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中国科技论文在线

PHC 管桩水平承载力性状现场试验研究刘宁，葛忻声*

作者简介：刘宁（1987-5），女，无职称，主要研究方向：地基基础及上部结构共同作用. E-mail: [email protected]

（太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024）摘要：预应力高强混凝土管桩（简称 PHC 管桩）以其较高的承载力和较好的稳定性，近年

来在许多地区特别是抗震设防区得到广泛的应用，但由于其应用时间不长，理论研究水平远

远低于工程实践的发展，特别在其水平承载力性状方面成果甚少。文中通过对一工程实例中

单桩水平静载荷试验结果的分析，研究 PHC 管桩的水平承载力性状，讨论确定单桩水平承

载力极限值及特征值，得出其桩顶位移与荷载的关系，提出管桩水平承载力设计的有关建议，

以推广预应力混凝土管桩的理论研究和实践应用。关键词：地基基础工程；预应力高强混凝土管桩；水平承载力；水平静载荷试验中图分类号：TU473.1

Horizontal carrying capacity properties study of PHC pile based on field test LIU Ning, GE Xinsheng

(Architecture and Civil Engineering School,Tai Yuan University of Technology,Taiyuan 030024) Abstract: Pretensioned spun high strength concrete piles (PHC piles) are extensively applied in many areas，especially the earthquake fortification zones, because of their excellent carrying capacity and stability. However, their application time is so short that the theoretical research level is far below the practical development, especially in the respect of its horizontal carrying capacity properties. Based on the result of horizontal plate loading test on PHC piles in a practical case, the properties of horizontally loaded PHC piles, the horizontal carrying capacity ultimate value and eigenvalue, the relation of pile-top displacement and load are presented in the paper. The suggestion for PHC piles horizontal loading design is proposed, to extend the theoretical research and practical application. Key words: Foundation engineering;Pretensioned spun high strength concrete pile;Horizontal carrying capacity;Horizontal plate loading test

0 引言预应力管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩（代号 PC 桩）和预应力高强混凝

土管桩（代号 PHC 桩），PC 桩的离心混凝土强度等级不得低于 C50 级，PHC 桩的离心混

凝土强度等级不得低于 C80 级[1]，本文的研究对象即是 PHC 桩。PHC 管桩具有耐锤击性能

好、价格便宜、材料用量少、工程造价低、制桩速度快、施工方便等诸多优点，且成桩质量

可靠、稳定[2]，目前在许多地区特别是抗震设防区已得到越来越广泛的应用[3]。近年来，风

力、地震力等水平荷载逐渐成为建筑物设计中的控制因素，建筑桩基的水平承载力和位移计

算成为建筑物设计的重要内容之一，而 PHC 管桩由于其应用时间不长，理论研究水平远远

低于工程实践的发展，并且人们对其在水平荷载作用下的性状研究甚少，使得 PHC 管桩的

承载能力，特别是水平承载力未能得到充分利用，造成资源浪费。本文拟通过对一工程实例

中单桩水平静载试验结果的分析，讨论确定管桩的单桩水平承载力极限值及特征值，对管桩

的水平承载力性状进行研究，并结合建筑工程的特点提出管桩水平承载力设计的有关建议。


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1 工程实例

1.1 工程概况

山西诚宏福得一化工有限公司拟建 30 万吨∕年粗苯加氢精制项目一期工程，建筑场地

位于介休市北辛武，大运路 731km 处，山西介休路鑫工业园内，由于天然地基不能满足工

程需要，设计采用预应力高强混凝土管桩，设计要求，工程桩桩径 400mm，设计桩长 20m，

其中 3000 3m 罐 2 个，桩数分别为 86 根，5000 3m 罐 4 个，桩数分别为 147 根，均采用二氧

化碳气体保护焊接桩，设计要求桩顶位于天然地面以下 1.5m，施工方式为静力压桩。在正

式进行工程桩施工前进行试桩，试桩采用 PHC400-A95 型管桩，试桩桩长 20m，桩顶位于天

然地面。共计成桩 4 根。

1.2 工程地质条件

据该场地的《工程地质勘察报告》可知，拟建场地地貌单元属河流阶地。地形起伏不大,地面相对标高为 109.2m。

根据勘探深度(最大深度 25m)内揭露的地层岩性及其沉积特征，场地地层岩性自上而下

依次为：第四系全新统人工堆积物(Q4ml)、河流相冲洪积物(Q4

al+pl)。根据钻探资料、室内土工试验及原位测试成果综合分析，并结合地层岩性特征和力学性

质的差异，将本场地土在勘探深度范围内划分为 4 层，土层名称及其典型工程地质物理力学

指标如表 1。表 1 典型工程地质物理力学指标

Tab. 1 Physical and mechanical parameters of soil

土层

土层名称

平均层厚/m

含水量 ω/%

天然密度

ρ/（kN•m-3）

天然孔隙

比 0e Es

Mpa地基承载力特征

值 fak/kPa

探头锥尖阻

力 cq /kPa 探头平均侧阻力

sif /kPa

① 人工

填土 0.9 — —

— — —

— —

② 粉土 2.60 21.26 19.4

0.70 9.88 80

1440 26.06

③ 粉质

粘土 8.9 27.12 19.5

0.78 4.56 110

980 12.35

④ 粉土未揭穿 22.71 20.1

0.65 9.15 180

2000 38.25

3000

3m 罐桩位图（86根均布） 50003m 罐桩位图（147 根均布）

图 1 桩位平面布置 Fig. 1 Plan of pile groups


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2 试桩单桩水平静载荷试验

2.1 试验概况

2.1.1 检测目的及检测数量

1) 单桩水平静载荷试验目的：采用接近于水平受力桩的实际工作条件的试验方法确定

单桩的水平承载力，对工程桩的水平承载力进行检验和评价。 2) 检测数量：三组单桩水平静载荷试验。

2.1.2 试验方法

1) 试验设备：采用卧式千斤顶施加水平力，水平力作用线通过桩身轴线，桩的水平位移采用大量程百

分表测量，每一试桩在力的作用水平面上和在该平面以上 50cm左右各安装一或二只百分表。

固定百分表的基准桩应在试桩侧面靠位移的反方向，净距不少于 1 倍试桩直径。 2) 试验加荷：采用单向多循环加卸载法。 3) 荷载分级：

取预估水平极限承载力的1 10 —1 15 作为每级荷载的加载增量，每级荷载增量可取

2.5—20KN。 4) 加载程序与位移观测：每级荷载施加后，恒载 4min 测读水平位移，然后卸载至零，停 2min 测读残余水平位

移，至此完成一个加卸载循环，如此循环 5 次便完成一级荷载的试验观测。加载时间应尽量

缩短，测量位移的间隔时间应严格准确，试验不得中途停歇。 5) 终止试验的条件：当桩身折断或水平位移超过 30—40mm（软土取 40mm）时，可终止试验[4]。

表 2 试桩主要技术参数

Tab. 2 Main technical parameters of test pile 试验

桩号桩长/m

桩径/mm

壁厚/mm

型

号混凝土强度等级

预应力钢筋

抗裂弯矩

/（KN·m）

极限弯矩 /（KN·m）

桩身竖向承载

力设计值/KN S1 20 400 95 A C80 10 7.1φ 52 77 2250 S2 20 400 95 A C80 10 7.1φ 52 77 2250 S3 20 400 95 A C80 10 7.1φ 52 77 2250

图 2 检测点平面布置

Fig. 2 Plan of detection points


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2.2 试验结果

试桩单桩水平静载荷试验采用单向多循环加载法，每级加荷荷载为 10KN，试验结果详

见表 3。试验的 0H t Y− − 曲线、 0 /H Y H−∆ ∆ 曲线见图 3。

表 3 试桩水平静载荷试验结果

Tab. 3 Result of horizontal plate loading test 试验结果 S1 S2 S3

水平极限荷载/KN 110 90 100 桩顶水平位移/mm 9.00 10.80 13.80

图 3 试桩 0H t Y− − 曲线、 0 /H Y H− ∆ ∆ 曲线

Fig. 3 0H t Y− − curve and 0 /H Y H− ∆ ∆ curve of test pile

2.3 单桩水平承载力极限值及特征值的确定

桩在水平荷载作用下，桩侧土体随荷载的增加，其塑形区自上而下逐渐开展扩大，最大

弯矩断面下移，最后形成桩身结构的破坏。单桩水平极限荷载 uH 是指桩身材料破坏前或产

生结构所能承受变形前的最大荷载，其值可按下列方法综合确定[5]：

1） 0H t Y− − 曲线明显陡降的前一级荷载或水平位移包络线向下凹曲时的前一级荷载；

2） 0 /H Y H−∆ ∆ 曲线第二直线段终点所对应的荷载；

3）桩身折断或钢筋应力达到极限的前一级荷载。


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由此，试桩 S1、S2 分别于 120KN、100KN 时桩体出现断裂，故取桩身折断的前一级荷

载 110KN、90KN 分别为其单桩水平极限荷载。当桩顶作用水平力超过极限荷载后，桩的位

移速率突然增大，同一级荷载的每次循环都使位移量不断增大，同时桩周土出现明显裂缝，

桩体破坏。 0H t Y− − 曲线出现明显的陡降段，极限荷载在 0H t Y− − 曲线上表现为弯曲段

和陡降段的突变点。

试桩 S3 的 0H t Y− − 曲线均未出现明显陡降，故取 0 /H Y H−∆ ∆ 曲线第二直线段终点

所对应的荷载 100KN 为单桩水平极限荷载。由于三组试桩的单桩水平极限承载力的级差小于 30%，故取三组试验的平均值 100KN，

作为本工程单桩水平极限荷载。由《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）[6]，可根据静载试验结果取地面处水平位移为

10mm（对于水平位移敏感的建筑物取水平位移 6mm）所对应的荷载的 75%为单桩水平承载

力特征值。从三根试桩的 0H t Y− − 曲线来看，地面水平位移为 10mm 时 S2、S3 对应的荷

载分别为 90KN、80KN（S1 桩身断裂时桩顶位移尚未达到 10mm），取其值的 75%并计算

平均值，确定单桩水平承载力特征值为 64KN，对应的位移值小于 10mm，符合桩基规范的

规定。

3 结论通过对预应力高强混凝土管桩工程实例的分析，可以得到以下结论： (1) 目前，对于预应力混凝土管桩承载力的研究方法，主要是通过静载试验以及参照桩

基规范中的相应公式，在水平承载力性状方面研究甚少，现有的水平承载力研究方法仍待进

一步完善。

(2) 用现有规范提倡的方法来确定预应力混凝土管桩的水平承载力极限值及特征值，通过上述例子可看出是简便可行的，但仍需大量工程实例的验证。 (3) 从水平静载试验结果分析，水平荷载作用下，PHC 管桩的桩顶水平位移随荷载增加

而增大，当桩土体系处于弹性变形阶段时，二者呈线性关系。

[参考文献] (References)

[1] 徐至钧,李智宇,张亦农.预应力混凝土管桩设计施工及应用实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2009. [2] 李庆武.预应力混凝土管桩在西北地区的应用[J].山西建筑, 2007,33(26):147～148. [3] 易应征.预应力混凝土管桩的抗震设计探讨[J].国外建材科技, 2005,26(3):17～19 [4] 李连营,詹斌,戴斌.预应力管桩水平承载力的研究[J].岩土工程界,2006, 9(12):69～73. [5] 赵明华.土力学与基础工程[M].武汉:武汉理工大学出版社,2000. [6] JGJ 94-2008.建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

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