PHC 管桩单桩水平静载荷试验研究与分析

王 毅

（1.吉林省建筑科学研究设计院；2.吉林省建筑工程质量检测中心，长春130011）

0 概述

随着高层建筑与构筑物日益增多，水平荷载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[1]。近年来高强预应力混凝土管桩（以下简称PHC管桩）在吉林省被大量推广应用，其承载力高、质量稳定等优点得到众多认可，但由于PHC管桩的应用时间不长，其理论研究水平远远低于工程实践的发展，而且人们对PHC管桩在水平荷载作用下的研究性状甚少，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，造成资源的浪费。

水平承载桩的工作性能是桩与土的相互作用的问题，即利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载作用下发生变形，促使桩周土发生相应变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展[2]。当前，对单桩水平承载力的确定方法主要有水平载荷试验和计算分析2类，其中以水平载荷试验最能反映真实情况，故文献[3]推荐以水平载荷试验作为确定水平承载力的基本方法，本文通过工程实例，分析了水平荷载作用下PHC管桩的工作性状，可以为今后同类地区水平受荷桩的设计与理论研究提供参考依据。

1 工程概况

1.1 工程概况

荣怀·镜湖半岛（水月云天）工程，位于松原市镜湖路。拟建的荣怀·镜湖半岛（水月云天）项目包括1栋32层和1栋30层的超高层住宅建筑、3栋多层建筑及地下车库等，地上建筑均为框架剪力墙结构，建筑地理位置及建筑具体尺寸详见建筑物及勘探点平面位置图，总建筑面积约149 193m2，荣怀·镜湖半岛（水月云天）建筑均拟采用PHC管桩桩基础。

1.2 工程地质条件

拟建场地上部为黏性土，下部为砂土，根据岩土的物理力学性质分为如下10层。

第①层素填土：主要由灰黑色、黑色黏性土、砂土组成，见有少量建筑垃圾，一般较松散。层厚变化较大，层厚1.20～3.10m，一般层厚2.00m。

第①1层粉质黏土：黑色、灰黑色，呈软塑状态，属湖底沉积土，局部有人为改造痕迹，高压缩性，层厚1.50～3.50m，一般层厚2.60m，层顶标高129.36～131.51m。

第②层细砂：灰白色、灰黑色，饱和，呈中密状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚1.30～10.70m，一般层厚 4.90m，层顶标高126.56～129.58m。

第③层细砂：灰褐色、灰白色，饱和，呈稍密状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚0.60～5.30m，一般层厚2.30m，层顶标高119.05～127.48m。

第④层中砂：灰黑色、灰白色，饱和，呈中实至密实状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚1.70～7.30m，一般层厚4.40m，层顶标高114.75～126.38m。

第⑤层细砂：灰黑色、灰白色，饱和，呈稍密状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚1.00～5.30m，一般层厚2.70m，层顶标高113.96～122.98m。

第⑥层粗砂：灰褐色、灰白色，饱和，呈中密状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚0.60～7.30m，一般层厚 3.20m，层顶标 高109.69～120.98m。

第⑦层细砂：灰黑色、灰白色，饱和，呈稍密状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚0.60～5.10m，一般层厚2.80m，层顶标高108.19～110.80m。

第⑧层中砂：灰褐色、灰白色，饱和，呈中实至密实状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，层厚0.80～9.70m，一般层厚5.10m，层顶标高105.01～108.70m。

第⑨层中砂：灰黑色、灰白色，饱和，呈中实状态，主要由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，勘察揭露的最大厚度为6.60m，土层未揭穿。

场区地下水属于潜水类型，主要埋藏于第①1～⑨土层中，初见和稳定水位3.50～4.50m，水位标高为127.56～129.30m，平均水位高程为128.52m。

2 试验方法

2.1 试验设备

试验采用1台1 000kN千斤顶加载，用BZ型超高压油泵供油。荷载大小由安装在油泵油路上的压力传感器通过“RS－JYC”型桩基静载荷测试分析系统自动控制。水平位移观测采用2支量程为50mm，精度为0.01mm的位移传感器，通过“RSJYC”系统对施加水平力的加荷点平面处的水平位移自动测量。

2.2 荷载施加

试桩为PHC500AB型桩，桩径500mm，桩长9m。考虑到桩的实际工作状态，在桩顶施加600kN的竖向荷载（SP－1、SP－2号桩施加，SP－3号桩未施加），在桩顶与施加竖向荷载的千斤顶之间设置一滚轴装置，使桩在水平荷载作用下桩顶可以自由水平移动。施加水平力时，用3根桩提供反力（详见图1），水平力加荷点位于第②层细砂粉质黏土层中，距开挖后的地面1.92m。

试验采用单向多循环加载法进行试验，并应符合下列规定：

单向多循环加载法的分级荷载应小于预估水平极限承载力或最大试验荷载的1／10。每级荷载施加后，恒载4min后可测读水平位移，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，完成一级荷载的位移观测。试验不得中间停顿。

图1 水平载荷试验平面示意图

试验按预估极限承载力分10级加载。当出现下列情况之一时，可终止加载：

（1）桩身折断；

（2）水平位移超过30～40mm；

（3）水平位移达到设计要求的水平位移允许值。

3 试验成果与分析

水平载荷试验主要依据水平力—时间—位移（H－t－Y0）及水平力—位移梯度（H－ΔY0／ΔH）曲线来综合确定水平临界荷载Hcr、水平极限荷载Hu及地基水平抗力系数的比例系数m 值，从而达到对桩水平受力的工作性状分析与研究，实现对工程桩的水平承载力的检验和评价。

3.1 水平承载力的分析与确定

试桩SP－1、SP－2、SP－3的H－t－Y0、HΔY0／ΔH曲线如图2～图7所示。

图2 SP－1水平载荷试验H－t－Y0曲线

图3 SP－1水平载荷试验H－ΔY0／ΔH曲线

图4 SP－2水平载荷试验H－t－Y0曲线

图5 SP－2水平载荷试验H－ΔY0／ΔH曲线

图6 SP－3水平载荷试验H－t－Y0曲线

图7 SP－3水平载荷试验H－ΔY0／ΔH曲线

从图2～图7中可以看出：

（1）SP－1号桩加载至240kN时，水平位移10.62mm；H－ΔY0／ΔH 曲线出现第一个拐点，即Hcr＝240kN，当加载至450kN时，测得最大水平位移58.97mm，当加载至550kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝450kN。

（2）SP－2号桩未施加竖向荷载，当加载至160 kN时，水平位移6.01mm；H－ΔY0／ΔH 曲线出现第一个拐点，即Hcr＝160kN，当加载至360kN时，测得最大水平位移52.38mm，当加荷至400kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝400kN。

（3）SP－3号桩加载至250kN时，水平位移8.75mm；H－ΔY0／ΔH 曲线出现第一个拐点，即Hcr＝250kN，当加载至450kN时，测得最大水平位移48.21mm，当加荷至500kN时，因桩被推断而停止试验，则Hu＝450kN。

依据规范[3]，结合图2～图7，可以得出单桩的水平承载力特征值Rh，如表1所示。

3.2 m值的计算

当桩顶自由且水平力作用位置位于地面处时，值可按下列公式确定：

表1 单桩的水平承载力特征值Rh

式中：m—— 地基土水平抗力系数的比例系数（MN／m4）；

vy—— 桩顶水平位移系数，由式（2）试算α，当αh ≥4.0时 （h 为 桩 的 入 土 深 度），vy＝2.441；计算时，先假设试桩为弹性长桩，则vy＝2.441，最后验算αh ≥4.0的假设是否成立[4]；

H——作用于地面的水平力（kN）；

Y0——水平力作用点的水平位移（m）；

EI—— 桩身抗弯刚度（kN·m2）；其中E为桩身材料弹性模量，I为桩身换算截面惯性矩，对于钢筋混凝土桩，EI＝0.85EcI0；其中I0为桩身换算截面惯性矩，圆形截面为I0＝W0d0／2；

b0——桩身计算宽度（m），对于圆形桩：当桩径d≤1m时，b0＝0.9（1.5d＋0.5）＝1.125m。

W0——桩身换算截面受拉边缘的截面模量，圆形截面为[5]；

式中：d—— 桩直径，500mm；

d0——为扣除保护层厚度的桩直径，420mm（混凝土保护层厚度40mm）；

αE——为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；

ρg—— 桩身配筋率。

对照材料力学关于圆形和方形的截面模量W0计算公式可知，式（3）是对应于实心圆形桩，并且把桩身钢筋等效地计入W0。由于规范条文没有特别说明，也没有另外提供空心桩的计算公式，有设计人员直接套用式（3）计算预应力混凝土管桩的W0，造成偏差[6]。因此，计算预应力混凝土管桩时，要减去空心部分，即预应力混凝土管桩为：

式中：dl—— 为空心桩内径，250mm。

查 规 范[5，7—8]，试 桩 PHC500AB 型 桩 壁 厚 为125mm，混凝土强度等级为C80，配筋为结构钢筋12φ10.7，预应力钢筋最小配筋面积1 080mm2，混凝土弹性模量Ec＝3.80×104N／mm2，预应力钢筋弹性模量Es＝2.0×105N／mm2，可得αE＝Es／Ec＝5.26，ρg＝ 0.734%， 从 而 可 计 算 W0＝0.011 9m3，I0＝2.5×10－3m4，EI＝0.85EcI0＝8.075×104kN·m2。

通过上述公式可得到各级荷载下m值随荷载H 和变形Y0的变化曲线（通过验算，αh≥4.0，νy0＝2.441的假设成立），如图8、图9所示。

从图中可以看出，Y0－m曲线和H－m曲线都近似成双曲线变化规律。在最初的小变形阶段，m值对上部土质的变化十分敏感，m随变形的增大迅速降低；之后随着土体进入弹塑性阶段，m值则随变形的增大降幅趋缓。m值由单桩临界荷载及相应水平位移来计算[4]，由临界荷载及对应的位移可以求出SP－2桩的m值为49.98MN／m4。

图8 SP－2水平载荷试验H－m曲线

图9 SP－2水平载荷试验Y0－m曲线

4 结语

（1）500mm直径PHC500AB型桩，桩顶施加600kN竖向荷载的水平承载力特征值Rh可取240 kN；自由端的水平承载力特征值可取160kN。地基土水平抗力系数的比例系数m值对上部土质的变化十分敏感，m随变形的增大迅速降低，由临界荷载及对应的位移可以求出SP－2桩的m值为49.98MN／m4。

（2）研究了水平荷载作用下PHC管桩单桩的工作性状，为松原地区水平受荷桩的设计与理论研究提供参考依据，但没有考虑PHC管桩群桩、不同桩径时，在水平荷载作用下的工作性状，对于这一方面有待进一步的研究。

[1]陈凡，徐天平，陈久照，等.基桩质量检测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：83－95.

[2]桩基工程手册编写委员会.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：225－308.

[3]JGJ 106—2003，建筑基桩检测技术规范[S].

[4]王建立，彭雄志，蔡先庆.昔格达地层地基抗力系数比例因子m 值的确定[J].路基工程，2007（6）：99－101.

[5]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[6]古今强.实施《建筑桩基技术规范》（JGJ94—2008）中的几个问题[J].建筑结构，2009，39（增刊）：794－796.

[7]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[8]GB 13476—2009，先张法预应力混凝土管桩[S].