水利工程中大直径PHC管桩承载力试验研究

訾洪利

（安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所，安徽合肥230022）

水利工程中大直径PHC管桩承载力试验研究

訾洪利

（安徽省水利水电勘测设计院工程质量检测所，安徽合肥230022）

结合某一水利工程大直径PHC管桩的地基处理应用，开展了单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，并通过在管桩预制阶段安装钢筋应力计，研究分析了静载试验中桩身的荷载传递规律。研究表明：本工程中混凝土强度C80、外径800 mm、内径580 mm的PHC管桩的单桩竖向抗压承载力极限值不小于2 880 kN，桩顶荷载几乎全部由桩周侧摩阻力承担，桩端阻力发挥较小，属于典型的摩擦型桩。桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力均随着竖向荷载的施加而逐渐增大，并沿深度呈衰减分布。水平荷载下的桩身弯矩呈弓形分布，最大弯矩发生在距桩顶约0.2～0.3倍桩长截面处，单桩水平临界荷载值在150 kN左右。

PHC管桩；静载试验；承载力；轴力；弯矩

1 研究背景

预应力高强度混凝土管桩（PHC管桩）因其具有承载力高、质量稳定、施工速度快、成本低等特点，而被广泛应用于水利建筑、公路和铁路等工程建设中［1-4］。管桩设计的关键在于确定其竖向单桩承载力和水平单桩承载力等参数。由于不同地区土质条件、设计要求和施工条件等存在较大的差异性，目前针对预应力管桩承载力计算的经验公式不多，不同的规范又有着不同的标准［5-7］。

国内学者对于PHC管桩的承载力研究已取得了一定的成果［8-13］。蔡健等［10］通过开展轴向静载试验和桩身轴力的测试，探讨了超长PHC管桩的竖向承载特性和荷载传递机理，表明在深厚软土地基中的超长PHC管桩表现出端承摩擦桩的承载性状；邢皓枫等［11］利用桩身预先埋设的光纤传感器，并借助静载荷试验、高应变和静力触探等现场测试手段，研究了PHC管桩在不同荷载作用下桩身沿深度的受力分布特征；张军［12］通过对预应力管桩的静载试验结果和经验公式计算结果比较发现，如果按照规范的公式来计算承载力，计算值比静载荷试验值小得多，造成浪费，从而增加项目的成本；邱志雄等［13］通过对软土路基上PHC管桩进行压桩、复压和原位载荷试验，认为依据静力触探指标和规范方法计算的承载力偏于安全，以复压压桩力评估承载力随时间的增长偏于危险。可见，目前用于确定PHC管桩承载特性的相对准确方法依然是通过一系列的现场静载试验，比如单桩竖向抗压静载试验、单桩水平静载试验、基桩高应变承载力检测和基桩锤击贯入度观测等。但是，现有现场静载试验主要还是用于确定单桩极限承载力等主要设计参数，受应力传感器在水利工程中PHC管桩预制和打设阶段成活率较低的影响，有关静载试验中桩身内部应力分布特性的研究并不多见。

本文结合某一针对PHC管桩工程的现场检测试验，开展单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，并通过在管桩预制阶段安装钢筋应力计，研究分析静载试验中桩身轴力、桩端阻力、桩侧阻力和桩身弯矩等的分布规律，为今后的管桩优化设计和施工提供参考。

2 试验布置

裕溪闸枢纽工程位于安徽省无为县与和县交界处巢湖流域裕溪河入长江口4 km处，上承无为大堤无为段，下接无为大堤裕黄段，是无为大堤上的大型水利工程，由裕溪节制闸和裕溪船闸组成。裕溪节制闸西侧为老裕溪船闸，东侧为新建裕溪船闸，与巢湖闸组成巢湖、裕溪河梯级水利枢纽。该节制闸始建于1959年，共24孔，其中西部浅孔16孔，东部深孔8孔。根据安全鉴定，需要对裕溪闸闸室结构进行拆除重建，新建闸室基础拟采用混凝土强度C80、外径800 mm、内径580 mm的PHC管桩，设计单桩竖向抗压承载力特征值为1 200 kN，单桩水平承载力特征值待定。

本工程闸室下游左岸的地基土从上到下主要由3.2 m人工填土层、12.6 m淤泥质粉质黏土夹粉砂层、6.4 m粉砂夹淤泥质粉质黏土层和7.8 m粉砂层组成，右岸地基土从上到下主要由3.8 m人工填土层和36.4 m深厚淤泥质粉质黏土层组成。为保证安全，需在工程桩施工前进行现场静载试验分析其承载性能。图1为现场静载试验中试验桩的平面布置图。其中，右岸管桩B1、B2、B3、B右增的桩长分别为35、30、35、39 m，对其严格按照《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2014［14］中的相关规定，采用“慢速维持荷载法”进行单桩竖向抗压承载力试验，首级加载480 kN，以后每级各加载240 kN，直至加载至2 880 kN。左岸管桩C1—C4、C7的桩长为24 m，C5、C6的桩长为27 m，采用“单向多循环加载法”进行单桩水平承载力试验，首级加载10 kN，以后各级加载10 kN，C5桩的最大加载为200 kN，C6桩的最大加载为130 kN，C7桩的最大加载为220 kN。同时，通过在预制阶段对各桩桩身不同截面内安装钢筋测力计，来分析现场竖向或水平静载试验中桩身内力的分布特性。

图1 试验PHC管桩的桩位布置（单位：mm）

图2 竖向荷载-沉降曲线

图3 竖向荷载对数-沉降曲线

图4 管桩B3的桩身轴力分布曲线

3 单桩竖向抗压承载力试验结果

3.1 单桩竖向抗压承载力图2和图3分别表示在加荷和卸荷过程中各单桩的竖向荷载-沉降曲线和沉降-荷载对数曲线。由图2可见，在加荷过程中，竖向荷载-沉降曲线呈缓变型增长。当荷载最大加至2 880 kN时，管桩B2、B3、B右增和C1的最大沉降量分别为15.56、9.97、18.04和8.27 mm。在卸荷过程中，各管桩均出现明显的回弹现象，回弹率分别达到48.2%、67.0%、17.7%和75.2%。由图3可见，各管桩的沉降-荷载对数曲线基本一致，各级荷载对应的沉降曲线均较平坦，未见明显下弯。可知，各试验管桩的竖向抗压极限承载力均不小于本次试验的最大加载量2 880 kN。

3.2 桩身轴力分析图4为管桩B3在加荷过程中管桩桩身的轴力分布曲线，分别在桩深25、28、31和34 m截面处安装有钢筋测力计。由图4可见，不同荷载作用下的桩身轴力分布规律基本一致，桩身轴力沿深度方向迅速衰减，到达桩端部位时桩身轴力接近于零，管桩B3属于典型的摩擦型桩，桩顶荷载几乎全部由桩身侧摩阻力承担，桩端阻力没有得到有效发挥。随着桩顶荷载的不断增加，桩身各截面处轴力也逐渐增大。

3.3 桩周侧摩阻力及桩端阻力图5为管桩B2和B3的桩周侧摩阻力随竖向加载的变化曲线。由图5可见，不同深度范围内的桩周侧摩阻力随桩顶荷载的施加近似呈线性增长，沿桩身深度增大而减小。当达到最大一级荷载时，管桩B2上部土体的桩周摩阻力接近40 kPa，管桩B3上部土体的桩周侧摩阻力接近35 kPa。图6为管桩B2和B3的桩端阻力随竖向加载的变化曲线。由图6可见，管桩B2和B3端阻力随桩顶荷载的提高而不断增大，管桩B3端更接近持力层，其端阻力要大于管桩B2端阻力；当达到最大一级荷载2 880 kN时，管桩B2端阻力为90 kPa左右，而管桩B3端阻力接近140 kPa。

图5 桩周侧摩阻力随竖向加载的变化曲线

图6 桩端阻力随竖向加载的变化曲线

图7 管桩C5的水平荷载/时间-水平位移曲线

4 单桩水平承载力试验结果

4.1 水平荷载/时间-水平位移图7为管桩C5的桩顶水平位移与水平荷载（或时间）的关系曲线。由图7可见，桩顶水平位移随着水平荷载（或时间）的增加而不断增大，水平荷载为200 kN（或时间为2 h）时，桩顶处上位移计表和下位移计表的最大读数分别为48.06和42.12 mm。曲线的拐点并不是很明显，并且未出现明显的陡降趋势，因此仅从水平荷载/时间-水平位移曲线无法判断出桩身水平临界荷载值及水平极限承载力值。

4.2 桩身弯矩基桩在水平力作用下仍可假设满足平截面假定，单桩水平荷载作用下桩身任一截面的弯矩可由下式计算得到：

式中：M为任一截面的弯矩；EI为桩身抗弯刚度，kN·m2，E为桩身材料弹性模量，I为桩身换算截面惯性矩；ε1为受压区钢筋的压应变；ε2为受拉区钢筋的拉应变；d为受拉区和受压区钢筋的中心距离。根据实测应变传感器的读数可以得到钢筋应变，从而得到管桩在各级荷载下钢筋和PHC桩身混凝土的最大拉应变和压应变。以管桩C5为例，根据式（1）可以进一步得到各级荷载下桩身各截面的弯矩分布曲线，如图8所示。由图8可见，在桩顶水平荷载作用下，管桩桩身弯矩呈现弓形分布，最大弯矩点位于距桩顶5.5 m深度（约0.2倍桩长）处。对于管桩C6和C7，最大弯矩则分别位于距桩顶0.2倍和0.27倍桩长处。可见，在水平荷载作用下，本工程中PHC管桩的最大弯矩点一般位于距桩顶0.2～0.3倍桩长的桩身截面处。不同水平荷载作用下的桩身弯矩分布形式基本相似，且各截面弯矩随荷载逐渐施加而不断增大，最大弯矩可达1 820 kN·m。

4.3 水平力-桩身截面钢筋拉应力图9为管桩C5的桩身截面钢筋拉应力与水平荷载的关系曲线。由图9可见，随着水平荷载的不断施加，各截面处的钢筋拉应力近似呈线性增长。当水平荷载达到150 kN后，各截面处的钢筋拉应力随着水平力继续施加的增大幅度显著提高。可以认为，该试验管桩的水平临界荷载值在150 kN左右，此时基桩最大弯矩范围内桩体出现裂隙，不利于桩体耐久性使用。

图9 管桩C5的水平荷载-桩身截面钢筋拉应力关系曲线

图8 管桩C5的桩身弯矩分布曲线

5 结论

（1）在PHC管桩竖向抗压承载力试验中，各试验桩的竖向荷载-沉降曲线均呈缓变型增长，而沉降-荷载对数曲线基本一致，其竖向抗压极限承载力均不小于本次试验的最大荷载2 880 kN；（2）桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力均随着竖向荷载的施加而逐渐增大，并沿深度呈衰减分布。桩顶荷载几乎全部由桩周侧摩阻力承担，桩端阻力发挥较小，PHC管桩属于典型的摩擦型桩；（3）在PHC管桩水平承载力试验中，桩顶水平位移随着水平荷载的增加而不断增大，水平荷载-时间-水平位移曲线未出现明显拐点。桩身弯矩呈弓形分布，最大弯矩发生在距桩顶0.2～0.3倍桩长深度处。桩身截面钢筋拉应力与水平荷载呈现两阶段分布形式，单桩水平临界荷载值在150 kN左右。

参考文献：

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［3］李镜培，刘毅，周韵鸿.海工环境中PHC管桩水平承载寿命预测［J］.土木工程学报，2013，46（12）：109-117.

［4］沈勤，崔旭旺.PHC管桩静压法施工技术及问题处理［J］.施工技术，2015，13：26-29.

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［6］广东省建筑设计研究院.锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程：DBJ/T 15-22-2008［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

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［8］施峰.PHC管桩荷载传递的试验研究［J］.岩土工程学报，2004，26（1）：95-99.

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［10］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.

［11］邢皓枫，赵红崴，叶观宝，等.PHC管桩工程特性分析［J］.岩土工程学报，2009，31（1）：36-39.

［12］张军.预应力管桩单桩承载力研究［D］.石家庄：石家庄经济学院，2015.

［13］邱志雄，陆晓岑，李国维，等.公路软基静压PHC管桩承载特征原位试验研究［J］.公路交通科技，2015，32（11）：48-54.

［14］中华人民共和国行业标准.建筑基桩检测技术规范：JGJ106-2014［S］.北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2014.

An investigation into stress characteristics of PHC pipe piles in hydraulic structure

ZI Hongli
（The Engineering Quality Detection Department，Anhui Survey and Design Institute of Water-Conservancy&Hydropower，Hefei230022，China）

A series of vertical static load tests and lateral load tests of PHC pipe pile were conducted in this study.Stress gauges were installed to measure and analyze the load transfer mechanism of pile.It was found that the limit vertical bearing capacity of a PHC pipe pile with C80 grade in concrete strength，800mm in external diameter and 580 mm in internal diameter was larger than 2880kN.The working load was primarily transferred as shaft resistance instead of tip resistance，behaving as a typical floating pile.Axi⁃al force，shaft resistance and tip resistance were increased with increasing vertical working load and de⁃creased along pile shaft.An arched type profile of bending moment due to lateral working load was ob⁃served and the maximum bending moment occurred at the depth of about 0.2～0.3 times pile length.The critical lateral bearing capacity was about 150kN in this study.

PHC pipe pile；static load test；bearing capacity；axial force；bending moment

TU47

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.004

1672-3031（2016）05-0340-05

（责任编辑：王冰伟）

2016-01-12

訾洪利（1976-），男，安徽砀山人，高级工程师，主要从事桩基设计与检测研究。E-mail：1211816279@qq.com