PTC管桩竖向承载性能现场试验研究

郎瑞卿，陈昆，闫澍旺，曾伟，苑红凯，段晓沛

(1.天津大学 建筑工程学院，天津300072；2.天津市市政工程设计研究院 滨海分院，天津 300457)

PTC管桩竖向承载性能现场试验研究

郎瑞卿1，陈昆1，闫澍旺1，曾伟2，苑红凯2，段晓沛2

(1.天津大学 建筑工程学院，天津300072；2.天津市市政工程设计研究院 滨海分院，天津 300457)

PTC管桩在桩基和复合地基中的所发挥的作用不同，其承载特性也存在着一定的差异，因此对PTC管桩的侧摩阻特性和端阻特性的研究具有十分重要的意义。通过设计9根不同桩长的预应力混凝土试验管桩，在3组不同地质条件的现场进行静载试验，得到不同桩长PTC管桩的荷载-位移曲线，探讨了PTC管桩在软土地区的承载特性；采用在桩体主筋上预设钢筋应力计和桩底预埋土压力盒的方法得到其不同截面的轴力和桩端阻力，进而分析了不同荷载级别下侧摩阻力和桩端阻力的发挥特性，同时确定了极限状态下侧摩阻力和桩端阻力的荷载分担比，并根据土质特性研究了PTC管桩与不同土质土体的摩擦系数。

岩土工程；PTC管桩；侧摩阻力；端阻力；桩土相互作用；静载试验

0引言

预应力混凝土管桩凭借其单桩承载力高、桩基质量可靠、工程造价低等优点[1]，在我国得到迅速发展，工程中已有大量应用。然而在实际工程中根据已有计算方法所得的单桩承载力与实测结果相差较大，对预应力空心桩承载性能及其构成部分-侧摩阻力和端阻力的发挥及分配等问题仍需进行深入研究。

桩基侧摩阻力和端阻力组成了桩基承载力。随着工程实践不断发展，学者们针对预应力管桩侧摩阻力及端阻力等问题展开了不同程度的研究，且取得了很多有价值的研究成果。高喜峰[2]从土塞效应和挤土效应入手，剖析了预应力管桩受力性状及独特的承载机理，通过对大量预应力管桩竖向静载荷试验结果进行归纳分析，修正了JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》(以下简称《规范》)[3]中的计算公式；胡琦等[4]结合工程实测数据，分析了外荷载与单桩初始极限承载力的关系；律文田等[5]通过现场试验，分析了静动载对预应力高强混凝土管桩轴力分布、桩身侧摩阻力和桩基沉降的影响及其变化规律；赵春风等[6]在考虑规范给定的分项系数约束条件下，对上海地区预制桩基竖向承载力进行了可靠性分析，并推导出对应于不同方法的抗力分项系数的理论公式；蔡健等[7]对管桩进行了轴向静载试验和桩身轴力的测试，探讨了深厚软土地基中超长PHC管桩的竖向承载特性和荷载传递机理；施建勇等[8]利用数值模拟方法，对砂性土地基预制桩沉桩过程进行了求解，得到了考虑和不考虑挤土作用的单桩P-S曲线；郎瑞卿等[9]结合现场试验和数值试验，研究了不同土质条件下PTC管桩的承载特性；J.LEE等[10]通过室内模型试验和现场试验，研究了侧摩阻力与端阻力之比，分析了管桩在砂土中的承载力。以上成果对PTC管桩在工程中的应用具有参考价值，但对于预应力管桩在软土地基中侧摩阻力及端阻力的发挥及承载荷载比例等问题并没有明确统一的结论。

笔者依托天津软土地区3组试桩工程，基于现场静载试验，对预应力混凝土管桩竖向承载特性进行了探讨，研究了PTC管桩在软土地区的竖向承载机理，揭示了管桩侧摩阻力和端阻力的发挥过程及极限状态下荷载分担比例，研究了预应力管桩与土体相互作用关系，确定了管桩与土体之间摩擦系数。

1预应力管桩承载特性现场试验

1.1试验设计及数据采集方法

试验分为3组，桩径均为0.40 m，共9根试验桩。第1组试桩1根，编号DS1，桩长10 m，桩端持力层为粉质黏土；第2组共4根，编号TS1、TS2、TS3及TS4，其中TS1、TS2桩长26 m，TS3、TS4桩长22 m，桩端持力层为粉质黏土；第3组试桩共4根，编号FS1、FS2、FS3及FS4，其中FS1、FS2桩长12 m，桩端持力层为粉土；FS3、FS4桩长22 m，桩端持力层为粉质黏土。

本次试验的试桩由管桩生产厂家特制，课题组负责钢筋应力计的安装工作，结合试桩场地地层情况，利用钢丝将钢筋应力计分段捆绑在管桩钢筋笼的主筋上，同时将电缆线捆绑在主筋上(图1)，然后经过上模具、浇筑混凝土、离心成型、低温养护至设计强度(图2)。

图1应力计与主筋连接示意Fig.1Stress gauges assembled with main reinforcement

图2试验用预应力管桩Fig.2Prestressed pipe piles in test

试验中采用慢速维持荷载法对试桩进行加载，加载分级、终止加载条件满足《规范》[3]要求，利用 JCQ 静载自动记录仪自动记录每级压力。桩顶沉降通过桩顶百分表测得，管桩内力由预先在主筋上捆绑应力计测的，应力计具体位置如图3。外荷载与轴力的差值即为该段桩基侧摩阻力。

图3钢筋应力计布置(单位：m)Fig.3Layout of stress gauges

1.2试验场地土层物理力学参数

3组试桩岩土分层情况如表1。

表1试验场地各土层的分布及主要物理力学指标Table 1Stratum distribution and main physical and mechanical indexes in location

2试验结果分析

2.1荷载-沉降曲线

整理3组试验结果，得到9根预应力混凝土管桩荷载-位移(Q-S)曲线如图4。

图4各预应力管桩Q-S曲线Fig.4Q-S curves of prestressed pipe piles

由图可知，9根管桩Q-S曲线均呈陡降型，并且存在明显拐点。同一组试验中桩长相同的两根桩基Q-S曲线基本重合，说明该试验误差较小，试验数据可靠。荷载较小时，Q-S曲线基本呈直线，处于完全线弹性压缩阶段，随着荷载的增大沉降开始逐渐增大，当荷载达到相应的极限状态时，沉降量发生陡降，依据相关规范规定，基础已经达到破坏状态，取前一级荷载作为管桩的极限承载力，整理9根管桩的极限承载力Qui及对应沉降Sui见表2。

表2极限承载力及其沉降Table 2The ultimate bearing capacity and its settlement

由表2可知：当预应力管桩极限承载力充分发挥时，其桩端沉降比Sui/d仅需2%～4%。长桩(h≥20 m)一般在硬黏性土、密实无黏性土中所需的桩端沉降比较小，而在较软黏性土中所需的桩端沉降比较大[11-12]。

2.2桩身轴力分析

通过钢筋应力计可得到管桩不同断面轴力，桩长相同的试桩轴力变化较为相似，笔者仅列举一组进行分析。计算得到各预应力管桩在各级荷载作用下桩身轴力N沿桩长h的分布规律见图5～图7。

图5第1组试验中轴力变化Fig.5Axial force change at different load stages of Test 1

图6第2组试验中轴力变化Fig.6Axial force change at different load stages of Test 2

图7第3组试验中轴力变化Fig.7Axial force change at different load stages of Test 3

由图5～图7可看出：在同级荷载作用下，桩身轴力自上向下发挥，随着深度的增加而减少，且不同截面间轴力减小幅度不同，与其他学者的成果较为接近[6，13-14]。同一试验中，随着荷载增大，桩身下部轴力逐渐增大，端阻开始发挥。h=12 m的管桩在其第一级荷载时，桩身下部轴力较大，说明此时桩端阻力已经发挥，这是因为桩长较小，且桩周土多为黏土，总侧摩阻力较小，无法承担全部外荷载，且桩端持力层为承载性能较强的粉质黏土，进而端阻力较早发挥[15]。

2.3桩侧摩阻力发挥特性分析

通过相近两个测点的轴力差即可得到该土层中桩身的平均侧摩阻力如式(1)：

(1)

式中：qi为第i层土中的平均侧摩阻力；Ni、Ni-1分别为第i层土上下测点出桩身轴力；Ai为计算范围内桩身侧面面积。

桩长相同的试验桩身侧摩阻力变化较为相似，仅列举一组进行分析。经过计算，各预应力管桩截面之间平均侧摩阻力q沿桩长分布如图8～图9。

图8第2组试验中桩身侧摩阻力变化Fig.8Skin friction change at different load stages of Test 2

图9第3组试验中桩身侧摩阻力变化Fig.9Skin friction change at different load stages of Test 3

由图8、图9可看出：短桩(h≤20 m)受到较小同级荷载时，桩摩阻力沿深度增大，由于桩土接触面积较小，且桩端持力层为粉质黏土，端阻力较早发挥。长桩(h≥20 m)受到较小荷载时，土层侧摩阻力随着外荷载的增大而增大，上部土层黏土或淤泥质黏土侧摩阻力先发挥，对应数值大于下部粉质黏土提供的侧摩阻力；随着荷载增大，下部粉质黏土侧摩阻力开始发挥，对应数值大于上部土体；当外荷载接近各桩极限值时，上部黏土、淤泥质黏土摩阻力基本保持不变，下部粉质黏土提供的侧阻力增大幅度也相应减小，侧摩阻力发挥完全。该现象表明：由于桩土相对位移从桩身上部到桩身下部逐渐发挥，桩身上部和下部土体的侧摩阻力的发挥是异步的过程[16]，且与土质和深度有较大关系。

PTC管桩在不同土层中极限侧摩阻力，见表3。

表3不同深度土体极限侧摩阻力qsTable 3The ultimate skin friction of soil with different depths

2.4桩端阻力发挥特性分析

经过计算，各预应力管桩端阻力承担外荷载比例随桩顶沉降变化如图10。

图10端阻承担荷载比例随沉降变化Fig.10Variation of load shearing ratio of tip resistance changing with settlement

由图10可知：同一组试验中相同桩长的PTC管桩受到外荷载时，桩端阻力随沉降变化基本相同，试验准确性较高。在桩端阻力-位移曲线中存在明显拐点，拐点之前曲线斜率较小，拐点之后斜率较大[14]。桩端阻力的发挥性状与桩长有密切关系：由于桩长较小，总侧摩阻力较小，且桩端持力层为承载性能较好的粉质黏土，管桩FS1与FS2端阻力在第一级荷载时就承担较大比例外荷载，DS1与之类似；其他试验中，荷载较小时端阻力并未充分发挥，此时外荷载主要由上部黏土、淤泥及淤泥质黏土提供的侧摩阻力承担，随着外荷载的增大，接近极限荷载时，端阻力显著增大并达到其最大值，桩端阻力所分担的荷载比例也达到最大值。

2.5侧摩阻力与端阻荷载分担比分析

根据实测结果，对PTC管桩桩身的侧阻力和端阻力进行了分离，各管桩荷载分担比例随外荷载的变化如图11。

图11侧摩阻力、端阻承担比例随外荷载变化Fig.11Variation of skin resistance and load shearing ratio of tip resistance chanqing with outer loading

由图11可知：当短桩(h≤20 m)在荷载较小时，桩端阻力所占桩顶荷载份额Qp/Q较高，桩侧摩阻力所占桩顶荷载份额Qs/Q较低，随着荷载继续增加，桩端位移开始增长，此时Qp/Q有所下降，Qs/Q上升，当Q接近极限值时，桩端阻力和侧阻力几乎同时达到极限值，Qp/Q及Qs/Q趋于定值，可定义为端阻摩擦桩。当长桩(h≥20 m)在荷载较小时，Qp/Q较高，当随着荷载继续增加，桩端阻力也开始逐渐发挥，Qp/Q也逐渐增大。当Q接近极限值时，桩端阻力和侧阻力几乎同时达到极限值，Qp/Q及Qs/Q趋于定值，可定义为端阻摩擦桩。各管桩侧摩阻力与端阻力承担外荷载比例如表4。

表4各管桩荷载分担比Table 4The load sharing ratio of piles %

通过表4可知：端阻力承担荷载分担比约为19%～25%，大于胡琦等[4]的结论，与赵春风等[6]、黄挺等[13]和张忠苗等[14]的结论较为接近，说明桩端阻力的发挥与桩端持力层性质有较大的关系。

3桩土相互作用分析

《规范》[3]计算桩基侧摩阻力多采用极限侧阻力标准值，笔者根据实测数据，确定了桩土之间的摩擦系数，可直接计算出侧摩阻力。该摩擦系数可根据式(2)确定：

(2)

式中：qi为实测该土层中平均侧摩阻力；γ为土体有效容重；z为土体深度；K0为土体侧压力系数。

根据确定的桩侧摩阻力，经过计算，得到混凝土预应力管桩与土体的摩擦系数如表5。

表5不同深度桩土摩擦系数Table 5Friction coefficients between piles and soil at various depths

由表5可知：预应力混凝土管桩与软土的摩擦系数取值范围为0.11～0.36。土体性质对摩擦系数影响较大：对于含水率较高、内摩擦角较小的淤泥，摩擦系数较小，取值范围为0.11～0.14；对于含水率较高，内摩擦角较大的淤泥质黏土，摩擦系数取值范围为0.14～0.17；对于含水率较低、内摩擦角较大的黏土及粉土，摩擦系数取值范围为0.33～0.36，小于许宏发等[17]和张明义等[18]研究中的摩擦系数(0.30～0.50)，其原因是许宏发等[17]和张明义等[18]试验中围压较大。同一土层的摩擦系数随着桩身深度的增加而产生小幅度增加。

4结论

笔者结合天津软土地区3组预应力管桩现场试验，通过分析现场实测数据，研究了9根预应力管桩的承载性能及其荷载传递机制。

1) 相同桩长管桩在同一地质条件下，荷载-位移曲线接近，试验误差较小，试验数据可靠。各预应力混凝土管桩Q-S曲线均为陡降型，并且存在明显拐点。

2) 在不同荷载水平作用下，桩身轴力自上向下逐渐发挥，随深度增大而减小。短桩受到较小荷载时，总侧摩阻力较小，端阻较快发挥。预应力管桩桩身上部和下部的侧摩阻力的发挥是异步的过程。

3) 桩端阻力的发挥性状与桩长有密切关系。桩长越长，端阻力发挥越晚。

4) 预应力混凝土管桩在软土中可定义为端阻摩擦桩，侧摩阻力承担荷载比例约为75.1%～80.5%，混凝土管桩与软土的摩擦系数取值范围为0.11～0.36，与土质参数有较大关系且随着深度的增大而增大。

[1] 赵程，杜兴华，赵春风，等.中掘预应力管桩竖向抗压承载性能试验研究[J].岩土工程学报，2013，35(增刊1)：393-398.

ZHAO Cheng，DU Xinghua，ZHAO Chunfeng，et al.Vertical bearing capacity of inner-digging prestressed piles[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2013，35(Sup1)：393-398.

[2] 高喜峰.天津市预应力管桩竖向承载力研究[D].天津：天津大学，2005.

GAO Xifeng.ResearchonVerticalBearingCapacityofPrestressedConcretePipePileinTianjinCity[D].Tianjin：Tianjin University，2005.

[3] 中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

China Academy of Building Research.TechnicalCodeforBuildingPilesFoundations：JGJ94—2008[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2008.

[4] 胡琦，蒋军，严细水，等.回归法分析预应力管桩单桩极限承载力时效性[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38(4)：602-604.

HU Qi，JIANG Jun，YAN Xishui，et al.Regression analysis of the time effect of ultimate bearing capability of single reinforced pile[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology，2006，38(4)：602-604.

[5] 律文田，王永和，冷伍明，等.预制静压桩静动载现场试验分析[J].岩土力学，2005，26(2)：251-255.

LV Wentian，WANG Yonghe，LENG Wuming，et al.Analysis of in-situ static and dynamic load tests for precast static pressure pile[J].RockandSoilMechanics，2005，26(2)：251-255.

[6] 赵春风，卢隆宾，徐超，等.预制桩竖向承载力的分项系数研究[J].岩土工程学报，2003，25(2)：154-156.

ZHAO Chunfeng，LU Longbin，XU Chao，et al.Study on partial factor of vertical bearing capacity of precast pile[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2003，25(2)：154-156.

[7] 蔡健，周万清，林奕禧，等.深厚软土超长预应力高强混凝土管桩轴向受力性状的试验研究[J].土木工程学报，2006，39(10)：102-106.

CAI Jian，ZHOU Wanqing，LIN Yixi，et al.Experimental study on the axial compressive behavior of super-long PHC pipe piles in deep soft soils[J].ChinaCivilEngineeringJournal，2006，39(10)：102-106.

[8] 施建勇，陈海丰，雷国辉，等.考虑砂土地基预制桩侧向挤土影响的单桩承载力分析研究[J].岩土力学，2008，29(1)：125-129.

SHI Jianyong，CHEN Haifeng，LEI Guohui，et al.Load bearing capacity analysis of single jacked pile considering lateral squeezing effect in sand ground[J].RockandSoilMechanics，2008，29(1)：125-129.

[9] 郎瑞卿，孙立强，闫澍旺，等.PTC管桩复合地基应力扩散效应研究[J].岩土力学，2015，36(增刊2)：394-400.

LANG Ruiqing，SUN Liqiang，YAN Shuwang，et al.Study on additional stress dispersion behavior of PTC pile composite foundation[J].RockandSoilMechanics，2015，36(Sup2)：394-400.

[10] LEE J，SALGADO R，PAIK K.Estimation of load capacity of pipe piles in sand based on cone penetration test results[J].JournalofGeotechnical&GeoenvironmentalEngineering，2003，129(5)：391- 403.

[11] 孙志亮.预应力管桩竖向荷载传递机理研究[D].天津：天津大学，2005.

SUN Zhiliang.ResearchonLoadTransferMechanismofPrestressConcretePipePile[D].Tianjin：Tianjin University，2005.

[12] 王俊林，王志宽，马艳.静压管桩单桩极限承载力与终压力关系的探讨[J].岩土力学，2008，29(增刊)：631-634.

WANG Junlin，WANG Zhikuan，MA Yan.Relationship between ultimate bearing capacity of single pile and final pressure of static pressure pipe pile[J].RockandSoilMechanics，2008，29(Sup)：631-634.

[13] 黄挺，龚维明，李辉，等.超长桩桩端注浆静载试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(增刊1)：112-116.

HUANG Ting，GONG Weiming，LI Hui，et al.Static load tests on super-long piles with base post-grouting[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2011，33(Sup1)：112-116.

[14] 张忠苗，喻君，张广兴，等.PHC管桩和预制方桩受力性状试验对比分析[J].岩土力学，2008，29(11)：3059-3065.

ZHANG Zhongmiao，YU Jun，ZHANG Guangxing，et al.Contrastive experimental analysis of bearing behaviors of PHC pile and precast square piles[J].RockandSoilMechanics，2008，29(11)：3059-3065.

[15] 徐浩，王成.超长桩侧阻力分布形式与承载力的关系[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2009，28(增刊)：400-402.

XU Hao，WANG Cheng.Study on relationship between side friction resistance distribution and bearing capacity of super-long piles[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2009，28 (Sup)：400-402.

[16] 任修文，谭亮，冯樊.竖向荷载作用下预制管桩桩土共同作用的数值分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(增刊1)：550- 554.

REN Xiuwen，TAN Liang，FENG Fan.Numerical analysis on pile-soil interaction of precast pipe pile under vertical loading[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2011，30(Sup1)：550-554.

[17] 许宏发，吴华杰.桩土接触面单元参数分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2002(5)：10-12.

XU Hongfa，WU Huajie.Study on the parameters of pile soil contact surface element[J].ExplorationEngineering(Rock&SoilDrillingandTunneling)，2002(5)：10-12.

[18] 张明义，邓安福.桩-土滑动摩擦的试验研究[J].岩土力学，2002，23(2)：246-249.

ZHANG Mingyi，DENG Anfu.Experimental study on sliding friction between pile and soil[J].RockandSoilMechanics，2002，23(2)：246-249.

(责任编辑：刘韬)

In-situ Test Research on Vertical Bearing Capacity of PTC Pipe Pile

LANG Ruiqing1, CHEN Kun1, YAN Shuwang1, ZENG Wei2, YUAN Hongkai2, DUAN Xiaopei2

(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China; 2. Binhai Branch of Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute, Tianjin 300457, P. R. China)

There are differences between the roles that PTC pipe piles play in pile foundation and composite foundation, so do its bearing characteristics. Therefore, the study on the characteristics of skin resistance and tip resistance of PTC pipe piles is of great importance. 9 prestressed concrete test pipe piles with different pile lengths were designed. Static load tests were carried out on the scenes of 3 sets of different geological conditions and the load-displacement curves of PTC pipe piles with different pile lengths were obtained. The bearing characteristics of PTC pipe pile in soft soil area were discussed. The axial force and pile tip resistance of different sections were obtained by pre-embedding the reinforced stress gauge in the main reinforcement of the pile and soil pressure box at the bottom of pile. And then the performance characteristics of skin resistance and pile tip resistance with different load levels were analyzed. Meanwhile, the load sharing ratio of skin resistance and pile tip resistance at the limited state was determined. Finally, according to soil characteristics, the friction coefficients between PTC piles and different soil were studied.

geotechnical engineering; PTC pipe pile; skin resistance; tip resistance; pile-soil interaction; static load test

TU41；O 319.56

A

1674-0696(2017)10-062-08

2016-01-12；

2016-02-20

国家自然科学基金项目(41402263)

郎瑞卿(1991—)，男，河北邢台人，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：langruiqing@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.11