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(xué)研究設(shè)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(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063）

1 引言

隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，給樁基礎(chǔ)新技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)，樁基礎(chǔ)作為重要的基礎(chǔ)形式在工程建設(shè)中的作用顯得越來越突出[1]。傳統(tǒng)的灌注樁基礎(chǔ)造價高、施工周期長、質(zhì)量安全隱患大、施工易造成環(huán)境污染，不符合當前建筑行業(yè)提倡的綠色施工要求[2]?；炷令A(yù)制樁具有工廠化生產(chǎn)、機械化施工、承載力高、造價低、工期短、施工環(huán)保的特點，符合國家建筑工業(yè)化的發(fā)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(yīng)用[3]。但在工程實踐中，諸多工程質(zhì)量事故案例表明，混凝土預(yù)制管樁施工過程產(chǎn)生的擠土效應(yīng)作用明顯，特別是在老黏土工程環(huán)境中顯得更為突出，給國民經(jīng)濟建設(shè)埋下了工程質(zhì)量安全隱患，并且?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟損失[4～6]。因此，管樁的技術(shù)創(chuàng)新和綠色發(fā)展勢在必行。

本文基于2010-2020年期間眾多專家學(xué)者對管樁樁身結(jié)構(gòu)進行開孔優(yōu)化設(shè)計改造的專利技術(shù)的梳理，同時對樁身開孔引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象、沉樁過程超靜孔隙水壓力消散規(guī)律及開孔管樁承載性能等方面的研究成果進行系統(tǒng)分析，對管樁開孔技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提出合理化建議，為其今后的工程應(yīng)用推廣提供參考價值。

2 樁身開孔技術(shù)的提出

據(jù)不完全統(tǒng)計，2010-2020年期間，眾多專家學(xué)者在管樁結(jié)構(gòu)設(shè)計改良方面進行了研究，并且申請授權(quán)了一批具有代表性的專利技術(shù)，如圖1所示。

圖1 2010-2020年期間樁身開孔技術(shù)相關(guān)專利申請授權(quán)情況

由圖1-a可得，2010-2020年期間樁身開孔技術(shù)申請授權(quán)的相關(guān)專利共計46件，其中發(fā)明專利5件，實用新型專利41件；發(fā)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(shù)的改良優(yōu)化途徑包括有管樁樁身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、制作工藝及施工方法，主要集中在管樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計上，占比達到了93.48%；僅有3件專利技術(shù)涉及了管樁制作工藝，1件專利技術(shù)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(shù)的研究主要集中于理論創(chuàng)新上，其科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用工作滯后嚴重，這為下一步管樁技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)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(shù)的研究單位主要包括浙江大學(xué)、南昌航空大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、貴州民族大學(xué)、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(jié)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(shù)是在2010年，是國內(nèi)首次提出樁身開孔技術(shù)的課題組；且其專利申請授權(quán)數(shù)量最多，占比達到了71.74%，主要集中在樁身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和制作工藝方面。

3 樁身開孔引起應(yīng)力集中研究

對管樁樁身進行合理的開孔設(shè)計是從結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的角度進行優(yōu)化改良，但是容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且影響到了樁基服役期間的質(zhì)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(yīng)力集中試驗，鋼管樁類型涉及6種樁型，包括單向?qū)Υ┯锌坠軜?、雙向?qū)Υ┯锌坠軜丁⑿菭钣锌坠軜?、單向不對穿有孔管樁、雙向不對穿有孔管樁、不對稱的雙向?qū)Υ┯锌坠軜叮囼灲Y(jié)果表明對稱開孔樁型受力性能優(yōu)于不對稱開孔樁型，星狀開孔管樁各開孔應(yīng)力集中現(xiàn)象分布均勻。楊曉秋等[9]利用ABAQUS數(shù)值模擬采用混凝土塑性損傷模型分析了管樁開孔應(yīng)力集中現(xiàn)象，得出應(yīng)力集中系數(shù)隨壁厚的減小而增大，開孔層間距離越小，應(yīng)力集中系數(shù)越小。

4 沉樁過程超靜孔隙水壓力消散研究

對管樁樁身結(jié)構(gòu)進行開孔改良優(yōu)化設(shè)計雖然會產(chǎn)生引力集中現(xiàn)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(yīng)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(xué)性質(zhì)指標有顯著效果。雷金波[11～12]基于圓孔擴張理論，推導(dǎo)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(guān)系的表達式，從理論角度揭示了超靜孔隙水壓力消散規(guī)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(huán)境的影響，提出開孔數(shù)量多少直接影響沉樁排水效果，王靜[15]基于現(xiàn)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(jié)構(gòu)進行開孔改良優(yōu)化設(shè)計勢必破壞了管樁結(jié)構(gòu)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(shù)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(yōu)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(dǎo)致管樁樁身承載性能折減越顯著。樂騰勝[17]采用室內(nèi)模型試驗分析了不同開孔設(shè)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?qū)Υ╅_孔管樁樁側(cè)摩阻力最大。王靜[15]現(xiàn)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(jié)論

縱觀近十來年管樁開孔技術(shù)的發(fā)展，在樁身開孔引起應(yīng)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(chǎn)權(quán)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(shù)的發(fā)展，促進科技創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)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(fā)，考慮在管樁沉樁擠土效應(yīng)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(yōu)開孔率及開孔設(shè)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(shù)措施；

③加大開孔管樁綠色生產(chǎn)制造新工藝的研發(fā)，促進開孔管樁技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動樁基領(lǐng)域新技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展；

④制定開孔管樁技術(shù)的相關(guān)標準，包括但不限于設(shè)計、生產(chǎn)制造、施工、檢測等方面，為開孔管樁技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。