柳 俊

1. 上海建工二建集团有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技术研究中心 上海 200080

预应力管桩沉桩过程中产生的挤土效应不可避免且又影响巨大。针对这些问题，雷金波等[1]通过在管壁开孔形成有孔管桩，梅国雄等[2]则在桩身增设透水孔形成透水管桩来解决。这些方法的效果都是使压桩过程中超孔隙水经透水孔流入管腔，加速土体固结，使沉桩过程产生的应力增量、超孔隙水压力大大减小，从而有效减小挤土效应对工程的危害。

1 管桩开孔研究方法

目前对开孔管桩的主要研究方法包括理论分析法、模型试验法、数值模拟法，这3种方法各有优缺点[3-4]。

1.1 理论分析法

理论分析法可通过假定将复杂的问题进行合理的简化，在理论公式的推导过程中忽略一部分对结果影响甚微的量，从而将繁琐的过程进行简化的计算；而且理论方法有利于变量的控制，可以通过控制不同变量分析管桩开孔在沉桩过程中的主要影响因素。同时理论方法也具有一定的不足：由于对问题的简化，不能保证理论公式具有十足的准确性，会存在一定的误差。

1.2 模型试验法

模型试验因其具有主观性，故试验过程中应尽可能使模型箱中土体的受力状态与原状土类似，取得的效果一般较好，最后根据试验的结果分析原状土的受力性能。但是由于模型箱中的土体已非原状土，土体在制备过程中已改变了原来土体的受力平衡，结果会出现一定的误差；土体的制备过程十分复杂，沉桩过程如果出现失误，后果将是不可逆转的，而且其结果不具备一般性，不能作为其他土体或模型箱的结果，没有参考价值。

1.3 数值模拟法

数值模拟方法可以更精确地模拟有孔管桩沉桩过程，对变量的控制方便，只要更改相关参数就可得到想要的变化关系。但通常建模过程相对困难，同时其计算过程时间较长，若参数设置不对，则结果不能收敛无法计算，将会浪费较多时间。

2 开孔管桩的类型

目前，国内管桩的横截面形式绝大多数是环形，同时还有少量预制的外方内圆空心桩[5]。相对于增设透水小孔的管桩，现在研究较多的还是常规管桩，而开设小孔的管桩类型常见的还有外圆内方、外方内圆以及方管桩。

2.1 外截面为圆形的开孔管桩

与实心钢管相比，圆截面管桩具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻和防火性能好等特点[6]。其桩型包括外圆内圆传统管桩和外圆内方开孔管桩（图1）。

2.2 外截面为方形的开孔管桩

与外截面为圆形的管桩相比，方形外截面的管桩具有抗弯性能好、节点构造简单、接桩方便等优点。其桩型包括外方内圆管桩和外方内方开孔管桩（图2）。

3 管桩设孔的方式

图1 外截面为圆形的开孔管桩

图2 外截面为方形的开孔管桩

不同的开孔形式达到的效果不同，对其桩身承载力的影响程度也不同。如：因双向对穿设置孔比单向对穿设置孔桩身小孔数量多一倍，沉桩过程中桩周超孔隙水流入管桩内腔的通道数量增加，故其超孔压消散速度较快；与此同时，虽管桩承载力有富余，桩身透水孔数量增加，一定程度上会减小桩身承载力。管桩目前常见的开孔方式主要有3种（以外方内圆和普通管桩为例），试验证明，星状有孔管桩桩型的承载能力最好[7]。

3.1 单向设置透水孔

3.1.1 单向对穿开孔

单向对穿开孔是在管桩侧壁同一高度开一对单向对穿的圆孔，然后将所开的2个孔沿桩长方向间隔一段距离再开一组同样的对穿小孔（图3）。

3.1.2 单向交叉对穿开孔

单向交叉对穿开孔是在管桩侧壁同一高度开一对单向对穿的圆孔，然后将所开的2个孔旋转90°沿桩长方向间隔一段距离再开一组同样的对穿小孔（图4）。

图3 单向对穿开孔

图4 单向交叉对穿开孔

3.2 双向设置透水孔

3.2.1 双向对穿开孔

双向对穿开孔是在管桩侧壁同一高度设置2对单向对穿的透水圆孔，然后将所设置的4个孔沿桩长方向间隔一段距离再开一组同样的对穿圆孔（图5）。

3.2.2 双向不对穿开孔

双向不对穿开孔是在管桩侧壁同一高度的垂直方向各设置1个透水圆孔，然后将所设置的2个透水孔旋转90°，沿桩长方向间隔一段距离再开2个同样的不对穿圆孔（图6）。

3.3 星状设置透水孔

星状开孔是在管桩侧壁同一高度设置3个呈正三角形分布的透水圆孔，然后将所开的3个圆孔沿桩长方向间隔一段距离再开一组同样的圆孔（图7）。

图5 双向对穿开孔

图6 双向不对穿开孔

图7 星状开孔

4 沉桩过程中的影响因素

开孔管桩的沉桩问题一直以来都是业内专家探询的话题。其在沉桩过程中的受力状态十分复杂，因此受到影响的因素众多[5]。

4.1 单桩沉桩过程中的影响因素

开孔管桩沉桩过程中产生的挤土效应不仅会受到不同土质土体的影响，还会因为管桩自身参数的改变而发生变化。主要影响因素包括[8]：

1）土的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、渗透系数以及孔隙比。

2）桩土界面摩擦因数、黏聚力。

3）管桩的材料、桩身设置圆孔的孔径、开孔方式、管壁厚度、桩径以及沉桩速率。

4.2 群桩沉桩过程中的影响因素

工程中，当单桩的承载力无法满足要求时，实际就需要2根或2根以上的桩组成群桩基础。相对于单桩，群桩开孔管桩沉桩过程中除上述单桩沉桩影响因素外，主要还有3点[9]：

1）打桩顺序：打桩顺序不同，在沉桩时对邻桩的影响不同，因此对桩基础会产生一定的影响。选取4基桩的群桩为例，其施工顺序一般有3种：顺时针、逆时针、间隔跳打（图8～图10），图中1、2、3、4表示施工顺序，S表示桩距，Rp′ 表示塑性区最大半径。理论与试验证明，间隔跳打是最佳的打桩方式。

图8 顺时针施工

图9 逆时针施工

2）基桩间距：基桩间距S是沉桩过程中对群桩挤土效应影响最大的因素。通常情况下将群桩的挤土效应看作是各基桩的叠加，各基桩间距越近，这种叠加越大。通常可以根据基桩间距S与塑性区最大半径Rp′ 间的关系将其分为3种情况：S≤Rp′ 、S≥2Rp′ 、Rp′≤S≤2Rp′ 。原则上，各基桩间距越大，其相互影响越小，但间距过大，会造成上部承台面积过大，增加经济支出。因此，确定合理的桩间距是群桩有孔管桩必需考虑的一大问题。

图10 间隔跳打施工

3）施工间歇期：对于群桩，沉桩间歇期主要指单桩沉桩过程中的间歇期和两根相邻打桩顺序的基桩间的施工间歇期。合理的沉桩间歇期不仅可以有效控制群桩超孔隙水压力叠加的最大值，还可以减小邻桩沉桩产生的挤土效应对已有桩体的侧应力，避免断桩。

5 结语

管桩开孔技术在现阶段属于较新鲜的事物，处于不断发展的阶段。尽管目前尚处于理论分析和实验室模型试验的探索期，但其对工程可能产生的效益以及降低工程灾害的发生都有着不可忽视的作用，因此在未来预应力管桩的发展中，透水孔管桩必定具备一定的发展潜力和需求空间。