管桩开孔技术研究新进展

乐腾胜，雷金波，郭杨，柯宅邦，高坤，陈小川，张骏

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.南昌航空大学土木建筑学院，江西 南昌 330063）

1 引言

随着我国城市化建设的快速发展，给桩基础新技术的创新发展带来了机遇和挑战，桩基础作为重要的基础形式在工程建设中的作用显得越来越突出[1]。传统的灌注桩基础造价高、施工周期长、质量安全隐患大、施工易造成环境污染，不符合当前建筑行业提倡的绿色施工要求[2]。混凝土预制桩具有工厂化生产、机械化施工、承载力高、造价低、工期短、施工环保的特点，符合国家建筑工业化的发展要求，自2000年以来在我国广东、上海、浙江、江苏、安徽、江西、湖北等多个省得到了极大的推广应用[3]。但在工程实践中，诸多工程质量事故案例表明，混凝土预制管桩施工过程产生的挤土效应作用明显，特别是在老黏土工程环境中显得更为突出，给国民经济建设埋下了工程质量安全隐患，并且带来了巨大的经济损失[4～6]。因此，管桩的技术创新和绿色发展势在必行。

本文基于2010-2020年期间众多专家学者对管桩桩身结构进行开孔优化设计改造的专利技术的梳理，同时对桩身开孔引起的应力集中现象、沉桩过程超静孔隙水压力消散规律及开孔管桩承载性能等方面的研究成果进行系统分析，对管桩开孔技术的创新发展提出合理化建议，为其今后的工程应用推广提供参考价值。

2 桩身开孔技术的提出

据不完全统计，2010-2020年期间，众多专家学者在管桩结构设计改良方面进行了研究，并且申请授权了一批具有代表性的专利技术，如图1所示。

图1 2010-2020年期间桩身开孔技术相关专利申请授权情况

由图1-a可得，2010-2020年期间桩身开孔技术申请授权的相关专利共计46件，其中发明专利5件，实用新型专利41件；发明专利申请时间主要集中在2011年和2015年，分别都是2件；实用新型专利申请时间主要集中在2012年和2018年，分别为9件和10件。

由图1-b可得，桩身开孔技术的改良优化途径包括有管桩桩身结构优化设计、制作工艺及施工方法，主要集中在管桩结构优化设计上，占比达到了93.48%；仅有3件专利技术涉及了管桩制作工艺，1件专利技术涉及了管桩施工方法；由此可以推断出，近十来年管桩开孔技术的研究主要集中于理论创新上，其科技成果转化应用工作滞后严重，这为下一步管桩技术的创新发展指明了方向。

由图1-c和提1-d可得，近十来年基于管桩开孔技术的研究单位主要包括浙江大学、南昌航空大学、南京工业大学、贵州民族大学、上海建工二建集团有限公司等9家单位，集中在雷金波、唐晓武、梅国雄三位教授的课题组。结合图1-a、图1-b，对比分析得出雷金波教授课题组首次提出了桩身开孔技术是在2010年，是国内首次提出桩身开孔技术的课题组；且其专利申请授权数量最多，占比达到了71.74%，主要集中在桩身结构的优化设计和制作工艺方面。

3 桩身开孔引起应力集中研究

对管桩桩身进行合理的开孔设计是从结构力学性能的角度进行优化改良，但是容易引起应力集中现象，并且影响到了桩基服役期间的质量安全。黄小波[7]、陈科林等[8]对长度为190mm的钢管桩利用50kN级电子万能试验机进行竖直轴向加载开展了应力集中试验，钢管桩类型涉及6种桩型，包括单向对穿有孔管桩、双向对穿有孔管桩、星状有孔管桩、单向不对穿有孔管桩、双向不对穿有孔管桩、不对称的双向对穿有孔管桩，试验结果表明对称开孔桩型受力性能优于不对称开孔桩型，星状开孔管桩各开孔应力集中现象分布均匀。杨晓秋等[9]利用ABAQUS数值模拟采用混凝土塑性损伤模型分析了管桩开孔应力集中现象，得出应力集中系数随壁厚的减小而增大，开孔层间距离越小，应力集中系数越小。

4 沉桩过程超静孔隙水压力消散研究

对管桩桩身结构进行开孔改良优化设计虽然会产生引力集中现象，但是更多的是有效地加快了管桩沉桩过程桩周土体中的超静孔隙水压力的消散，一定程度上削弱了挤土效应作用。邹永强[10]通过对有孔管桩沉桩前后桩周土体的密度、含水率、压缩指标和抗剪指标进行对比分析，得出有孔管桩对改善软弱地基土体物理力学性质指标有显著效果。雷金波[11～12]基于圆孔扩张理论，推导出有孔管桩沉桩过程超静孔隙水压力消散过程的解析解和与上覆有效压力关系的表达式，从理论角度揭示了超静孔隙水压力消散规律。黄勇[13]、乐腾胜[14]采用模型试验研究的途径验证了开孔管桩能够有效减小沉桩过程对周围环境的影响，提出开孔数量多少直接影响沉桩排水效果，王静[15]基于现场足尺试验验证了开孔管桩的实施效果。

5 管桩开孔承载性能研究

对管桩桩身结构进行开孔改良优化设计势必破坏了管桩结构的完整性，削弱了管桩承载力。戴郑新[16]对开孔管桩实体桩进行抗压试验和抗弯试验，得出开孔数量对桩身极限抗压强度的影响呈线性增加，特定情况下开孔管桩性能优于普通管桩。杨晓秋[9]通过有限元分析得出开孔管桩适用于摩擦桩，开孔越大、开孔越多、开孔越密集导致管桩桩身承载性能折减越显著。乐腾胜[17]采用室内模型试验分析了不同开孔设计布局管桩的承载性状试验，得出按照星状布孔桩身轴力削弱最小，双向对穿开孔管桩桩侧摩阻力最大。王静[15]现场足尺试验得出软黏土地基中开孔管桩的竖向抗压承载力在超静孔隙水压力消散前期增加更快，增长率逐渐减小。

6 结论

纵观近十来年管桩开孔技术的发展，在桩身开孔引起应力集中、沉桩过程超静孔隙水压力消散、桩体承载性能及知识产权申请等方面取得了诸多成果，但是也存在一定的不足。为推动管桩开孔新技术的发展，促进科技创新成果的转化，从以下几方面提出合理化建议：

①从管桩桩身开孔率的角度出发，考虑在管桩沉桩挤土效应影响效果和管桩承载性能折减效果二者均最小时，探究开孔管桩最优开孔率及开孔设计方案；

②开孔管桩在挤土沉桩过程，桩周孔极易堵塞失效，探索一种延长开孔管桩沉桩过程桩周孔堵塞时间的技术措施；

③加大开孔管桩绿色生产制造新工艺的研发，促进开孔管桩技术产业化发展，推动桩基领域新技术的可持续发展；

④制定开孔管桩技术的相关标准，包括但不限于设计、生产制造、施工、检测等方面，为开孔管桩技术的推广应用提供技术支撑。