既有山區鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗方法

張拯淵

（中鐵二局集團有限公司 京原鐵路電化工程指揮部，北京 102400）

0 引言

電氣化鐵路能大幅度提高運輸能力、降低運輸成本，更安全可靠并有利于環境保護，成為現代鐵路的主流類型，許多非電氣化鐵路近年來也相繼完成了電氣化升級改造，配套的聲屏障一般為灌注樁基，須檢測、判定其極限承載能力。

京原鐵路是山區鐵路，目前正進行電氣化升級改造，根據《建設項目環境保護條例》中“以新帶老”要求，即“改建、擴建項目和技術改造項目，必須采取措施，治理與該項目有關的原有環境污染和生態破壞”，鐵路噪聲影響突出，需要采取有效的噪聲防治措施，聲屏障作為主動控制措施，一直被廣泛采用［1］。鐵路沿線經過的學校、醫院、居民住宅等噪聲敏感點須加設聲屏障以完善環保措施，避免噪聲污染擾民。聲屏障基礎一般設計中心間距為4 m的混凝土灌注樁，施工完畢后須檢測其極限抗壓承載能力，以確保聲屏障基礎安全可靠。既有山區鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄、封鎖點時間短，且受營業線正常通行的列車影響，樁基靜載試驗存在空間和時間方面的困難。

樁基靜載試驗是目前應用最廣，被公認為最準確、最可靠的判定單樁極限承載能力的試驗檢測方法。目前常見的樁基靜載試驗方法有堆載法、自平衡法、錨樁法［2］，通過分析幾種試驗方法的優缺點，并進行可行性研究，得出錨樁法經濟合理、技術可行，解決了既有山區鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄等聲屏障工程場地受限的困難，又不影響營業線的正常運營，適用于既有山區鐵路聲屏障工程樁基承載力靜載試驗檢測。

1 樁基靜載試驗方法

樁基靜載試驗是通過給樁基逐級增加荷載觀測沉降量，通過專業人員對數據分析進而確定單樁的豎向抗壓承載力值，目前常見的樁基靜載試驗方法有堆載法、自平衡法、錨樁法。

1.1 堆載法

（1）基本原理：在樁頂上空采用混凝土塊、鋼梁等搭設承重平臺，將標準配重塊吊裝在承重平臺上，或者現場裝填砂袋承重計數后搬運至承重平臺上，承重平臺下通過千斤頂形成反力作用于樁頂。堆載法靜載試驗見圖1。

圖1 堆載法靜載試驗

（2）優點：現場配重吊裝擺放方便。

（3）缺點：配重塊制作成本、運輸成本高、現場裝填砂袋人工成本高，承重臺搭設須地勢平坦、場地空曠，占用場地面積大。

1.2 自平衡法

（1）基本原理：灌注樁混凝土澆筑前將荷載箱預先放置于樁身內指定位置，留設油管至荷載箱，混凝土澆筑達到齡期后，在地面通過高壓油泵向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞至樁身，上部樁身自質量、樁側摩擦力與下部樁身自質量、樁側摩擦力及樁端阻力平衡，從而獲得樁的承載力。自平衡法靜載試驗示意見圖2。

圖2 自平衡法靜載試驗示意圖

（2）優點：利用樁自身的阻力反作用力，裝置簡單，準備工作省時省力。

（3）缺點：預估荷載箱平衡點位置困難，不易平衡［3］；對工程樁進行檢測時，荷載箱位置在加載后形成斷樁，不易處理；自平衡法加載方式和受力機理與樁基正常工作狀態不同，轉換計算公式系數如何確定未得到業界統一認可。

1.3 錨樁法

（1）基本原理：將被測樁周圍對稱的幾根錨樁通過反力架連接在一起，依靠千斤頂將反力架頂起，由被連接的錨樁抗拔力提供反力，從而獲得被檢測樁的承載力?？赏ㄟ^鄰近工程樁或預設錨樁提供反力。錨樁法靜載試驗示意見圖3。

圖3 錨樁法靜載試驗示意圖

（2）優點：不受現場條件及加載噸位限制，安裝便捷；對于小噸位（1 000 kN以內）的樁基，利用工程樁作為錨樁，錨樁法的優勢更明顯，大幅度節約設備、器材、配重的運輸及安拆等試驗檢測周期和成本［4］。

（3）缺點：當用工程樁做錨樁時，如果抗拔力不能滿足要求，會對工程樁產生一定的影響；如果為試驗樁設置專用錨樁，則會大大增加相關成本。

1.4 試驗方法比選

對比上述幾種試驗方法的優缺點，得知：

（1） 既有山區鐵路施工現場場地受限，且搭設的平臺會侵線影響列車正常通行，不具備堆載法搭設承重平臺的條件。

（2） 自平衡法靜載試驗檢測使工程樁斷樁，且不易處理，影響工程樁結構安全，滿足荷載要求的平衡點位置難以確定，具有隨意性，不適用于既有山區鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗。

（3）聲屏障工程自身結構荷載小，對樁基承載力要求低，相鄰兩側4 m的2根工程樁可作為錨樁使用，采用錨樁法不受場地限制，不影響營業線正常運營，技術可靠，經濟合理，適用于既有山區鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗。

在滿足我國現行相關規范的條件下，采用錨樁法進行既有山區鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗時，錨樁橫梁反力裝置引起的試驗誤差很小，能滿足試驗精度要求。采用錨樁橫梁反力裝置時，錨樁的作用使試樁下沉，抵消部分基準樁的影響，可提高試驗精度。

2 錨樁法可行性分析

2.1 設計參數

京原鐵路作為山區鐵路電氣化改造時，聲屏障工程人工挖孔樁設計樁徑D=800 mm，樁長H=5.5 m，樁間距L=4.0 m，樁身混凝土強度等級C30，護壁混凝土厚度不小于100 mm，護壁混凝土強度等級C25，豎向承載力特征值65 kN。樁頂預埋6根φ24的U型地腳螺桿與上部結構連接。

2.2 極限承載力

為保證足夠的安全儲備，根據相關規范要求，最大有效加載量不應小于設計要求單樁容許承載力的2.0倍，即豎向抗壓極限承載力P=130 kN，錨樁反力裝置需提供反力為1.2倍豎向抗壓極限承載力，即需要保證提供反力為156 kN。

2.3 錨樁抗拔力驗算

一般路基段聲屏障縱向呈直線設置，采用試樁相鄰兩側對稱的2根工程樁作為錨樁，以錨樁的抗拔力提供反力，兩側受力均勻，單樁抗拔力需大于78 kN。

（2）單樁抗拔極限承載力標準值Tuk=λqsikμH，式中：λ為抗拔系數；qsik為樁側表面土的極限側阻力標準值；μ為樁身周長；H為樁長。

抗拔系數λ見表1［5］，最不利情況下為0.5。

表1 抗拔系數λ

樁側表面土的極限側阻力標準值qsik見表2［5］，最不利情況下為12 kPa。

表2 土的極限側阻力標準值qsik kPa

樁身周長不考慮鋼筋混凝土護壁時，μ=πD=3.14×0.8 m=2.512 m；H=5.5 m；Tuk=λqsikμH=0.5×12 kPa×2.512 m×5.5 m=82.90 kN。

2.4 預埋螺栓受力驗算

為防止試驗過程中隨荷載加大造成預埋地腳螺栓破壞而中斷試驗，對后續吸聲板安裝造成影響，須確保預埋螺栓抗拉強度滿足要求。反力梁通過錨樁樁頂預埋的地腳螺栓與錨樁連接，6根地腳螺桿共需承受78 kN，平均每根地腳螺桿需承受的作用力13 kN。

樁頂預埋的地腳螺栓直徑為24 mm，考慮螺紋其有效截面積為317 mm2，抗拉強度標準值不小于140×10-3kN/mm2。

單根螺栓可承受的拉力值F=317 mm2×140×10-3kN/mm2=44.38 kN＞13 kN，抗拉強度滿足要求。

2.5 反力橫梁選型

反力橫梁選型主要考慮其在最大加載時不被彎矩破壞，擬采用材質Q235的I45a工字鋼作為反力橫梁，其性能參數為：彎曲抗拉強度f=215 MPa，慣性矩Ix=22 200 cm4，抗彎截面模量Wx=1 430 cm3，塑性發展系數γx=1.05［6-7］。

整個錨樁反力橫梁力學模型見圖4，P為試驗最大加載，即豎向抗壓極限承載力130 kN，L為樁間距4 m。

圖4 整個錨樁反力橫梁力學模型

3 試驗中易出現的問題及注意事項

（1）提供的反力應作用在樁頂正中心，是靜載試驗中反力裝置設置需遵循的原則，若荷載偏心，用于觀測沉降的2個位移傳感器中，1個一直觀測上拔數據，因此試驗數據失真［8］。錨樁應對稱設置，否則錨樁受力不均勻，受力大的可能難以承受拔力，而對錨樁造成破壞。

（2）錨樁反力裝置在試驗加載過程中，尤其是前幾級易出現油壓過沖現象，影響試樁的沉降量，對最終檢測試驗數據造成不良影響。前幾級加載須緩慢、均勻。

（3）試驗過程中，由于選材或焊接等原因出現錨筋、預埋螺栓被拉斷或焊點開裂等現象時，可先卸掉荷載，重新焊接或采取其他補強措施，處理完畢后先加載到卸載前的荷載量，穩定一段時間后再繼續檢測。

（4）錨樁反力裝置提供的反力不應小于最大試驗荷載的1.2倍，當不能提供時需提前在橫梁上對稱放置或懸掛一定重物，以減小對錨樁抗拔力和橫梁應力的要求。

4 結束語

一般路基聲屏障基礎樁間距相等，縱向呈直線，錨樁對稱，受力均勻；預埋地腳螺栓抗拉強度滿足要求，無需預埋錨筋、錨桿，不存在斷裂現象；試樁兩側錨樁提供的反力不低于最大試驗荷載的1.2倍。試驗前期緩慢勻速施加荷載，控制好油壓，可解決上述技術問題。

利用聲屏障工程樁作為錨樁，采用預埋的地腳螺桿與反力橫梁連接，反力裝置安裝便捷，節省試驗工期，節約試驗成本，可有效克服既有山區鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄等現場不利條件，不影響營業線正常運營，同時解決因空間和時間造成的困難。

錨樁法樁基靜載試驗方法可行，經濟合理，適用于既有山區鐵路聲屏障工程樁基承載力靜載試驗檢測。