預應力管樁樁身開孔技術分析與試驗研究

柳 俊

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

預應力管樁沉樁過程中產生的擠土效應不可避免且又影響巨大。針對這些問題，雷金波等[1]通過在管壁開孔形成有孔管樁，梅國雄等[2]則在樁身增設透水孔形成透水管樁來解決。這些方法的效果都是使壓樁過程中超孔隙水經透水孔流入管腔，加速土體固結，使沉樁過程產生的應力增量、超孔隙水壓力大大減小，從而有效減小擠土效應對工程的危害。

1 管樁開孔研究方法

目前對開孔管樁的主要研究方法包括理論分析法、模型試驗法、數值模擬法，這3種方法各有優缺點[3-4]。

1.1 理論分析法

理論分析法可通過假定將復雜的問題進行合理的簡化，在理論公式的推導過程中忽略一部分對結果影響甚微的量，從而將繁瑣的過程進行簡化的計算；而且理論方法有利于變量的控制，可以通過控制不同變量分析管樁開孔在沉樁過程中的主要影響因素。同時理論方法也具有一定的不足：由于對問題的簡化，不能保證理論公式具有十足的準確性，會存在一定的誤差。

1.2 模型試驗法

模型試驗因其具有主觀性，故試驗過程中應盡可能使模型箱中土體的受力狀態與原狀土類似，取得的效果一般較好，最后根據試驗的結果分析原狀土的受力性能。但是由于模型箱中的土體已非原狀土，土體在制備過程中已改變了原來土體的受力平衡，結果會出現一定的誤差；土體的制備過程十分復雜，沉樁過程如果出現失誤，后果將是不可逆轉的，而且其結果不具備一般性，不能作為其他土體或模型箱的結果，沒有參考價值。

1.3 數值模擬法

數值模擬方法可以更精確地模擬有孔管樁沉樁過程，對變量的控制方便，只要更改相關參數就可得到想要的變化關系。但通常建模過程相對困難，同時其計算過程時間較長，若參數設置不對，則結果不能收斂無法計算，將會浪費較多時間。

2 開孔管樁的類型

目前，國內管樁的橫截面形式絕大多數是環形，同時還有少量預制的外方內圓空心樁[5]。相對于增設透水小孔的管樁，現在研究較多的還是常規管樁，而開設小孔的管樁類型常見的還有外圓內方、外方內圓以及方管樁。

2.1 外截面為圓形的開孔管樁

與實心鋼管相比，圓截面管樁具有截面開展、抗彎剛度大、自重輕和防火性能好等特點[6]。其樁型包括外圓內圓傳統管樁和外圓內方開孔管樁（圖1）。

2.2 外截面為方形的開孔管樁

與外截面為圓形的管樁相比，方形外截面的管樁具有抗彎性能好、節點構造簡單、接樁方便等優點。其樁型包括外方內圓管樁和外方內方開孔管樁（圖2）。

3 管樁設孔的方式

圖1 外截面為圓形的開孔管樁

圖2 外截面為方形的開孔管樁

不同的開孔形式達到的效果不同，對其樁身承載力的影響程度也不同。如：因雙向對穿設置孔比單向對穿設置孔樁身小孔數量多一倍，沉樁過程中樁周超孔隙水流入管樁內腔的通道數量增加，故其超孔壓消散速度較快；與此同時，雖管樁承載力有富余，樁身透水孔數量增加，一定程度上會減小樁身承載力。管樁目前常見的開孔方式主要有3種（以外方內圓和普通管樁為例），試驗證明，星狀有孔管樁樁型的承載能力最好[7]。

3.1 單向設置透水孔

3.1.1 單向對穿開孔

單向對穿開孔是在管樁側壁同一高度開一對單向對穿的圓孔，然后將所開的2個孔沿樁長方向間隔一段距離再開一組同樣的對穿小孔（圖3）。

3.1.2 單向交叉對穿開孔

單向交叉對穿開孔是在管樁側壁同一高度開一對單向對穿的圓孔，然后將所開的2個孔旋轉90°沿樁長方向間隔一段距離再開一組同樣的對穿小孔（圖4）。

圖3 單向對穿開孔

圖4 單向交叉對穿開孔

3.2 雙向設置透水孔

3.2.1 雙向對穿開孔

雙向對穿開孔是在管樁側壁同一高度設置2對單向對穿的透水圓孔，然后將所設置的4個孔沿樁長方向間隔一段距離再開一組同樣的對穿圓孔（圖5）。

3.2.2 雙向不對穿開孔

雙向不對穿開孔是在管樁側壁同一高度的垂直方向各設置1個透水圓孔，然后將所設置的2個透水孔旋轉90°，沿樁長方向間隔一段距離再開2個同樣的不對穿圓孔（圖6）。

3.3 星狀設置透水孔

星狀開孔是在管樁側壁同一高度設置3個呈正三角形分布的透水圓孔，然后將所開的3個圓孔沿樁長方向間隔一段距離再開一組同樣的圓孔（圖7）。

圖5 雙向對穿開孔

圖6 雙向不對穿開孔

圖7 星狀開孔

4 沉樁過程中的影響因素

開孔管樁的沉樁問題一直以來都是業內專家探詢的話題。其在沉樁過程中的受力狀態十分復雜，因此受到影響的因素眾多[5]。

4.1 單樁沉樁過程中的影響因素

開孔管樁沉樁過程中產生的擠土效應不僅會受到不同土質土體的影響，還會因為管樁自身參數的改變而發生變化。主要影響因素包括[8]：

1）土的彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角、滲透系數以及孔隙比。

2）樁土界面摩擦因數、黏聚力。

3）管樁的材料、樁身設置圓孔的孔徑、開孔方式、管壁厚度、樁徑以及沉樁速率。

4.2 群樁沉樁過程中的影響因素

工程中，當單樁的承載力無法滿足要求時，實際就需要2根或2根以上的樁組成群樁基礎。相對于單樁，群樁開孔管樁沉樁過程中除上述單樁沉樁影響因素外，主要還有3點[9]：

1）打樁順序：打樁順序不同，在沉樁時對鄰樁的影響不同，因此對樁基礎會產生一定的影響。選取4基樁的群樁為例，其施工順序一般有3種：順時針、逆時針、間隔跳打（圖8～圖10），圖中1、2、3、4表示施工順序，S表示樁距，Rp′ 表示塑性區最大半徑。理論與試驗證明，間隔跳打是最佳的打樁方式。

圖8 順時針施工

圖9 逆時針施工

2）基樁間距：基樁間距S是沉樁過程中對群樁擠土效應影響最大的因素。通常情況下將群樁的擠土效應看作是各基樁的疊加，各基樁間距越近，這種疊加越大。通常可以根據基樁間距S與塑性區最大半徑Rp′ 間的關系將其分為3種情況：S≤Rp′ 、S≥2Rp′ 、Rp′≤S≤2Rp′ 。原則上，各基樁間距越大，其相互影響越小，但間距過大，會造成上部承臺面積過大，增加經濟支出。因此，確定合理的樁間距是群樁有孔管樁必需考慮的一大問題。

圖10 間隔跳打施工

3）施工間歇期：對于群樁，沉樁間歇期主要指單樁沉樁過程中的間歇期和兩根相鄰打樁順序的基樁間的施工間歇期。合理的沉樁間歇期不僅可以有效控制群樁超孔隙水壓力疊加的最大值，還可以減小鄰樁沉樁產生的擠土效應對已有樁體的側應力，避免斷樁。

5 結語

管樁開孔技術在現階段屬于較新鮮的事物，處于不斷發展的階段。盡管目前尚處于理論分析和實驗室模型試驗的探索期，但其對工程可能產生的效益以及降低工程災害的發生都有著不可忽視的作用，因此在未來預應力管樁的發展中，透水孔管樁必定具備一定的發展潛力和需求空間。