錨索裝置在鐵路橋梁樁基靜載荷試驗中的應用

高雄雄

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

近年來，中國鐵路“走出去”的步伐不斷加快，足跡遍及亞洲、歐洲、北美洲和非洲，有力促進了“一帶一路”建設和國際產能合作。鐵路橋梁在這些鐵路項目中占比越來越大，因為在沿線人口密集、經濟發達地區，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勢，同時可結合城市規劃減少對城市空間分割。出于技術方面考慮，鐵路對線路平順性、沉降要求很高，而橋梁樁基礎可適應不同地質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，由于樁基礎是一種深入地下的隱蔽工程，其質量不能直接進行外觀檢查，因此選擇一種科學、經濟和便捷的樁基檢測方法尤為重要。

1 國內外樁基靜載荷試驗常用方法

樁基靜載荷試驗目前是確定單樁極限承載力最為準確、可靠的試驗方法，在國內外港口工程、高層建筑、公路及鐵路工程等領域普遍采用。單樁靜載荷試驗常用方法有堆載法、自平衡法和錨樁反力法。

其中堆載法是目前在國內外應用比較廣泛，其通過以試樁為中心搭設試驗平臺，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，從而檢驗試樁的承載力是否滿足設計要求。其操作簡單直觀，有利樁基承載力隨機抽查驗證，但對場地要求較高，過程耗費人力、物力較大，且過程具有一定危險性。自平衡法是一種在樁端附近安設荷載箱，然后沿樁身方向加載，同時測得荷載箱上下、部樁身各自承載力的靜載試驗方法。該方法占地少、裝置簡單檢測成本容易控制，同時大噸位試驗可靠性得到提高，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，在混凝土灌注時荷載箱底部容易產生松散薄弱層，致使荷載箱向下移動過程中存在部分虛位移，從而不能正確反映樁身的實際位移。且荷載箱置位于樁基內部，隱蔽性強，新的技術細節繁多，一旦某個細節出現問題或失誤，就容易導致整個試驗的失敗。

錨樁反力法裝置就是將被測樁周圍對稱的幾根錨樁用錨筋與反力架連接起來，依靠樁頂的千斤頂將反力架頂起，由被連接的錨樁提供反力。錨樁法安裝快捷，當使用工程樁做錨樁時成本很低。但如果為試樁設置專門的錨樁，則會大大增加相關成本。且錨樁在試驗過程中受到上拔力的作用，其樁間土的擾動同樣會影響到試樁，規范規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目位于埃及首都開羅，是連接開羅市區、東部沿線衛星城及埃及新首都的紐帶。其中Suez橋是項目控制性工程，采用直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁長16～41 m，共計192根。工程師指定P116#樁為靜載荷試驗樁，樁基類型為摩擦樁，樁長27 m，根據地勘報告工程地質向下依次為黏土質砂土、砂礫層、粉質黏土和砂巖。樁基設計承載力為13 000 kN，試驗荷載為1.5倍設計荷載即19 500 kN，采用雙層錨索反力法進行試驗。

3 雙層錨索反力法試驗

雙層錨鎖反力法裝置是通過在試樁周圍對稱埋設預應力錨索，錨索采用錨具及夾片與雙層裝配式鋼結構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 錨索設計計算

設計16束錨束，沿樁周圍對稱布置，設計錨索長度22 m（錨固段12 m+自由段15 m），錨索鉆孔角度28°。錨索設計布置如圖1所示。

圖1 錨索布置圖

每束錨索設計7根鋼絞線，根據美國材料實驗協會標準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，極限抗拉強度1 860 MPa。試驗荷載19 500 kN，鋼絞線受力驗算

根據規范BS 8081—2015錨索受力驗算

根據規范BS 8081—2015 B.5.2.2.2[2]規定，0.91 MPa＜1 MPa，滿足安全要求。

3.2 雙層反力裝置設計

由于現場受試驗樁鄰樁位置制約，錨索僅能沿縱橋向對稱布置并設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 反力裝置設計圖

3.3 測量裝置

沿試樁周圍對稱設置4個預制混凝土基礎，標高調整一致后安裝固定參考梁。在樁頭鋼護筒焊接4組鋼支架，用于安裝固定千分表基座，4組千分表測針觸頭分別與對應參考梁抵觸連接測量樁頭垂直位移。測量裝置如圖3所示，試驗現場如圖4所示。

圖3 測量裝置

圖4 試驗現場

3.4 加載流程

試樁設計荷載13 000 kN，試驗荷載為1.5倍設計荷載19 500 kN。根據美國材料實驗協會標準ASTM D1143/D1143M—2007[3]規定，確定分級加載流程。荷載從設計荷載的25%開始，逐級加載至設計荷載的150%，持荷12 h后再逐級卸載。詳細加載方式見表1。

表1 荷載加載流程

根據歐洲巖土工程設計規范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]規定，樁基累計垂直沉降量達到樁徑10%時，視為該樁基“失效”。因此，加載過程中，若發現試樁垂直位移量達到200 mm時，立即停止加載，并停止試驗。

3.5 試驗步驟

（1）為方便試驗操作，成樁后保留試樁的鋼護筒。試樁混凝土強度達到設計強度100%，且齡期滿28 d后，鑿除樁頭、切除鋼護筒0.5 m左右，并將樁頭打磨平整。

（2）錨索施工：測量放樣→鉆孔→注漿→錨索安裝。錨索注漿強度達到設計強度100%后，平整試驗場地，設備進場。

（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）液壓系統安裝，根據千斤頂校驗報告，油泵液壓管連接對應的千斤頂，液壓表和油表對應安裝至匹配油泵。

（5）測量裝置安裝，依次安裝和調平預制混凝土基礎、參考梁和儀表支架等，沿樁周對稱安裝4組千分表。

（6）所有設備、儀器安裝完成后，搭設帳篷對試驗區域進行圍蔽，以免大風干擾儀表讀數。試驗前，完成反力裝置、液壓系統和測量裝置等系統性檢查。

（7）按照試驗加載流程進行分級加載、卸載和數據采集記錄。

3.6 試驗結果

表2結果表明，加載至設計荷載100%時，累計沉降量3.01 mm；加載至設計荷載150%時，累計沉降量7.27mm；卸載完成后，累計沉降量4.10mm。時間—沉降關系曲線和荷載—沉降關系曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 時間—沉降關系曲線

圖6 荷載—沉降關系曲線

表2 P116#樁靜載荷試驗加載及沉降量

3.7 結果分析

（1）根據歐洲巖土工程設計規范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]和美國材料實驗協會標準ASTMD1143/D1143M—2007[3]分別規定樁基在極限承載力作用下樁基垂直位置累計達到0.1D和0.15D時，視為樁基“失效”。本案例中直徑D=2 m試樁在1.5倍設計荷載作用下，累計最大沉降值7.27 mm，小于200 mm或300 mm，樁基承載力滿足設計要求。

（2）根據Davisson樁基極限承載力的失效準則[5]，樁基在加載過程中垂直位移量達到以下計算數值時，視為樁基失效

式中：P為極限承載力（設計荷載按極限狀態法設計計算）；L為樁長；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倍設計荷載作用下，累計最大沉降值7.27 mm，小于24.97 mm，樁基承載力滿足設計要求。

4 結論

埃及齋月十日城市域鐵路是采用歐美標準設計的鐵路項目，通過本項目Suez橋梁樁基雙層錨索反力法靜載荷試驗，尋求并改進了一種符合歐美標準的解決方案，驗證了樁基設計的可行性，應用效果良好。該方法設計巧妙簡單，操作靈活，無需大型吊裝設備，且反力裝置均可重復利用，技術經濟合理，尤其在類似大型鐵路項目中推廣使用。