管樁開孔技術研究新進展

樂騰勝，雷金波，郭楊，柯宅邦，高坤，陳小川，張駿

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.南昌航空大學土木建筑學院，江西 南昌 330063）

1 引言

隨著我國城市化建設的快速發展，給樁基礎新技術的創新發展帶來了機遇和挑戰，樁基礎作為重要的基礎形式在工程建設中的作用顯得越來越突出[1]。傳統的灌注樁基礎造價高、施工周期長、質量安全隱患大、施工易造成環境污染，不符合當前建筑行業提倡的綠色施工要求[2]。混凝土預制樁具有工廠化生產、機械化施工、承載力高、造價低、工期短、施工環保的特點，符合國家建筑工業化的發展要求，自2000年以來在我國廣東、上海、浙江、江蘇、安徽、江西、湖北等多個省得到了極大的推廣應用[3]。但在工程實踐中，諸多工程質量事故案例表明，混凝土預制管樁施工過程產生的擠土效應作用明顯，特別是在老黏土工程環境中顯得更為突出，給國民經濟建設埋下了工程質量安全隱患，并且帶來了巨大的經濟損失[4～6]。因此，管樁的技術創新和綠色發展勢在必行。

本文基于2010-2020年期間眾多專家學者對管樁樁身結構進行開孔優化設計改造的專利技術的梳理，同時對樁身開孔引起的應力集中現象、沉樁過程超靜孔隙水壓力消散規律及開孔管樁承載性能等方面的研究成果進行系統分析，對管樁開孔技術的創新發展提出合理化建議，為其今后的工程應用推廣提供參考價值。

2 樁身開孔技術的提出

據不完全統計，2010-2020年期間，眾多專家學者在管樁結構設計改良方面進行了研究，并且申請授權了一批具有代表性的專利技術，如圖1所示。

圖1 2010-2020年期間樁身開孔技術相關專利申請授權情況

由圖1-a可得，2010-2020年期間樁身開孔技術申請授權的相關專利共計46件，其中發明專利5件，實用新型專利41件；發明專利申請時間主要集中在2011年和2015年，分別都是2件；實用新型專利申請時間主要集中在2012年和2018年，分別為9件和10件。

由圖1-b可得，樁身開孔技術的改良優化途徑包括有管樁樁身結構優化設計、制作工藝及施工方法，主要集中在管樁結構優化設計上，占比達到了93.48%；僅有3件專利技術涉及了管樁制作工藝，1件專利技術涉及了管樁施工方法；由此可以推斷出，近十來年管樁開孔技術的研究主要集中于理論創新上，其科技成果轉化應用工作滯后嚴重，這為下一步管樁技術的創新發展指明了方向。

由圖1-c和提1-d可得，近十來年基于管樁開孔技術的研究單位主要包括浙江大學、南昌航空大學、南京工業大學、貴州民族大學、上海建工二建集團有限公司等9家單位，集中在雷金波、唐曉武、梅國雄三位教授的課題組。結合圖1-a、圖1-b，對比分析得出雷金波教授課題組首次提出了樁身開孔技術是在2010年，是國內首次提出樁身開孔技術的課題組；且其專利申請授權數量最多，占比達到了71.74%，主要集中在樁身結構的優化設計和制作工藝方面。

3 樁身開孔引起應力集中研究

對管樁樁身進行合理的開孔設計是從結構力學性能的角度進行優化改良，但是容易引起應力集中現象，并且影響到了樁基服役期間的質量安全。黃小波[7]、陳科林等[8]對長度為190mm的鋼管樁利用50kN級電子萬能試驗機進行豎直軸向加載開展了應力集中試驗，鋼管樁類型涉及6種樁型，包括單向對穿有孔管樁、雙向對穿有孔管樁、星狀有孔管樁、單向不對穿有孔管樁、雙向不對穿有孔管樁、不對稱的雙向對穿有孔管樁，試驗結果表明對稱開孔樁型受力性能優于不對稱開孔樁型，星狀開孔管樁各開孔應力集中現象分布均勻。楊曉秋等[9]利用ABAQUS數值模擬采用混凝土塑性損傷模型分析了管樁開孔應力集中現象，得出應力集中系數隨壁厚的減小而增大，開孔層間距離越小，應力集中系數越小。

4 沉樁過程超靜孔隙水壓力消散研究

對管樁樁身結構進行開孔改良優化設計雖然會產生引力集中現象，但是更多的是有效地加快了管樁沉樁過程樁周土體中的超靜孔隙水壓力的消散，一定程度上削弱了擠土效應作用。鄒永強[10]通過對有孔管樁沉樁前后樁周土體的密度、含水率、壓縮指標和抗剪指標進行對比分析，得出有孔管樁對改善軟弱地基土體物理力學性質指標有顯著效果。雷金波[11～12]基于圓孔擴張理論，推導出有孔管樁沉樁過程超靜孔隙水壓力消散過程的解析解和與上覆有效壓力關系的表達式，從理論角度揭示了超靜孔隙水壓力消散規律。黃勇[13]、樂騰勝[14]采用模型試驗研究的途徑驗證了開孔管樁能夠有效減小沉樁過程對周圍環境的影響，提出開孔數量多少直接影響沉樁排水效果，王靜[15]基于現場足尺試驗驗證了開孔管樁的實施效果。

5 管樁開孔承載性能研究

對管樁樁身結構進行開孔改良優化設計勢必破壞了管樁結構的完整性，削弱了管樁承載力。戴鄭新[16]對開孔管樁實體樁進行抗壓試驗和抗彎試驗，得出開孔數量對樁身極限抗壓強度的影響呈線性增加，特定情況下開孔管樁性能優于普通管樁。楊曉秋[9]通過有限元分析得出開孔管樁適用于摩擦樁，開孔越大、開孔越多、開孔越密集導致管樁樁身承載性能折減越顯著。樂騰勝[17]采用室內模型試驗分析了不同開孔設計布局管樁的承載性狀試驗，得出按照星狀布孔樁身軸力削弱最小，雙向對穿開孔管樁樁側摩阻力最大。王靜[15]現場足尺試驗得出軟黏土地基中開孔管樁的豎向抗壓承載力在超靜孔隙水壓力消散前期增加更快，增長率逐漸減小。

6 結論

縱觀近十來年管樁開孔技術的發展，在樁身開孔引起應力集中、沉樁過程超靜孔隙水壓力消散、樁體承載性能及知識產權申請等方面取得了諸多成果，但是也存在一定的不足。為推動管樁開孔新技術的發展，促進科技創新成果的轉化，從以下幾方面提出合理化建議：

①從管樁樁身開孔率的角度出發，考慮在管樁沉樁擠土效應影響效果和管樁承載性能折減效果二者均最小時，探究開孔管樁最優開孔率及開孔設計方案；

②開孔管樁在擠土沉樁過程，樁周孔極易堵塞失效，探索一種延長開孔管樁沉樁過程樁周孔堵塞時間的技術措施；

③加大開孔管樁綠色生產制造新工藝的研發，促進開孔管樁技術產業化發展，推動樁基領域新技術的可持續發展；

④制定開孔管樁技術的相關標準，包括但不限于設計、生產制造、施工、檢測等方面，為開孔管樁技術的推廣應用提供技術支撐。