预应力混凝土管桩具有桩身质量稳定、造价低廉、施工速度快、桩身强度高、生产供应有保障等优点,逐渐被用于基坑支护工程,并在部分地区的基坑支护工程中取得成功。相对于灌注桩,预制混凝土管桩的有效截面面积偏小,其抗剪承载力较低,容易产生整体剪切破坏。为了解决管桩抗剪能力较低的工程问题,对管桩进行填芯加固,并对土层开挖情形下的混凝土填芯管桩承载性能进行探讨分析。通过室内模型试验,对空芯管桩和填芯管桩在土层开挖情形下的工作性状进行了对比研究,探讨了填芯对支护管桩性能的影响,得出了对支护管桩进行填芯,可以有效减小桩身位移,但填芯强度不同对水平位移影响较小。在试验的基础上,利用FLAC3D数值模拟软件分别从填芯强度、管桩内径、堆载载荷大小及开挖方式的等方面对填芯管桩支护结构性能进行了模拟分析。结果表明:(1)对管桩进行填芯可以有效减小其桩身水平位移,但填芯强度对位移影响较小;(2)当管桩内外径之比小于1/2时,不同填芯强度的管桩桩身弯矩相差较小,当管桩内外径之比大于1/2时,高强度填芯管桩的桩身弯矩小于低强度填芯管桩;(3)当堆载载荷较大时,填芯管桩在桩顶处水平位移较空芯桩的减小幅度可达40%左右,桩身最大弯矩较空芯桩的减小幅度可达30%左右;(4)在对管桩进行填芯后再采用分层开挖的方式开挖,支护桩的桩身水平位移和桩身最大弯矩将会得到最好的控制。最后,通过对管桩在施工及基坑开挖过程中工作性状的分析,基于摩尔-库伦屈服准则,结合圆孔扩张理论,考虑了挤土效应和土拱效应,提出了悬臂式填芯管桩支护结构计算方法,并通过算例分析验证了该计算方法的可靠性,为填芯管桩支护结构设计提供理论依据。