铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法

・桥　梁・　铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法　李正祥　（中铁二院工程集团有限责任公司土建一院，成都６１００３１）　摘　要：自平衡法自进入我国以来，已在民用建筑和公路工程　中得到广泛应用．该法更适合我国铁路桥梁工程的特点。简要　介绍桩基测试自平衡法的基本概念、主要目的，桩基试验的基　本原理、方法、特点、步骤及测试内容、实施要求、试验程序及荷　载判定方法。以期该法在铁路桥梁工程中得到广泛应用。　关键词：灌注桩；承载力；自平衡法；桩基试验　中图分类号：Ｕ４４３．１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９５４（２０１０）Ｏ６—００６３一Ｏ２　１　桩基测试自平衡法的基本概念　１．１　传统的桩基荷载试验方法　传统的桩基荷载试验方法有两种，一是堆载法，二　是锚桩法。两种方法均采用油压千斤顶在桩顶施加荷　载。采用堆载法时，千斤顶反力通过反力架上的堆重　与之平衡；采用锚桩法时，千斤顶反力通过反力架传给　锚桩，与锚桩的抗拔力平衡。堆载法的主要问题是必　须解决几百吨甚至上千吨的荷载来源、堆放及运输问　题。锚桩法的主要问题是必须设置多根锚桩及反力大　梁，不仅所需费用昂贵，时间较长，而且易受加载吨位　和场地条件的限制。目前国内采用堆载法试桩的最大　极限承载力仅达３０　０００　ｋＮ；锚桩法的试桩最大极限承　载力也不超过４０　０００　ｔ，以致山地、桥梁等特殊场地桩　和许多大吨位桩的承载力往往得不到准确数据，难以　合理发挥桩基的潜力，这是桩基础领域面临的一大　难题。　１．２　自平衡试桩法的提出　为解决以上难题，２０世纪８Ｏ年代，美国学者Ｏｓ—　ｔｅｒｂｅｒｇ提出并开展了桩基承载力自平衡试验方法的　研究，将一个荷载箱预埋在桩尖处，用以测试不同桩　基的受力情况。自平衡试验方法首先在桥梁钢桩中成　功应用，后来逐渐推广到各种桩型，取得了一些成果。　２０世纪９Ｏ年代，中国的一些学者引进了这种方法，并　将其发展成自平衡试桩法。该法将荷载箱置放在桩身　某一称为“自平衡点”的高度处，用压力箱施压，向上　一直将上段桩顶出地面，达到承载力的极限状态。同　时，千斤顶的底座反力也将下段桩压到其承载力的极　限状态。　收稿日期：２００９—０４—３０　作者简介：李正祥（１９５３一），男，高级工程师，１９８２年毕业于兰州铁道　学院，工学学士。　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１０（６）　该法已成功应用在水上试桩、坡地试桩等多种特　殊场地试桩上。桩型有钢桩、混凝土预制桩、钻孔灌注　桩、沉管灌注桩及人工挖孔桩。在我国，１９９９年６月　制订了江苏省地方标准，２００２年建设部和科技部作为　重点推广技术。该法在全国２７个省市应用于房屋建　筑和桥梁桩基工程检测中，并在京沪高铁、郑西客运专　线、襄渝铁路二线、达成铁路扩能等铁路工程中广泛应　用。目前，国内试验单桩最大承载力已高达　１３０　０００　ｋＮ，最大桩径２．８　Ｉｎ，最大桩长１２５　ｍ。　２桩基试验的主要目的　（１）了解不同地质条件下各种土类的侧阻值，依　据试桩成果提供桩周与各土层间的实测摩阻力；　（２）了解不同施工条件下各种土类的桩端阻　力值；　（３）校核设计桩长，根据实测侧阻值校核验证试　桩的承载力设计值；　（４）通过检测结果评价成桩工艺。　３桩基试验的编制依据　（１）铁路桥涵地基和基础设计规范》（ＴＢ　１０００２．５—２００５）；　（２）《铁路工程基桩检测技术规程》（ＴＢ　１０２１８—　２００８）；　（３）《基桩静载试验自平衡法》（ＪＴ／Ｔ　７３８～　２００９）；　（４）《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》　（ＴＺ２０３－－２００８）；　（５）该桥相关地质勘察资料。　４桩基试验的原理及方法　４．１试验原理　（１）自平衡试桩法是在桩身平衡点位置安设荷载　箱，沿垂直方向加载，即可同时测得荷载箱上、下部各　自承载力。　（２）其主要装置是一种经特别设计可用于加载的　荷载箱。它主要由活塞、顶盖、底盖及箱壁四部分组　成。顶、底盖的外径略小于桩的外径，在顶、底盖上布　置有位移棒。将荷载箱与钢筋笼焊接成一体放入桩体　后，即可浇捣混凝土成桩。荷载箱放置部位见图１。　６３　桥　梁・　李正祥～铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法　・ｆ２只）　（２ｖ．）　图１　荷载箱放置部位示意　（３）试验时，在地面上通过油泵加压，随着压力增　加，荷载箱将同时向上、向下发生变位，促使桩侧阻力　及桩端阻力的发挥（图２）。由于加载装置简单，多根　桩可同时进行测试，并可同时对多根桩测试数据进行　处理。　数据采　基准梁　位移传感器　图２桩承载力自平衡试验示意　４．２理论分析计算　（１）由设计单位提供桩基设计承载力要求。　（２）测试单位根据地勘资料进行桩基极限承载力　分析，预估最大加载值。　根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》　（ＴＢ１０００２．５—２００５），在静载荷试验加载前，对单桩极　限承载力进行推算，以保证静载荷试验中加载分级的　合理性。　根据该规范，钻孑Ｌ灌注桩的单桩极限承载力［Ｐ］　可按下式计算　１　［Ｐ］＝÷ｕ∑　ｚ　＋ｍ。Ａ【ｔｒ］　式中　［Ｐ］——桩的容许承载力，ｋＮ；　——桩身截面周长，Ｈ１；　——各土层的极限摩阻力，ｋＰａ；　Ｚ　——各土层的厚度，ｍ；　Ａ——桩底支承面积，ｍ　；　［ｏｒ卜一桩底地基土的容许承载力，ｋＰａ；　ｍ。——桩底支承力折减系数。　６４　（３）测试单位按自平衡法试桩理论进行计算，确　定平衡点及试验荷载值。　４．３试验方法　（１）自平衡法测试基桩承载力　基桩自平衡法试验是将荷载箱置放在桩身自平衡　点的高度处，在向上顶桩身的同时，也向下压桩底，使　桩的端阻力和桩身摩阻力互为反力，分别得到桩身和　桩底的荷载一位移曲线，分别测得桩侧阻力和桩端阻　力，经过换算叠加后得到桩顶的单桩承载力和荷载、位　移关系的Ｑ—Ｓ曲线。　（２）白平衡法轴向应力测试　基桩自平衡法试验开始后，荷载箱产生的荷载沿　着桩身轴线向上、向下传递。假设基桩受荷载后，桩身　结构完好而无破损，混凝土无离析、断裂现象，则在各　级荷载作用下，混凝土产生的应变量等于钢筋产生的　应变量，通过量测预先埋置在桩体内的钢筋计，可以实　测到各钢筋计在每级荷载作用下所得的应力一应变关　系，从而求出相应桩截面微分单元内的应变量。由此　便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力值及　轴力、摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。　５　自平衡试桩法的特点　自平衡试桩法相对于传统的堆载法和锚桩法具有　以下特点：　（１）装置较简单，不占用场地，不需运人数百吨或　数千吨物料，不需构筑笨重的反力架，试桩准备工作省　时省力；　（２）该法利用桩的侧阻力与端阻力互为反力，可　测得桩的侧阻力与端阻力和各自的荷载一位移曲线；　（３）试验费用省。尽管压力箱为一次性投入器　件，但与传统方法相比可节省试验总费用的３０％～　６０％。当然，具体比例应视桩与地质条件而定，加载吨　位越大越明显；　（４）试验后试桩仍可作为工程桩使用，必要时可　利用预埋管对荷载箱进行压力灌浆；　（５）方便的重复试验。可在不同的桩端深度（双　压力箱或多压力箱技术）和同一桩端深度的不同时间　（后压浆试桩效果对比）在同一根桩上方便的进行　试验；　（６）可得到土阻力的静蠕变和恢复效果。试验荷　载可保留所需的任意长时间段，因此可实测桩侧和桩　端阻力的蠕变行为的数据；　（７）在下列情况下或当设置传统的堆载平台或锚　桩反力架特别困难或特别花钱时，该法更显示其优势。　例如：水上试桩、坡场试桩、基坑底试桩、狭窄场地试　桩、斜桩、嵌岩桩、抗拔桩等，这些都是传统试桩法难以　铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１０（６）　李正祥一铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法　做到的。　６桩基试验的步骤及测试内容　（１）优先在施工条件较好的桥位场地开展试验桩　施工及试验；　（２）可以在先行施工的工程桩上开展试验工作；　（３）主要测试内容是桩基承载力及桩身内力测试　工作；同时在试验桩中应开展成孔孔径、沉渣、垂直度　和桩身混凝土超声等研究性测试项目；　（４）桩基承载力测试优先采用方便实施、工期又　短的预埋箱法，桩身内力测试采用预埋钢筋计、应变计　形式；　（５）桩基承载力测试用预埋箱安装位置接近下部　１／３桩长以下，具体应由现场计算确定；　（６）在桩侧土层厚度较为均等的场地土层界面中　预埋内力测试元器件；　（７）在桩侧岩土厚度较大、入岩较短的场地土层　中每４～５　ｍ一个测试截面预埋内力测试元器件；　（８）重点研究场地内多见的泥岩、砂岩、砾岩及泥　质砂岩的承载力学性能。　７　自平衡试桩法的仪器设备　７．１　加载装置　采用囊式荷载箱，由７个压力单元Ｎ２Ｄ４００装配　而成，总推力１６　４５０　ｋＮ。压力单元的率定曲线（公式）　由计量部门标定。　荷载箱埋设于自平衡点附近。　７．２加载动力源　荷载箱由位于地面的液压站，通过埋设的高压油　管向荷载箱分级加载。　７．３　数据采集　试验采用３组位移数据，分别为下位移（下部桩　体位移，测量点位于荷载箱下约１　ｍ位置）、上位移　（上部桩体位移，测量点位于荷载箱上约１　ｍ位置）和　顶位移（测量点位于桩顶）。　７．４位移传递　（１）上位移和下位移各采用２条位移杆（丝）对称　布置，传递位移。位移丝（杆）一端与测量点固定，另　一端上延至地面。顶位移测量与传统试验方法相同。　（２）每条位移丝（杆）皆采用保护管实施保护，用　于隔离位移杆与桩体｝昆凝土，保证位移杆与测量点同　步顺畅移动。　７．５位移数据读取、记录　位移数据采用电子传感器采集，在位移丝（杆）地　面端读取，数据自动传输至电脑测量仪进行显示、记　录、处理。　铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１０（６）　・桥　粱・　８试验程序及荷载判定方法　８．１试验前的准备　（１）试验准备工作，如桩头处理，桩顶位移杆制作　安装，电源准备，试验帐篷搭建，基准梁安装，测试设备　安装、调试，测试环境等，与传统静载试验要求一致。　（２）所有试验设备安装完后，进行一次系统检测，　方法是对桩施加一较小的荷载进行预压，目的是消除　整个试验系统和被测桩本身由于安装等人为因素造成　的影响，排除荷载箱及管路中的空气，检测管路接头、　阀门等是否漏油等。如一切正常，卸载至零，待位移计　显示读数稳定后，并记录初始读数，即可开始正式加　载。加载方式可采用慢速维持荷载法或快速维持荷　载法。　８．２　加载方案　（１）加载分级：以预估极限值的５０％为依据，作为　试验加载极限值，分为１０级进行。　（２）加载方法：加载分级采用逐级等量加载；其中　第一级取分级荷载的２倍。当桩顶沉降速率达到相对　稳定标准时，再施加下一级荷载。　（３）相对稳定标准：桩顶位移量不超过０．１　ｍｍ／ｈ，　并连续出现２次（从每级荷载施加后第３０　ｍｉｎ开始，　由３次或３次以上每３０　ｍｉｎ的沉降观测值计算）。　（４）卸载：卸载分级进行，每级卸载量取加载时分　级荷载的２倍，逐级等量卸载。　（５）加载数据记录：每级加载后在第１　ｈ内观察第　５、１５、３０、４５、６０　ｍｉｎ的位移值，以后每隔３０　ｍｉｎ观察一　次，以判断稳定状态。同时电脑监控系统自动同步进　行位移记录。　（６）卸载数据记录：卸载时，每级卸载值为每级加　载值的２倍。每级荷载维持１　ｈ，卸载后隔１５　ｍｉｎ测读　１次残余沉降，读２次后，隔３０　ｍｉｎ再读１次，即可卸　下一级荷载，全部卸载后，隔３～４　ｈ再读１次。电脑　监控系统同步记录参与位移值。　（７）终止加载条件：当上、下段桩任一段达到下述　情况即破坏。　①某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载　作用下沉降量的５倍（注：当桩顶沉降能稳定且总沉　降量小于４０　ｍｍ时，宜加载至桩顶总沉降量超过　４０　ｍｍ）。　②某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载　作用下沉降量的２倍，且经２４　ｈ尚未达到稳定标准。　③已达加载装置的最大加载量。　④当荷载一沉降曲线呈缓变形时，可加载至桩顶总　沉降量６０　ｍｍ。　６５　・桥　梁・　汉宜铁路蔡家湾汉江特大桥跨既有　汉丹铁路施工防护关键技术　李陆平，王吉连　（中铁大桥局集团汉宜铁路项目经理部，武汉４３００４３）　摘要：跨铁路既有线施工在我国当前铁路建设中占有较大的　８７号、８８号墩。　比例。结合新建汉宜铁路蔡家湾汉江特大桥跨汉丹铁路连续　原方案每个墩设计为１２根西１．５　ｍ钻孔桩，桩长　粱工程实例，简要介绍铁路既有线侧连续梁基础、下部结构及　５９．０　ＩＴＩ，承台尺寸为１４．６　ｍ×１０．６　ｍ￣３．５　ｍ，承台底高　上部结构施工过程，重点阐述线路加固、门式防护钢架等关键　程为１８．８　ＩＩ１。但经现场实际测量放线，发现承台一角　技术，对类似跨铁路既有线施工具有一定的借鉴和参考意义。　关键词：既有线；线路加固；连续梁；施工　已侵入既有线道砟，施工难度非常大。后经设计优化，　中图分类号：Ｕ４４９．５２　文献标识码：Ｂ　将每个桥墩桩基变更为６根西２．０　ｉｎ钻孔桩，桩长为　文章编号：１００４—２９５４（２０１０）０６—００６６—０４　７６．５　ｍ，承台尺寸缩小为１３．８　Ｉｎ×８．５　ＩＴＩ×４．０　ｍ，并将　８７号、８８号墩承台底高程分别提高３．３、３．０　ｍ，墩身　高度分别变为１２．８５、１３．８５　ｍ。　１　工程概况　设计优化后，承台尺寸变小，承台开挖高度变小，　新建（武）汉宜（昌）铁路ＨＹＺＱ～１标蔡家湾汉江　施工难度有所降低，但仍紧临既有线，施工难度尤其是　特大桥采用（４０＋６４＋４０）ｍ连续梁跨越既有汉丹铁路，　安全风险较大，具体情况为：（１）８７号、８８号墩承台已　该铁路为双线电气化铁路，线间距５．０　ｍ，共２股车　侵入汉丹铁路护栏，紧靠路肩及道床坡脚处，其中　道，正线与既有线交角为２７。。连续梁跨铁路桥墩为　８７号墩承台边缘与铁路道床坡脚距离仅１３７　ａｍ，８８号　墩承台边缘与铁路道床坡脚距离仅９０　ｃｍ。（２）８７号、　收稿日期：２０１０一Ｏｌ—ｌ８　作者简介：李陆平（１９７８一），男，工程师，２００１年毕业于西南交通大学　８８号墩靠汉丹铁路侧地面及路肩高程为２６．３１　ｎｌ，而　工学学士。　承台底设计高程分别为２２．１２９、２１．８２１　ｍ，基坑垂直　－●ｒ●・●◆◆一◆●●◆◆●●●◆●●◆◆●●◆◆●●●●●●●◆◆●　８．３　位移测量　（１）同时监控并记录３层位移数据：荷载箱下位　９　结论　移、上位移和顶位移。每层位移测量点为３个均布。　自平衡试桩法相对于传统的堆载法和锚桩法具有　（２）位移测量基准以不受桩侧土变形影响为准。　装置较简单，不占用场地，试桩准备工作省时省力，测　８．４应力测量　试速度快，试验费用省的优势。还可进行方便的重复　应力计采用钢筋计，根据地质资料，在桩侧土厚度　试验，又可得到土阻力的静蠕变和恢复效果，桩基承载　较为均等的场地土层界面中预埋，每层对称均布３个　力实测值与计算值误差在１０％以内。该法已在襄渝　测量点。　铁路二线、达成铁路扩能、厦深线及郑西客运专线等铁　８．５数据监控记录　路项目上应用。目前，已在湘桂线、柳南客运专线和京　（１）按照规定时间频率，同时监控并记录时间、载　沪高速铁路上全面推广。　荷、位移、应力数据。　但是，由于在计算桩基极限承载能力的公式中，　（２）数据监控和记录由电脑自动完成。　无法确定自平衡点。荷载箱的放置位置都是按经验确　８．６试验结论得出　定的，还存在一定的随意性，还需通过进一步的研究　（１）根据试验数据，分别绘制试桩上、下部分的　解决。　Ｑ—ｓ曲线和ｓ—ｌｏｇｔ曲线。　参考文献：　（２）根据上述曲线进行分析，分别得出上、下部分　［１］ＴＢ１０００２．５～２ＯＯ５，铁路桥涵地基和基础设计规范［ｓ］．　的桩基极限承载能力。　［２］ＴＺ２０３－－２００８，客货共线铁路桥涵工程施工技术指南［Ｓ］．　（３）根据试验数据，绘制各监测层应力的Ｑ一　分　［３］　王伯惠．评桩基测试自平衡法［Ｊ］．公路，２００５（７）．　［４］　龚维明，戴国亮．桩承载力自平衡测试技术及工程应用［Ｍ］．北　布变化曲线，并通过计算，进而绘制各监测土层摩阻力　京：中国建筑工、止出版社，２００６．　的Ｑ—Ｑ　分布变化曲线。　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１０（６）