基于锚桩反力法静载试验在桩基检测中的应用

潘学忠

(江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210028)

随着“一带一路”倡议的推进，我国越来越多的建筑企业走出国门开展对外建设。在相关的工程建设中，建设规范的选取至关重要。本文以我公司承接的京沪高铁大胜关大桥项目桩基为研究对象，开展了桩基静载试验，基于锚桩反力法，确定了大胜关大桥桩基的竖向承载力，并比较了中国铁路规范与国外规范的差异。

桩基静载试验是确定桩基抗压和抗拔承载力最重要的试验方法，也是目前全球范围内公认的最简单、最可靠的测试方法[1-3]。郑凯[4]研究了岩溶地区桥梁桩基的静载试验受力性能，讨论了溶洞对桩身受力的影响。丁伟等[5]基于孟加拉某电厂工程的桩基静载试验，对比分析了中国、美国、印度关于桩基静载试验检测标准对其极限承载力的差异，结果表明，中国标准和美国标准最为可靠。王杰等[6]对阿联酋阿不赞比中央公园桩基开展了多层级锚索反力静载试验，验证了该方法确定桩基承载力的可靠性。张铁柱和潘涛[7]采用桩基静载试验研究了锚桩形式对桩承载力的影响，量化了锚桩和试桩直径相对大小对桩承载力的影响比例。结果证明，如果锚桩与试桩中心距小于3倍试桩桩径时，锚桩上拔对试桩桩顶沉降影响较大，当锚桩与试桩的中心距大于6倍试桩桩径时，锚桩桩径变化对桩极限承载力的影响非常小。朱烈等[8]研究了锚桩反力法在确定螺杆桩极限承载力中的应用。结果表明，锚桩反力法在螺杆锚桩静载试验中具有广泛的应用前景，值得推广。综上所述，静载试验是目前我国相关工程建设中最为常用的一种确定基桩承载力的方法[9]。

1 桩基静载试验方法

桩基承载力确定和桩身完整性检测是确保建筑物安全使用的基础。桩基静载试验是通过在基桩顶部逐级施加荷载，通过安装在桩侧的百分表或位移传感器来监测基桩顶部沉降随时间变化以此确定单桩竖向承载力的一种方法。单桩静载试验通常包括堆载法、自平衡法和锚桩反力法。其中堆载法使用比较广泛，承重平台搭建简单，但对地基土承载力要求较高，且堆载量大，试验对空间要求高。自平衡法检测原理是将一种特制的加载装置——荷载箱，在混凝土浇筑之前和钢筋笼一起埋入桩身平衡点附近，将荷载箱的加压油管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面，然后灌注成桩。待桩体强度达到设计要求后采用高压油泵在地面向荷载箱加压，使得桩体内部产生加载力，最后通过对加载力与这些参数之间的关系计算和分析，可以得到单桩竖向抗压、抗拔承载力。自平衡法优点是不受施工场地条件的限制，缺点是由于地质条件的差异平衡点位置难以确定。锚桩反力法一般用于单桩承载力较大，地基土无法提供较大反力的场地，该方法是在试验前选取检测桩周边的几根桩作为锚桩，用于提供向上的拔力，然后通过反作用力施加于检测桩上[10]，采用全自动桩基静载测试仪获取到每级荷载作用下的桩基沉降量，进而确定单桩承载力是否满足设计要求[11-12]。

2 工程概况

本项目为京沪高铁大胜关大桥桩基，试桩直径分别为1.0 m和1.2 m，共计44根桩。根据合同要求，桩基静载试验一共4根，具体位置由设计确定，其中Z1和Z4承台位置桩端持力层为强风化泥质粉砂岩，Z2和Z3承台位置桩端持力层为中风化泥质粉砂岩。根据设计图纸要求试验桩的最大加载为设计承载力的1.5倍。4个承台位置桩基的基本参数见表1。其中Z1和Z4承台位置的桩基直径为1.0 m，桩长为65 m，设计承载力为6 000 kN，试验要求最大加载量为9 000 kN；Z2和Z3承台位置的桩基直径为1.2 m，桩长为75 m，设计承载力为9 000 kN，试验要求最大加载量为13 500 kN。

3 静载试验设计

3.1 试验桩和锚桩

表1结果显示，Z1和Z4承台位置桩最大试验荷载为9 000 kN，而另外两处承台桩最大试验荷载为13 500 kN。其中Z1和Z4承台位置桩试验荷载相对较小，且位于河岸，可推荐使用堆载法试验，而Z2和Z3承台位置桩试验荷载较大，所需空间大且位于河道中间，不适合堆载，本文提出采用锚桩反力法进行桩基静载试验。

表1 桩基静载试验参数

Z2，Z3位置桩基平面布置如图1所示，设计指定6号桩和17号桩为检测桩，2号、3号、9号、10号桩以及13号、14号、20号、21号桩为反力桩。该加载方式可以实现对称加载，有效避免试验桩偏心受压。锚桩截面配筋如图2所示。其中桩底高程为-65 m，地面高程为10 m。地层由上到下分别为粉质黏土层、淤泥质粉质黏土层、粉土粉砂层、强风化岩层以及中风化岩层。

3.2 锚桩抗拔力计算

表1给出了Z2,Z3承台位置处桩基最大试验荷载Pz=13 500 kN，由此计算的单根锚桩所受的反向拉力Nt=Pz/4=13 500/4=3 375 kN。锚桩纵向钢筋采用38根HRB400φ25 mm螺纹钢，抗拉强度fy=360 N/mm2，则单根锚桩所能提供的抗拔力为Ny=nfyAs=38×360×3.14×252×0.25/1 000=6 712 kN。钢筋抗拔安全系数为K=Ny/Nt=1.99>1.5，证明2号、3号、9号、10号以及13号、14号、20号、21号桩作为锚桩满足受力要求。

基桩的极限抗拔承载力标准值定义为：

Tk=λiqsikuili

(1)

其中，λi，qsik,ui，li分别为抗拔系数、第i层土侧摩阻力标准值、桩的周长以及第i层土中桩的长度。根据甲方提供的地勘报告计算Tk=16 685 kN。

根据规范要求，承受拔力的桩基应验算群桩基础呈非整体破坏时基桩的抗拔承载力，计算公式为：Nk=Tk/2+Gp，其中，Gp为桩的自重，地下水以下按浮重度计算。得到：Gp=0.25×3.14×1.22×75×(25-10)=1 271.7 kN(钢筋混凝土重度按25 kN/m3取值)；则Nk=16 685÷2+1 271.7=9 614.2 kN。

由于Nk>Nt，安全系数K=Nk/Nt=2.85>1.5，因此锚桩桩身也满足受力要求。

3.3 试验设备

试验中设备仪器主要包括：50 t吊车1台；3台630 t千斤顶施力装置及配套液压泵1套；位移传感器4个，量程为0 mm～50 mm；主梁2根；次梁4根；主次梁连接组件2套；次梁和锚桩连接件4套。

3.4 试验步骤

根据TB 10218—2019铁路工程基桩检测技术规程[13]，试验主要分为以下步骤：1)开挖成孔，灌装成桩。完成所有试验所需的桥墩和桩基浇筑。2)待混凝土强度达设计要求后，挖出试验桩及锚桩桩头。3)在试验用桩顶部浇筑1.4 m×1.4 m的C40桩帽，并在顶部放一50 mm厚的桩头板，用于千斤顶对称受力，放置3台千斤顶，千斤顶上再放一张50 mm受力钢板，在钢板上对称放置主梁，两端采用预制混凝土块支撑。4)组装次梁，将每根次梁对称放置于主梁之上，并采用螺栓与主梁进行固定。次梁两端采用预制混凝土块进行支撑，并在次梁上部正对锚桩位置放置4个预先焊接好的枕头铁块，最后采用焊接的方法将锚桩主筋满焊于次梁上部的枕头铁块上。5)在检测桩外侧6 m处布设4个φ50 mm的基准桩，并安装好具有足够刚度的基准梁。梁的一端固定于基准桩上，另一端简支于基准桩上。固定好磁性表座，安装好位移传感器。试验过程中应尽量避免外界振动和其他因素对试验的影响。6)安装完毕，检查稳定性。7)按照规范规定施加荷载并采用仪器自动记录试验数据。

本文在检测6号桩时参照中国标准，采用单循环加载法进行试验，采用逐级等量加载，荷载分级取最大加载量的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍，卸载时按加载分级荷载的2倍进行。在检测17号桩时参照美国标准[14]，采用双循环分级加载法进行试验，其中第一次循环加载按照设计荷载的25%～100%进行，并按照25%的模数加载，直至满载，达到终极荷载时持续时间长度为6 h，并沿相同路径卸载。

4 结果与分析

表2汇总了6号桩按中国标准进行试验的数据，结果表明，当加载至最大试验荷载时，试验桩累计沉降量为21.87 mm，卸载至零后，其沉降值为5.90 mm；表3汇总了17号桩按美国标准加卸载过程中4个位移计的读数结果，结果表明，第一次循环加载至设计荷载时，试验桩累计沉降量为5.47 mm，卸载至零后，其沉降值为2.48 mm。第二次循环加载，试验荷载达到设计荷载的1.5倍，试验桩基的沉降值为12.07 mm，卸载至零后桩顶沉降值为5.79 mm。可以看出，2根桩在加载试验荷载达到最大荷载时，桩的沉降值最大不大于0.1倍桩径，满足国内TB 10218—2019铁路工程基桩检测规程安全性要求，也证明本文试验具有合理性。

表2 桩基静载试验单循环加卸载及沉降量(6号桩)

表3 桩基静载试验双循环加卸载及沉降量(17号桩)

图3，图4为分别采用中国标准和美国标准试验汇总得到加卸载情况下，试验桩的沉降位移曲线。结果表明，试验桩在循环加卸载工况下，桩的位移能够满足规范的安全性要求，在最大试验荷载作用后Q-S曲线能够近似满足线性。该结果证明，桩处于弹性工作状态，满足安全性要求。

5 结论

本文以京沪高铁大胜关大桥桩基为研究对象，开展了桩基静载试验，基于锚桩反力法，确定了桩基的竖向承载力，得到以下两点结论：

1)根据我国规范规定，锚桩数量需大于4根，但美规没有做规定。实际工程中如果锚桩小于4根，需进行单桩钢筋抗拉力和桩基抗拉力验算，如果验算不满足，需要进行锚桩预埋钢绞线处理。

2)按中国标准，当加载至最大试验荷载时，试验桩累计沉降量为21.87 mm，卸载至零后其沉降值为5.90 mm；按美国标准，第一次循环加载至设计荷载时，试验桩累计沉降量为5.47 mm，卸载至零后其沉降值为2.48 mm。第二次循环加载至设计荷载的1.5倍时，试验桩基的沉降值为12.07 mm，卸载至零后桩顶沉降值为5.79 mm。可以比较看出，采用中国标准和美国标准试验桩最终卸载至零的累计沉降量基本接近，但在加载至最大荷载时，中国标准的累计沉降量比美国标准的累计沉降量更大，且中国标准的每级加载时间更长，更加符合铁路大桥的实际工况，保证大桥运营期间安全稳固。