的松木桩
浙江平湖县的报本塔始建于明末清初,本拟采用浅基础建7层,但屡建屡塌,后加了木桩(有碑文记载,并经开挖证实),且仅建5层,才建成。
以上是高大钊在研究古建筑基础时发现的。
经补充勘察并对塔基进行复算,证明单纯依靠土或桩都不能支承塔身重量,故该塔是依靠桩土共同承载才存在至今300余年。
这说明古代匠师不自觉地摸索到了桩土复合地基的应用。
据史载,奠基于1866年,建成于1869年的上海圣三一教堂(见图1-21)在1000余平方米的场地中打了8000余根木桩。
1883年该教堂加建钟塔,又在100平方米左右的场地中打了625根木桩,桩的长度为5m多。
这一方面表明了当明建筑基础计算的保守,另一方面也表明桩基在建筑工程中已是非常重要的基础构件。
当时在规模较大的建筑中还往往采用木桩基上铺石板作为基础以解决由于上海地基松软而带来的沉降。
图1-21支承在木桩上的上海圣三一堂外貌(加建钟塔前)
大约至20世纪20年代或更晚一些,上海即使是建造三、四层的房屋,如对地基的强度有疑问时也常采用木桩,一般都是几米长,最长不超过15m;其大头直径约为φ300mm,小头直径约φ150mm。
有趣的是,那时上海在建造住宅楼时还常将木桩打在房屋平面的四角,因为人们认为四角的地基应力较高应予加固;有的房屋则将木桩打在产权界线的扁心墙基之下,以策安全。
至30年代初,在多层和高层建筑及重型结构物中因上部荷载较大和打桩机具的改进,于是开始采用长达30m的木桩,其直径也相应增大。
图1-22是民国时期1923-1924年间建于木桩上的中国第一座现代高层建筑---10层高的上海字林西报大楼(N.C.D.NewsBuilding今称桂林大厦)。
图1-22建在木桩上的中国第一座现代高层建筑---上海字林西报大楼
上海河南路桥于1923年重建,发现其5个木桩基础采用了4种长度不同的木桩(图1-23)
图1-23上海河南路桥的木桩基础(俞调梅教授亲自绘制)
建于1930年的上海提篮桥医院,是7层钢筋混凝土框架结构,支承在直径φ310mm×长12.2m的木桩上。
建于1931年的上海卡德公寓(今称黄河公寓,在今黄河路)是9层钢筋混凝土框架结构,支承在直径φ280mm×长18.3m的木桩上。
建于1934年在解放前雄居我国第一高楼的上海国际饭店,高83.8m,地下二层,地上22层,通常称24层,是我国历史上采用木桩支承的最高建筑和最后一座高楼。
见图1-24。
图1-24用木桩支承的解放前中国第一高楼
世界工业革命后,钢、水泥和混凝土相继问世,并且产生了混凝土和钢筋混凝土。
我国上海,在1890年出现了第一家水泥制品厂,它采用英国进口水泥为原料起初生产厨房浴池、水池、排水管,后来扩大到生产混凝土预制桩等。
随后,我国出现了木桩、混凝土桩和钢桩三者并举的时期。
其中混凝土桩除了预制桩外,在1920~30年代出现了沉管灌注桩,当时称“凡百卢桩”(Vibropile)。
上海铁路局大厦(现称铁路局1号楼)始建于1936年,中部为10层,两翼为6层,采用洋松园木桩基,大头直径360~380mm,小头直径180~230mm,桩长27~28m。
为防止木桩在地下水位变化部位发生腐蚀,部分木桩上段(约4.7m)包裹了直径680mm的钢筋混凝土。
该大厦于1987年在原有基础上进行了加层,中部和两翼各加两层,增加建筑面积3468m2,达原建筑面积18553m2的40%。
该大厦使用至今70余年仍令人瞩目。
参见图1-25。
图1-251936年建在木桩上的上海铁路局大厦
表1-1是俞调梅先生查阅大量历史文献整理而得的上海在20世纪20~30年代应用桩的一些例子。
表1-1上海在20世纪20~30年代应用桩的一些例子
序号
桩的截面尺寸(cm)
桩长(m)
容许荷载(kN)
容许表面摩阻力(kPa)
(端阻力不计)
1
筒木(原木)顶部直径为30,底端为15
15
160
17
2
方木,方形边长为30
15
200
11
3
方木,矩形截面为30×15
15
153
11
4
楔形,顶部截面为30×23,
底端截面为30×7
15
210
15
5
混凝土凡百卢桩*平均直径为61
9.1
270
17
6
混凝土凡百卢桩平均直径为46
15.6
514
23
7
混凝土弗郞基桩平均直径为64
10.5
231
11.5
8
混凝土弗郎基桩平均直径为55
10.7
357
21
我国第一座完全由国人自已设计施工的现代公路铁路两用大桥---杭州钱塘江大桥系建造在木桩和钢桩上。
1937年9月26日,即七·七抗日战争爆发后不久,大桥的铁路线首先通车。
为了阻挠日寇利用大桥进犯浙东,1937年12月23日通车仅89天,大桥总工程师茅以升先生亲自奉命挥泪炸毁了大桥。
见图1-25。
1945年抗战胜利后,茅以升先生又奉命主持大桥修复工程,大桥于1948年3月修复通车。
图1-26钱塘江大桥被炸毁
图2-25钱塘江大桥被局部炸毁
由于木材资源的匮乏,中国自20世纪50年代后,除极个别盛产木材的地区外,基本上不再使用木桩。
SectionⅢTheApplicationsandRapidDevelopmentofPilesinChina’sModernConstructionWorks
第三节桩在中国现代化建设中的应用与迅猛发展
自二战以后,尤其是自中华人民共和国成立(1949年)以后和中国实行改革开放
政策(1979年)以来,随着国民经济的持续高速增长,中国出现了空前的大规模用桩的时期。
至20世纪末,我国支承于桩基的高层、超高层建筑已达到了万幢之多。
其中当今中国大陆第一高楼上海金茂大厦(1998年建成),高88层,420.5m,支承在1061根钢管桩之上,桩的最大深度达83m。
(见图1-26)。
图1-26支承于钢管桩上的上海金茂大厦
与此同时,我国长江、黄河、珠江、黄浦江、钱塘江等大江大河上已先后兴建了数十座举世瞩目的支承在桩或沉箱基础上的大桥特大桥。
新的城镇和开发区不断涌现;城市中的高架路、立交桥大量地采用了钻孔灌注桩、人孔挖孔桩、钢筋混凝土预制桩等桩型,且桩的直径和长度不断增大。
因本章篇幅有限,此处仅以图1-27至1-30略示一斑。
图1-27支承在钻孔灌注桩上的上海高架桥一景
图1-28支承在钻孔灌注桩上的上海南浦大桥
图1-29正在吊装的钻孔桩的钢筋笼图1-30正在吊装的壁板桩(Barrette)的钢筋笼
表1-2和表1-3分别是:
中国近30年来在工程建设中通过大量应用与发展而形成的桩型体系以及各主要桩型施工的最大规格。
表1-2中国近30年来在工程建设中应用与发展而形成的桩型体系
表1-3中国在工程建设中常用的主要桩型及其最大规格
桩型
最大桩长或深度
(m)
最大直径或截面(mm)
用途
钻冲孔灌注桩
104
4000
建筑、桥梁
人工挖孔桩
53
4000
建筑
钢筋混凝土预制方桩
75
600×600
建筑、桥梁
钢管桩
89
1600
桥梁、建筑
预应力混凝土管桩
65
800
建筑
预应力混凝土大直径管桩
40
1200
码头、桥梁
预应力混凝土空心方桩
56
600×600
码头
沉管灌注桩
35
700
建筑
超长水泥土搅拌桩
30
700
建筑(油罐)
从表1-1至表1-3可以清楚地看出桩在我国现代化建设中的大规模应用和发展与数十前之间的巨大变化。
综观我国正在应用的各种桩型,可以发现它们显示了不同的制桩材料并存,不同的制桩工艺(预制、灌注与搅拌)并存,大中小直径(截面)并存,锤击、振动与静压施工方法并存,机械成孔与人工挖孔并存,最新的、接近国际先进水平的工艺与最古老的传统工艺并存等一系列特色。
可以说凡世界各地在采用桩的历史过程中所出现的各种有代表性的桩型乃至现代的最先进的桩型,几乎都在中国各地有所应用,或者有所改进而推陈出新。
中国的桩型众多,究其原因主要有以下几点:
1.由于中国地域辽阔,而桩型的选用与发展必须因地制宜而与各地的地质条件相适应;
2.由于中国建设规模宏大,各类工程的用途性质各异,技术要求不同,因此必须相应发展不同的桩型,以便匹配应对;
3.中国历来具有讲究节约的优良传统,因此凡是各种低造价的桩型或工艺,只要能确保工程安全和满足工程技术要求,设计人一般均乐于采用,并且会着力加以研究改进;
4.中国政府一贯鼓励科技人员改革创新,并力争缩短与国外的差距,赶超国际水平,此政策有力地促进了中国桩型的发展。
据估计,近几十年来中国的用桩数量大约已达到每年5000万根之谱,已堪称居世界各国之首位。
有关我国桩基工程技术急速发展的各个方面,将在本手册以下各章中进行详细阐述。
参考文献(略)
引自史佩栋主编《桩基工程手册(桩和桩基础手册)》2009年7月第1版第2次印刷,
人民交通出版社,北京
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