预应力管桩水平承载力现场试验与计算研究
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Abstract: Combined with the single pile horizontal static load test in Shanghai and the data of the bending moment of pile, research the bearing capacity of PHC pile under the action of horizontal load. According to the test data, determining the level of ultimate bearing capacity of foundation soil, the horizontal resistance coefficient ratio were analyzed, and the measured results and the current specification using “m” method the calculated results were compared with those obtained from analysis, some conclusions for the future Shanghai area of horizontal bearing capacity of single pile design and theoretical research to provide reference. Keywords: PHC pile, Lateral Capacity of single pile, “m” method, horizontal static load test
Rha =0.75
3EI 0a x
（2）
式中：——桩的水平变形系数， 5 mb0 EI ；EI——桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝 土桩，EI=0.85E0I0，本工程对 PHC 管桩按空心混凝土截面进行计算，不考虑钢筋；0a——桩 顶允许水平位移，一般可取 10mm；对于桩顶水平位移敏感的建筑物可取 6mm；X——桩顶水 平位移系数，按桩顶宜按铰接考虑；m 为桩侧土水平抗力系数的比例系数。 2.规范方法计算单桩水平承载力 4 桩顶允许水平位移取 10mm， 桩顶按铰接考虑， m 值按场地土层情况取经验参数值 3 MN/m ， 按式（2）计算，结果见表 5。 表 5 单桩水平承载力计算值
图 1 光纤表面应变计布设及保护 （二）试验结果分析 1.试验成果： 根据各试桩的工况及试验成果曲线，取 H-Y/H 或 lgH-lgY 曲线第二拐点对应的水平 荷载为极限承载力；取 H-Y/H 或 lgH-lgY 曲线第一拐点对应的水平荷载为临界荷载，各 试桩水平静载荷试验结果见表 3，H-Y 曲线如图 2 所示，试验曲线形态基本为缓变形，两根 试验桩试验曲线基本重合。S1 试桩在各级水平荷载作用下的桩身弯矩分布图如图 3 所示， 最大弯矩点深度位于离地面 1.4m，弯矩零点深度为 5.1m。 表 3 水平载荷试验结果汇总表
预应力管桩水平承载力现场试验与 计算研究
侯胜男 ，刘陕南 ，孙洋波 ，高承勇 ，黄绍铭
1 1 2 1 1
（1 上海现代建筑设计（集团）有限公司，上海，200041） （2 中交港湾工程设计研究院 有限公司，上海，200032）
提要 结合上海地区某工程中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ桩水平静载荷试验,并采用实测桩身弯矩的数据，研究预应力管桩在水平
水平承载力设计值(kN) 50 25 m(MN/m4) 10 3 备注 试验反算的 m 值 经验参数 m 值
土层名称 ②粉质粘土 ③淤泥质粉质粘土 ③夹粘质粉土 ④淤泥质粘土 ⑤1 粘土 厚度（m） 2~2.4 1.3~4.5 1~2.3 6.1~8.2 3~4.2 C（kPa） 20 13 10 11 17 （。 ） 19.5 15.5 28.5 9 16 Es（MPa） 4.69 2.97 8.77 2.22 3.18 Ps（MPa） 0.94 0.61 1.33 0.61 0.78
荷载作用下的受力性状。根据试验实测数据，对试验确定水平承载力的取值、地基土的水平抗力比例系数 等进行分析，并将实测结果与目前规范中采用的 m 法计算结果进行比较分析，从中得到一些结论为今后上 海地区单桩水平承载力的设计和理论研究提供参考。 关键词 预应力管桩、单桩水平承载力、m 法、水平载荷试验
Lateral Capacity of PHC Pile on Site Test and Calculation Research
方法 法① 试桩编号 位移 10m mm 荷载 *0.75( (kN) S1 S2 54.5 52 2 方法② 水 水平临界荷载值 值 *0.8(kN) 64 64 方法③ ③ 临界荷 荷载* 0.75 (kN) ( 60 60 水平承载力极 极限值 /2(kN) 60 57.5
从试验成果 果可以看出，在达到临界荷 荷载时，试桩 桩的水平位移 移为 13.38mm m 和 13.35mm m，均 超过 过了水平位移 移 10mm，按三 三种方法计算 算确定的水平 平承载力方法①最小，方法 法③次之，方 方法 ②最 最大。对于本 本工程，按桩 桩顶位移 10mm m 控制单桩水 水平承载力时 时，未达到临 临界荷载，此时桩 身尚 尚未出现裂缝 缝，是符合预应 应力管桩使用 用要求的。因 因此对于本工 工程按上海《 《地基基础设 设计规 范》规定采用桩 桩顶水平位移 移 10mm 对应的 的荷载乘以 0.75 0 来确定水 水平承载力是 是合理的。 3.水平抗力 力比例系数 确定合理的 的 m 值一般有 有两种方法， 最 最好的方法是 是通过试验资 资料直接得到 到； 当没有现 现场试 验资 资料时， 可参照各规范中对 对 m 值结合各 各地经验和工 工程性质给出 出的经验取值 值。 当有单桩 桩水平 承载 载力载荷试验 验资料时，地 地基土水平抗 力系数的比例 例系数 m 值可 可以根据式 （1）计算：
Y/mm
m
V
y
H 3
5
bY
5 3 0 0
EI 3
2
（1）
4
根据式 （1） ， 计算得到 S1 和 S2 试桩桩顶水平位移 10mm 对应荷载下的 m 值分别是 10.5MN/m 、 4 9.5MN/m 。 依据上海《地基基础设计规范》给出的 m 值经验参数并结合场地土层情况，该场地 m 4 值按经验参数取值为 1.5~3MN/m 。 现场试验得到的 m 值比经验值大， 高于经验参数取值的上 限，因此按规范表格取值总体上是偏安全的。需要指出的是，试验反算的 m 值是单桩在水平 荷载作用下浅层影响深度范围内 m 值的综合反映，并不能只单单反映试验土层所在的 m 值， 因此在与经验参数进行比较的时候要综合考虑浅层影响范围内的土层情况。
2.现场试验概况 本工程预应力管桩单桩 PHC400B 型，壁厚 95mm，桩长为 25m，采用静压方式沉桩，桩端 开口。为准确了解桩的水平承载力，特选用该桩型单节桩进行水平载荷试验，本试验所在土 层为②层粉质粘土，现场对试桩周围杂填土进行开挖，约 1.0m。 试验桩顶为自由状态，采用顶推法加荷。试验加载方法根据上海工程建设规范《建筑基 桩检测技术规程》中采用单向单循环恒速水平加载法进行试验。试验加载分级，S1 桩荷载 分级为在 40kN 前每级 10kN， 加 40kN 后调整为每级 5kN； S2 桩荷载分级为在 50kN 前每级 10kN， 加 50kN 后调整为每级 5kN。试验的中止条件是加载到桩的横向水平位移急剧增加、变形速 率明显加快且力点位移超过 60mm 后再终止加载。在试桩桩身表面对称埋设光纤光栅表面应 (3) 变计量测桩身应变，进一步推算求得桩身弯矩 。
15 50
S1 S2
图 3 S1 试验桩 图 2 现场试验 H-Y 曲线 桩桩身弯矩分 分布图及相应 应值 2.试验确定 定水平承载力 力 目前根据水 水平静载荷试 试验确定单桩 水平承载力的方法主要有 有两种：1） 按桩身是否出现 裂缝 按桩顶水平 缝控制， 即取临 临界荷载； 2） 平位移控制， 较多的是取水 较 水平位移 10m mm 对应的荷 荷载， 这一 一要求是反映 映对桩顶水平 平位移的控制要 要求；3）按 按极限荷载除 除以安全系数 数控制。 现行规范中 中单桩水平承 承载力， 均是依 依据这两种水 水平承载力的 的确定方法，但在此基础 础上通 过不 不同程度的折 折减得到，可 可以归纳为如 下三种方法： ：方法①：试 试验曲线取 1 10mm 水平位 位移对 （4 ） （5） 应的 的荷载乘以 0.75 0 。方 方法②：当水 水平承载力按 按桩身强度控 控制时，取水 水平临界荷载 载统计 （ 6） 值；试验曲线临 临界荷载统计值乘以 0.8 。方法③：当桩身不允 允许裂缝时，取水平临界荷载 统计 计值乘以 0.75；当桩身允 允许出现裂缝 缝时，取极限 限荷载统计值除以 2（7） 。 按三种方法 法确定的单桩 桩水平承载力 具体数值如表 表 4 所示。 表4 试 试验确定单桩 桩水平承载力 力
三、单桩水平承载力计算
单桩水平承载力的计算方法根据地基的不同状态，主要可分为：极限地基反力法、弹性 地基反力法、p-y 曲线法以及数值计算方法等。目前使用最普遍的是弹性地基反力法中的 m 法， 现行国标 《建筑桩基技术规范》 和 《建筑地基基础设计规范》 及上海市工程建设规范 《地 基基础设计规范》中均采用 m 法计算单桩水平承载力。 1.规范方法简介 根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中规定如下： 当桩的水平承载力由桩顶水平位移控制， 且缺少单桩水平静载荷试验资料时， 可按式 （2） 估算预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于 0.65%的灌注桩单桩水平承载力：
桩号 最大水 桩顶最大 水平临 水平承载力 水平位移 10mm 对
平加载 载 (kN) S1 S2 145 140
H/kN 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100
水平位移 (mm) 65.89 69.11
界荷载 值(kN) 80 80
极限值(kN) 120 115
应的荷载 载(kN) 72.5 69
理论研究提供参考。
二、单桩水平静载试验
（一）试验概况 1.工程地质概况 试验场地均位于上海浦东康桥，地貌单元属滨海平原地貌类型。地基土均属第四纪沉 积物，主要由粘性土、粉性土组成。根据地基土的特征、成因、年代及物理力学性质等综合 分析，划分为 5 个土层，详见表 1。 表 1 土层主要物理力学参数表
Hou Shengnan1 Liu Shannan1 Sun Yangbo2 Gao Chengyong1 Huang Shaoming1
（1 Shanghai Xian Dai Architectural Design(Group)Co., Ltd.，Shanghai 200041）(2 CCCC Shanghai Harbor Engineering Design and Research Institute Co., Ltd.，Shanghai 200041)
一、引言
以往的国家、 行业和地方规范对于桩基水平抗震验算均没有统一进行明确规定， 一般的 经验认为 7 度设防地区的桩基础抗震设计主要通过桩基承台构造措施予以保证， 一般不用进 行桩基水平抗震承载力验算。2010 版上海《地基基础设计规范》要求建筑桩基进行水平抗 震验算， 因此单桩水平承载力的问题成为了其中的关键问题之一。 尤其对于目前应用较广的 预应力混凝土管桩（以下简称“预应力管桩” ） ，由于其构件质量可靠，桩身强度高，施工便 (1,2) 捷，造价相对较低等特点，近些年在建筑工程中得到广泛应用 。 本文结合上海地区某建筑工程，通过软土地区中的单桩水平静载荷试验,分析了预应力 管桩在水平荷载作用下的受力特点， 对试验确定水平承载力的取值进行分析， 并将实测结果 与目前规范中采用的 m 法计算结果进行比较， 为软土地区类似工程单桩水平承载力的设计和
Rha =0.75
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（2）
式中：——桩的水平变形系数， 5 mb0 EI ；EI——桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝 土桩，EI=0.85E0I0，本工程对 PHC 管桩按空心混凝土截面进行计算，不考虑钢筋；0a——桩 顶允许水平位移，一般可取 10mm；对于桩顶水平位移敏感的建筑物可取 6mm；X——桩顶水 平位移系数，按桩顶宜按铰接考虑；m 为桩侧土水平抗力系数的比例系数。 2.规范方法计算单桩水平承载力 4 桩顶允许水平位移取 10mm， 桩顶按铰接考虑， m 值按场地土层情况取经验参数值 3 MN/m ， 按式（2）计算，结果见表 5。 表 5 单桩水平承载力计算值
图 1 光纤表面应变计布设及保护 （二）试验结果分析 1.试验成果： 根据各试桩的工况及试验成果曲线，取 H-Y/H 或 lgH-lgY 曲线第二拐点对应的水平 荷载为极限承载力；取 H-Y/H 或 lgH-lgY 曲线第一拐点对应的水平荷载为临界荷载，各 试桩水平静载荷试验结果见表 3，H-Y 曲线如图 2 所示，试验曲线形态基本为缓变形，两根 试验桩试验曲线基本重合。S1 试桩在各级水平荷载作用下的桩身弯矩分布图如图 3 所示， 最大弯矩点深度位于离地面 1.4m，弯矩零点深度为 5.1m。 表 3 水平载荷试验结果汇总表
预应力管桩水平承载力现场试验与 计算研究
侯胜男 ，刘陕南 ，孙洋波 ，高承勇 ，黄绍铭
1 1 2 1 1
（1 上海现代建筑设计（集团）有限公司，上海，200041） （2 中交港湾工程设计研究院 有限公司，上海，200032）
提要 结合上海地区某工程中的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ桩水平静载荷试验,并采用实测桩身弯矩的数据，研究预应力管桩在水平
水平承载力设计值(kN) 50 25 m(MN/m4) 10 3 备注 试验反算的 m 值 经验参数 m 值
土层名称 ②粉质粘土 ③淤泥质粉质粘土 ③夹粘质粉土 ④淤泥质粘土 ⑤1 粘土 厚度（m） 2~2.4 1.3~4.5 1~2.3 6.1~8.2 3~4.2 C（kPa） 20 13 10 11 17 （。 ） 19.5 15.5 28.5 9 16 Es（MPa） 4.69 2.97 8.77 2.22 3.18 Ps（MPa） 0.94 0.61 1.33 0.61 0.78
荷载作用下的受力性状。根据试验实测数据，对试验确定水平承载力的取值、地基土的水平抗力比例系数 等进行分析，并将实测结果与目前规范中采用的 m 法计算结果进行比较分析，从中得到一些结论为今后上 海地区单桩水平承载力的设计和理论研究提供参考。 关键词 预应力管桩、单桩水平承载力、m 法、水平载荷试验
Lateral Capacity of PHC Pile on Site Test and Calculation Research
方法 法① 试桩编号 位移 10m mm 荷载 *0.75( (kN) S1 S2 54.5 52 2 方法② 水 水平临界荷载值 值 *0.8(kN) 64 64 方法③ ③ 临界荷 荷载* 0.75 (kN) ( 60 60 水平承载力极 极限值 /2(kN) 60 57.5
从试验成果 果可以看出，在达到临界荷 荷载时，试桩 桩的水平位移 移为 13.38mm m 和 13.35mm m，均 超过 过了水平位移 移 10mm，按三 三种方法计算 算确定的水平 平承载力方法①最小，方法 法③次之，方 方法 ②最 最大。对于本 本工程，按桩 桩顶位移 10mm m 控制单桩水 水平承载力时 时，未达到临 临界荷载，此时桩 身尚 尚未出现裂缝 缝，是符合预应 应力管桩使用 用要求的。因 因此对于本工 工程按上海《 《地基基础设 设计规 范》规定采用桩 桩顶水平位移 移 10mm 对应的 的荷载乘以 0.75 0 来确定水 水平承载力是 是合理的。 3.水平抗力 力比例系数 确定合理的 的 m 值一般有 有两种方法， 最 最好的方法是 是通过试验资 资料直接得到 到； 当没有现 现场试 验资 资料时， 可参照各规范中对 对 m 值结合各 各地经验和工 工程性质给出 出的经验取值 值。 当有单桩 桩水平 承载 载力载荷试验 验资料时，地 地基土水平抗 力系数的比例 例系数 m 值可 可以根据式 （1）计算：
Y/mm
m
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5
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5 3 0 0
EI 3
2
（1）
4
根据式 （1） ， 计算得到 S1 和 S2 试桩桩顶水平位移 10mm 对应荷载下的 m 值分别是 10.5MN/m 、 4 9.5MN/m 。 依据上海《地基基础设计规范》给出的 m 值经验参数并结合场地土层情况，该场地 m 4 值按经验参数取值为 1.5~3MN/m 。 现场试验得到的 m 值比经验值大， 高于经验参数取值的上 限，因此按规范表格取值总体上是偏安全的。需要指出的是，试验反算的 m 值是单桩在水平 荷载作用下浅层影响深度范围内 m 值的综合反映，并不能只单单反映试验土层所在的 m 值， 因此在与经验参数进行比较的时候要综合考虑浅层影响范围内的土层情况。
2.现场试验概况 本工程预应力管桩单桩 PHC400B 型，壁厚 95mm，桩长为 25m，采用静压方式沉桩，桩端 开口。为准确了解桩的水平承载力，特选用该桩型单节桩进行水平载荷试验，本试验所在土 层为②层粉质粘土，现场对试桩周围杂填土进行开挖，约 1.0m。 试验桩顶为自由状态，采用顶推法加荷。试验加载方法根据上海工程建设规范《建筑基 桩检测技术规程》中采用单向单循环恒速水平加载法进行试验。试验加载分级，S1 桩荷载 分级为在 40kN 前每级 10kN， 加 40kN 后调整为每级 5kN； S2 桩荷载分级为在 50kN 前每级 10kN， 加 50kN 后调整为每级 5kN。试验的中止条件是加载到桩的横向水平位移急剧增加、变形速 率明显加快且力点位移超过 60mm 后再终止加载。在试桩桩身表面对称埋设光纤光栅表面应 (3) 变计量测桩身应变，进一步推算求得桩身弯矩 。
15 50
S1 S2
图 3 S1 试验桩 图 2 现场试验 H-Y 曲线 桩桩身弯矩分 分布图及相应 应值 2.试验确定 定水平承载力 力 目前根据水 水平静载荷试 试验确定单桩 水平承载力的方法主要有 有两种：1） 按桩身是否出现 裂缝 按桩顶水平 缝控制， 即取临 临界荷载； 2） 平位移控制， 较多的是取水 较 水平位移 10m mm 对应的荷 荷载， 这一 一要求是反映 映对桩顶水平 平位移的控制要 要求；3）按 按极限荷载除 除以安全系数 数控制。 现行规范中 中单桩水平承 承载力， 均是依 依据这两种水 水平承载力的 的确定方法，但在此基础 础上通 过不 不同程度的折 折减得到，可 可以归纳为如 下三种方法： ：方法①：试 试验曲线取 1 10mm 水平位 位移对 （4 ） （5） 应的 的荷载乘以 0.75 0 。方 方法②：当水 水平承载力按 按桩身强度控 控制时，取水 水平临界荷载 载统计 （ 6） 值；试验曲线临 临界荷载统计值乘以 0.8 。方法③：当桩身不允 允许裂缝时，取水平临界荷载 统计 计值乘以 0.75；当桩身允 允许出现裂缝 缝时，取极限 限荷载统计值除以 2（7） 。 按三种方法 法确定的单桩 桩水平承载力 具体数值如表 表 4 所示。 表4 试 试验确定单桩 桩水平承载力 力
三、单桩水平承载力计算
单桩水平承载力的计算方法根据地基的不同状态，主要可分为：极限地基反力法、弹性 地基反力法、p-y 曲线法以及数值计算方法等。目前使用最普遍的是弹性地基反力法中的 m 法， 现行国标 《建筑桩基技术规范》 和 《建筑地基基础设计规范》 及上海市工程建设规范 《地 基基础设计规范》中均采用 m 法计算单桩水平承载力。 1.规范方法简介 根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中规定如下： 当桩的水平承载力由桩顶水平位移控制， 且缺少单桩水平静载荷试验资料时， 可按式 （2） 估算预制桩、钢桩、桩身配筋率不小于 0.65%的灌注桩单桩水平承载力：
桩号 最大水 桩顶最大 水平临 水平承载力 水平位移 10mm 对
平加载 载 (kN) S1 S2 145 140
H/kN 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 50 100
水平位移 (mm) 65.89 69.11
界荷载 值(kN) 80 80
极限值(kN) 120 115
应的荷载 载(kN) 72.5 69
理论研究提供参考。
二、单桩水平静载试验
（一）试验概况 1.工程地质概况 试验场地均位于上海浦东康桥，地貌单元属滨海平原地貌类型。地基土均属第四纪沉 积物，主要由粘性土、粉性土组成。根据地基土的特征、成因、年代及物理力学性质等综合 分析，划分为 5 个土层，详见表 1。 表 1 土层主要物理力学参数表
Hou Shengnan1 Liu Shannan1 Sun Yangbo2 Gao Chengyong1 Huang Shaoming1
（1 Shanghai Xian Dai Architectural Design(Group)Co., Ltd.，Shanghai 200041）(2 CCCC Shanghai Harbor Engineering Design and Research Institute Co., Ltd.，Shanghai 200041)
一、引言
以往的国家、 行业和地方规范对于桩基水平抗震验算均没有统一进行明确规定， 一般的 经验认为 7 度设防地区的桩基础抗震设计主要通过桩基承台构造措施予以保证， 一般不用进 行桩基水平抗震承载力验算。2010 版上海《地基基础设计规范》要求建筑桩基进行水平抗 震验算， 因此单桩水平承载力的问题成为了其中的关键问题之一。 尤其对于目前应用较广的 预应力混凝土管桩（以下简称“预应力管桩” ） ，由于其构件质量可靠，桩身强度高，施工便 (1,2) 捷，造价相对较低等特点，近些年在建筑工程中得到广泛应用 。 本文结合上海地区某建筑工程，通过软土地区中的单桩水平静载荷试验,分析了预应力 管桩在水平荷载作用下的受力特点， 对试验确定水平承载力的取值进行分析， 并将实测结果 与目前规范中采用的 m 法计算结果进行比较， 为软土地区类似工程单桩水平承载力的设计和