錨索裝置在鐵路橋梁樁基靜載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用

高雄雄

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

近年來(lái)，中國(guó)鐵路“走出去”的步伐不斷加快，足跡遍及亞洲、歐洲、北美洲和非洲，有力促進(jìn)了“一帶一路”建設(shè)和國(guó)際產(chǎn)能合作。鐵路橋梁在這些鐵路項(xiàng)目中占比越來(lái)越大，因?yàn)樵谘鼐€人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，橋梁具有占地少、有效跨越障礙物縮短交通距離提高效率等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可結(jié)合城市規(guī)劃減少對(duì)城市空間分割。出于技術(shù)方面考慮，鐵路對(duì)線路平順性、沉降要求很高，而橋梁樁基礎(chǔ)可適應(yīng)不同地質(zhì)條件并將荷載傳至地下較深處承載性能好的土層，以滿足承載力要求、更有利于控制沉降量。同時(shí)，由于樁基礎(chǔ)是一種深入地下的隱蔽工程，其質(zhì)量不能直接進(jìn)行外觀檢查，因此選擇一種科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和便捷的樁基檢測(cè)方法尤為重要。

1 國(guó)內(nèi)外樁基靜載荷試驗(yàn)常用方法

樁基靜載荷試驗(yàn)?zāi)壳笆谴_定單樁極限承載力最為準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)方法，在國(guó)內(nèi)外港口工程、高層建筑、公路及鐵路工程等領(lǐng)域普遍采用。單樁靜載荷試驗(yàn)常用方法有堆載法、自平衡法和錨樁反力法。

其中堆載法是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，其通過以試樁為中心搭設(shè)試驗(yàn)平臺(tái)，碼放砂袋、混凝土配重和鋼錠等，通過千斤頂加壓，給試樁提供豎向壓力，從而檢驗(yàn)試樁的承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求。其操作簡(jiǎn)單直觀，有利樁基承載力隨機(jī)抽查驗(yàn)證，但對(duì)場(chǎng)地要求較高，過程耗費(fèi)人力、物力較大，且過程具有一定危險(xiǎn)性。自平衡法是一種在樁端附近安設(shè)荷載箱，然后沿樁身方向加載，同時(shí)測(cè)得荷載箱上下、部樁身各自承載力的靜載試驗(yàn)方法。該方法占地少、裝置簡(jiǎn)單檢測(cè)成本容易控制，同時(shí)大噸位試驗(yàn)可靠性得到提高，但在樁基混凝土灌注前期需將荷載箱和鋼筋籠焊接在一起，在混凝土灌注時(shí)荷載箱底部容易產(chǎn)生松散薄弱層，致使荷載箱向下移動(dòng)過程中存在部分虛位移，從而不能正確反映樁身的實(shí)際位移。且荷載箱置位于樁基內(nèi)部，隱蔽性強(qiáng)，新的技術(shù)細(xì)節(jié)繁多，一旦某個(gè)細(xì)節(jié)出現(xiàn)問題或失誤，就容易導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)的失敗。

錨樁反力法裝置就是將被測(cè)樁周圍對(duì)稱的幾根錨樁用錨筋與反力架連接起來(lái)，依靠樁頂?shù)那Ы镯攲⒎戳茼斊?，由被連接的錨樁提供反力。錨樁法安裝快捷，當(dāng)使用工程樁做錨樁時(shí)成本很低。但如果為試樁設(shè)置專門的錨樁，則會(huì)大大增加相關(guān)成本。且錨樁在試驗(yàn)過程中受到上拔力的作用，其樁間土的擾動(dòng)同樣會(huì)影響到試樁，規(guī)范規(guī)定的試樁和錨樁之間的中心間距就是為了減小這種影響。

2 工程概況

埃及齋月十日城市域鐵路項(xiàng)目位于埃及首都開羅，是連接開羅市區(qū)、東部沿線衛(wèi)星城及埃及新首都的紐帶。其中Suez橋是項(xiàng)目控制性工程，采用直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)16～41 m，共計(jì)192根。工程師指定P116#樁為靜載荷試驗(yàn)樁，樁基類型為摩擦樁，樁長(zhǎng)27 m，根據(jù)地勘報(bào)告工程地質(zhì)向下依次為黏土質(zhì)砂土、砂礫層、粉質(zhì)黏土和砂巖。樁基設(shè)計(jì)承載力為13 000 kN，試驗(yàn)荷載為1.5倍設(shè)計(jì)荷載即19 500 kN，采用雙層錨索反力法進(jìn)行試驗(yàn)。

3 雙層錨索反力法試驗(yàn)

雙層錨鎖反力法裝置是通過在試樁周圍對(duì)稱埋設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索采用錨具及夾片與雙層裝配式鋼結(jié)構(gòu)錐形盤反力架錨固連接，利用液壓千斤頂作用于錐形盤反力架，將錨索反力作用于試樁。

3.1 錨索設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)16束錨束，沿樁周圍對(duì)稱布置，設(shè)計(jì)錨索長(zhǎng)度22 m（錨固段12 m+自由段15 m），錨索鉆孔角度28°。錨索設(shè)計(jì)布置如圖1所示。

圖1 錨索布置圖

每束錨索設(shè)計(jì)7根鋼絞線，根據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A-416/416M[1]選取直徑15.2 mm鋼絞線，極限承載力261 kN，截面積140 mm2，極限抗拉強(qiáng)度1 860 MPa。試驗(yàn)荷載19 500 kN，鋼絞線受力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范BS 8081—2015錨索受力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范BS 8081—2015 B.5.2.2.2[2]規(guī)定，0.91 MPa＜1 MPa，滿足安全要求。

3.2 雙層反力裝置設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)受試驗(yàn)樁鄰樁位置制約，錨索僅能沿縱橋向?qū)ΨQ布置并設(shè)置雙層錐形反力裝置，從上至下依次為直徑2 m圓錐形反力裝置、2.5 m×1.0 m方錐形反力裝置、千斤頂（4組）及2.5 m×1.0 m樁頂鋼分配梁。雙層反力裝置如圖2所示。

圖2 反力裝置設(shè)計(jì)圖

3.3 測(cè)量裝置

沿試樁周圍對(duì)稱設(shè)置4個(gè)預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，標(biāo)高調(diào)整一致后安裝固定參考梁。在樁頭鋼護(hù)筒焊接4組鋼支架，用于安裝固定千分表基座，4組千分表測(cè)針觸頭分別與對(duì)應(yīng)參考梁抵觸連接測(cè)量樁頭垂直位移。測(cè)量裝置如圖3所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖3 測(cè)量裝置

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.4 加載流程

試樁設(shè)計(jì)荷載13 000 kN，試驗(yàn)荷載為1.5倍設(shè)計(jì)荷載19 500 kN。根據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1143/D1143M—2007[3]規(guī)定，確定分級(jí)加載流程。荷載從設(shè)計(jì)荷載的25%開始，逐級(jí)加載至設(shè)計(jì)荷載的150%，持荷12 h后再逐級(jí)卸載。詳細(xì)加載方式見表1。

表1 荷載加載流程

根據(jù)歐洲巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]規(guī)定，樁基累計(jì)垂直沉降量達(dá)到樁徑10%時(shí)，視為該樁基“失效”。因此，加載過程中，若發(fā)現(xiàn)試樁垂直位移量達(dá)到200 mm時(shí)，立即停止加載，并停止試驗(yàn)。

3.5 試驗(yàn)步驟

（1）為方便試驗(yàn)操作，成樁后保留試樁的鋼護(hù)筒。試樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%，且齡期滿28 d后，鑿除樁頭、切除鋼護(hù)筒0.5 m左右，并將樁頭打磨平整。

（2）錨索施工：測(cè)量放樣→鉆孔→注漿→錨索安裝。錨索注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，平整試驗(yàn)場(chǎng)地，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)。

（3）首先依次安裝樁頂分配鋼梁、千斤頂及限位裝置；然后依次方錐形反力裝置和圓錐形反力裝置，反力裝置與錨索通過錨具、夾片錨固連接。

（4）液壓系統(tǒng)安裝，根據(jù)千斤頂校驗(yàn)報(bào)告，油泵液壓管連接對(duì)應(yīng)的千斤頂，液壓表和油表對(duì)應(yīng)安裝至匹配油泵。

（5）測(cè)量裝置安裝，依次安裝和調(diào)平預(yù)制混凝土基礎(chǔ)、參考梁和儀表支架等，沿樁周對(duì)稱安裝4組千分表。

（6）所有設(shè)備、儀器安裝完成后，搭設(shè)帳篷對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行圍蔽，以免大風(fēng)干擾儀表讀數(shù)。試驗(yàn)前，完成反力裝置、液壓系統(tǒng)和測(cè)量裝置等系統(tǒng)性檢查。

（7）按照試驗(yàn)加載流程進(jìn)行分級(jí)加載、卸載和數(shù)據(jù)采集記錄。

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

表2結(jié)果表明，加載至設(shè)計(jì)荷載100%時(shí)，累計(jì)沉降量3.01 mm；加載至設(shè)計(jì)荷載150%時(shí)，累計(jì)沉降量7.27mm；卸載完成后，累計(jì)沉降量4.10mm。時(shí)間—沉降關(guān)系曲線和荷載—沉降關(guān)系曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 時(shí)間—沉降關(guān)系曲線

圖6 荷載—沉降關(guān)系曲線

表2 P116#樁靜載荷試驗(yàn)加載及沉降量

3.7 結(jié)果分析

（1）根據(jù)歐洲巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]和美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD1143/D1143M—2007[3]分別規(guī)定樁基在極限承載力作用下樁基垂直位置累計(jì)達(dá)到0.1D和0.15D時(shí)，視為樁基“失效”。本案例中直徑D=2 m試樁在1.5倍設(shè)計(jì)荷載作用下，累計(jì)最大沉降值7.27 mm，小于200 mm或300 mm，樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)Davisson樁基極限承載力的失效準(zhǔn)則[5]，樁基在加載過程中垂直位移量達(dá)到以下計(jì)算數(shù)值時(shí)，視為樁基失效

式中：P為極限承載力（設(shè)計(jì)荷載按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)計(jì)算）；L為樁長(zhǎng)；A為樁基截面積；E為混凝土彈性模量；D為樁基直徑；1inch=2.54 cm。

本案例中直徑D=2 m試樁在1.5倍設(shè)計(jì)荷載作用下，累計(jì)最大沉降值7.27 mm，小于24.97 mm，樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

埃及齋月十日城市域鐵路是采用歐美標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的鐵路項(xiàng)目，通過本項(xiàng)目Suez橋梁樁基雙層錨索反力法靜載荷試驗(yàn)，尋求并改進(jìn)了一種符合歐美標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，驗(yàn)證了樁基設(shè)計(jì)的可行性，應(yīng)用效果良好。該方法設(shè)計(jì)巧妙簡(jiǎn)單，操作靈活，無(wú)需大型吊裝設(shè)備，且反力裝置均可重復(fù)利用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，尤其在類似大型鐵路項(xiàng)目中推廣使用。