自平衡測(cè)試技術(shù)在鐵路工程樁驗(yàn)收檢測(cè)中的應(yīng)用

王修賓

（鐵正檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

1996 年，我國(guó)東南大學(xué)龔維明教授將基樁承載力自平衡測(cè)試法應(yīng)用在實(shí)際工程中[1]，并在1999 年編寫了我國(guó)第一部自平衡測(cè)試法地方規(guī)程[2]。在2009 年和2017 年，交通部和建設(shè)部分別頒布了自平衡測(cè)試法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步促進(jìn)了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用[3]。該測(cè)試方法應(yīng)用在民用建筑、公路橋梁和市政地鐵等工程領(lǐng)域中。在大直徑、大噸位、狹窄場(chǎng)地、基坑底部以及逆作法等傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)條件受限的情況下，該方法可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。該方法通常用在大噸位試樁中，在鐵路工程中應(yīng)用案例較少。2019 年最新頒布的《鐵路工程基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB 10218—2019）中在條文中明確了當(dāng)設(shè)計(jì)荷載大、地理環(huán)境復(fù)雜的樁時(shí)可采用自平衡法試驗(yàn)。因此，須對(duì)鐵路樁基工程自平衡測(cè)試方法進(jìn)行研究。

該文以某高鐵站為工程背景，對(duì)站房及附屬設(shè)施工程中的典型樁基進(jìn)行自平衡法豎向抗壓承載力測(cè)試研究。研究的樁型分為普通鉆孔灌注樁和帶擴(kuò)大頭鉆孔灌注樁。研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況及工程地質(zhì)

該項(xiàng)目位于贛撫沖積平原區(qū)二級(jí)階地，地形開闊平坦，巖土層分布較均勻。場(chǎng)地淺層分布有第四系上更新統(tǒng)沖積層粉質(zhì)黏土層，層厚不均勻，局部區(qū)域淺層為0.4m～2.7m 的第四系全新統(tǒng)人工填土。下面分布厚度不均勻的上更新統(tǒng)沖積砂層。下伏基巖埋深約為26.40m～31.20m，巖性為白堊系下統(tǒng)桂林組（K1g）。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載、承載力和變形驗(yàn)算要求，基礎(chǔ)形式選用樁基礎(chǔ)，選擇（5）3 泥質(zhì)砂巖中風(fēng)化作為樁端持力層。

該工程采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，以（5）3 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖為持力層，樁徑：高架站房區(qū)域?yàn)?000mm，側(cè)站房及無柱雨棚區(qū)域?yàn)?00mm，正線橋梁區(qū)域?yàn)?250mm。樁長(zhǎng)、持力層、承載力和工程樁參數(shù)詳見工程樁表，所有基樁施工樁長(zhǎng)均采用預(yù)估有效樁長(zhǎng)和進(jìn)入持力層深度雙重控制。樁基采用C45 水下混凝土，HRB400級(jí)鋼筋，工程樁總數(shù)量為5152 根。承臺(tái)采用C45 混凝土，墊層采用C20 聚合物水泥混凝土?；炷帘Ｗo(hù)層：樁為70mm，承臺(tái)底面為100mm，承臺(tái)頂面及側(cè)面為70mm。樁基、承臺(tái)和底板混凝土均采用抗?jié)B等級(jí)P8 防水混凝土。

2 檢測(cè)方案

自平衡測(cè)試法是利用預(yù)先安裝在樁身的荷載箱（雙荷載箱或多荷載箱），用基樁自重或填土自重、樁側(cè)阻力以及樁端阻力互相提供反力的測(cè)試方法。該方法分別測(cè)出上、下兩段基樁的荷載—位移曲線，計(jì)算上、下兩段樁的承載力（當(dāng)樁身預(yù)埋內(nèi)力測(cè)試元件時(shí)，可測(cè)出土層側(cè)摩阻力和端阻力），通過等效轉(zhuǎn)換得到整樁承載力。另外，還可用等效轉(zhuǎn)換方法，得到傳統(tǒng)堆載測(cè)試樁頂受壓時(shí)的樁頂?shù)刃Ш奢d—位移曲線。自平衡測(cè)試系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 自平衡測(cè)試系統(tǒng)示意圖

自平衡法的關(guān)鍵加載設(shè)備是一種預(yù)埋在樁身中的特制荷載箱。在埋設(shè)荷載箱前，須根據(jù)樁基設(shè)計(jì)文件提前制作，并根據(jù)地勘資料提前計(jì)算荷載箱埋設(shè)位置?？箟簶兜暮奢d箱埋設(shè)在上、下兩段樁承載力大致相同的位置，即樁身平衡點(diǎn)處；抗拔樁的荷載箱埋設(shè)在樁底。

增加荷載箱位移行程超過10cm。當(dāng)荷載箱位移總量為60mm～80mm 時(shí)，滿足終止加載條件，加大荷載箱行程保證荷載箱活塞不脫離油缸套筒，類似鋼筋籠的連接作用。在荷載箱焊接處上、下3m 內(nèi)用箍筋加密，間距100mm，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)向鋼筋（喇叭筋）和“L”形加強(qiáng)筋，在荷載箱處形成增強(qiáng)體，試驗(yàn)后荷載箱與鋼筋籠仍連接為一個(gè)整體，強(qiáng)度大于原鋼筋混凝土本身。

在實(shí)施該項(xiàng)目的過程中，抗壓樁分為常規(guī)混凝土灌注樁和帶擴(kuò)大頭灌注樁，所有樁型均采用樁端注漿技術(shù)。與常規(guī)樁型相比，因?yàn)闃抖藬U(kuò)大頭增加了樁端承載力，所以帶擴(kuò)大頭樁荷載箱位置更靠近樁身下部。當(dāng)測(cè)試抗拔樁時(shí)，根據(jù)地勘條件考慮樁底沉渣情況，在樁底增加了2m樁長(zhǎng)提供樁底反力，荷載箱仍埋設(shè)在設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高位置。各類樁基參數(shù)和荷載箱位置見表1。

表1 樁基參數(shù)和荷載箱位置表

該項(xiàng)目的檢測(cè)任務(wù)量大且工期要求緊，在基坑開挖后測(cè)試部分樁型，施工季節(jié)是雨季，為縮短基底暴露時(shí)間，降低檢測(cè)對(duì)施工的干擾，因此要加快檢測(cè)進(jìn)度，同時(shí)減少工作面及轉(zhuǎn)場(chǎng)頻次。在準(zhǔn)備檢測(cè)方案階段，提前研發(fā)了三通配件，可以在測(cè)試過程中同時(shí)對(duì)多樁進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

該項(xiàng)目加載方式采用慢速維持荷載法。根據(jù)規(guī)范要求，將設(shè)計(jì)最大加載值分為十級(jí)加載，第一級(jí)按照2 倍加載值加載，加載結(jié)束后分五級(jí)卸載。為保證工程進(jìn)度，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中采用特制的三通接頭同時(shí)檢測(cè)多根樁。檢測(cè)時(shí)油泵輸出的荷載穩(wěn)定、均勻、連續(xù)以及無沖擊，在過程中，每級(jí)荷載的變化幅度不超過分級(jí)荷載值的±10%。按照規(guī)范要求執(zhí)行位移觀測(cè)及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和終止加載條件。在測(cè)試過程中，受檢樁無異常情況，各荷載箱上、下位移均達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，加載值均滿足設(shè)計(jì)要求的最大加載量。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

自平衡測(cè)試得到荷載箱處上、下2 條荷載—位移曲線，按照規(guī)范方法將抗壓樁轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)堆載樁頂荷載—位移曲線。測(cè)試得到的抗壓樁自平衡曲線如圖2～圖4 所示。

圖2 ZH-1-N18 自平衡測(cè)試荷載位移曲線

圖3 ZH-2-N354 自平衡測(cè)試荷載位移曲線

圖4 ZH-3-N50 自平衡測(cè)試荷載位移曲線

根據(jù)抗壓樁測(cè)試結(jié)果，各類樁型在設(shè)計(jì)加載值要求條件下，位移量均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)大變形或陡變等異常情況，樁基承載力和變形滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)要求的加載值條件下，與普通樁型相比，帶擴(kuò)大頭樁的荷載箱下位移值較小。增加擴(kuò)大頭后，樁端阻力相應(yīng)增加。

4.2 承載力判定

受檢樁的極限承載力如公式（1）和公式（2）所示。

抗壓極限承載力如下。

抗拔極限承載力如下。

式中：Qu為單樁豎向抗壓、抗拔極限承載力（kN）；Quu為上段樁的極限加載值（kN）；Qud為下段樁的極限加載值（kN）。W為荷載箱上段樁的自重與附加質(zhì)量之和（kN），附加質(zhì)量應(yīng)包括設(shè)計(jì)樁頂以上超灌高度的質(zhì)量、空樁段泥漿或回填砂和土自重，地下水位以下應(yīng)取浮重度計(jì)算；γ1為受檢樁的抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況通過相近條件的比對(duì)試驗(yàn)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)無可靠比對(duì)試驗(yàn)資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，γ1可取0.8～1.0，長(zhǎng)樁及黏性土取大值，短樁或砂土取小值。γ2為受檢樁的抗拔摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)；承壓型抗拔樁應(yīng)取1.0，根據(jù)實(shí)際情況，通過相近條件的比對(duì)試驗(yàn)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定承拉型抗拔樁，但不應(yīng)小于1.1。

根據(jù)規(guī)范計(jì)算公式、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各樁型的抗壓極限承載力，見表2。

表2 樁基抗壓、抗拔極限承載力表

根據(jù)規(guī)范要求和地質(zhì)條件，并考慮安全儲(chǔ)備，抗壓摩阻力轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.8。測(cè)試得到的抗壓極限承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)安裝荷載箱焊接處上、下3m 內(nèi)箍筋加密，間距100mm，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)向鋼筋（喇叭筋）和“L”形加強(qiáng)筋，在荷載箱處形成一個(gè)增強(qiáng)體，試驗(yàn)后荷載箱與鋼筋籠仍連接為一個(gè)整體，加上試驗(yàn)后的注漿，強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原鋼筋混凝土本身。

荷載箱應(yīng)埋設(shè)在沒有彎矩的位置，通過計(jì)算，該項(xiàng)目樁身平衡點(diǎn)在反彎點(diǎn)以下，其承受的水平承載力幾乎為零。

應(yīng)采用自平衡測(cè)試法檢測(cè)鐵路抗壓和抗拔樁，可以省去傳統(tǒng)堆載法的配重、起吊等工序，并可以同時(shí)測(cè)試多根樁，節(jié)省工期。

該項(xiàng)目自平衡檢測(cè)結(jié)果表明，各種樁型均滿足設(shè)計(jì)要求，并有較大安全儲(chǔ)備。與普通樁型相比，擴(kuò)徑樁可以有效增加抗壓樁的樁端端阻力和抗拔樁的樁側(cè)摩阻力。通過專家組分析該項(xiàng)目103 根自平衡檢測(cè)數(shù)據(jù)，論證自平衡法檢測(cè)基樁承載力在確保注漿效果滿足要求后，可廣泛應(yīng)用于工程樁驗(yàn)收檢測(cè)。