既有山区铁路声屏障工程桩基静载试验方法

张拯渊

（中铁二局集团有限公司 京原铁路电化工程指挥部，北京 102400）

0 引言

电气化铁路能大幅度提高运输能力、降低运输成本，更安全可靠并有利于环境保护，成为现代铁路的主流类型，许多非电气化铁路近年来也相继完成了电气化升级改造，配套的声屏障一般为灌注桩基，须检测、判定其极限承载能力。

京原铁路是山区铁路，目前正进行电气化升级改造，根据《建设项目环境保护条例》中“以新带老”要求，即“改建、扩建项目和技术改造项目，必须采取措施，治理与该项目有关的原有环境污染和生态破坏”，铁路噪声影响突出，需要采取有效的噪声防治措施，声屏障作为主动控制措施，一直被广泛采用［1］。铁路沿线经过的学校、医院、居民住宅等噪声敏感点须加设声屏障以完善环保措施，避免噪声污染扰民。声屏障基础一般设计中心间距为4 m的混凝土灌注桩，施工完毕后须检测其极限抗压承载能力，以确保声屏障基础安全可靠。既有山区铁路路基高、边坡陡、地势狭窄、封锁点时间短，且受营业线正常通行的列车影响，桩基静载试验存在空间和时间方面的困难。

桩基静载试验是目前应用最广，被公认为最准确、最可靠的判定单桩极限承载能力的试验检测方法。目前常见的桩基静载试验方法有堆载法、自平衡法、锚桩法［2］，通过分析几种试验方法的优缺点，并进行可行性研究，得出锚桩法经济合理、技术可行，解决了既有山区铁路路基高、边坡陡、地势狭窄等声屏障工程场地受限的困难，又不影响营业线的正常运营，适用于既有山区铁路声屏障工程桩基承载力静载试验检测。

1 桩基静载试验方法

桩基静载试验是通过给桩基逐级增加荷载观测沉降量，通过专业人员对数据分析进而确定单桩的竖向抗压承载力值，目前常见的桩基静载试验方法有堆载法、自平衡法、锚桩法。

1.1 堆载法

（1）基本原理：在桩顶上空采用混凝土块、钢梁等搭设承重平台，将标准配重块吊装在承重平台上，或者现场装填砂袋承重计数后搬运至承重平台上，承重平台下通过千斤顶形成反力作用于桩顶。堆载法静载试验见图1。

图1 堆载法静载试验

（2）优点：现场配重吊装摆放方便。

（3）缺点：配重块制作成本、运输成本高、现场装填砂袋人工成本高，承重台搭设须地势平坦、场地空旷，占用场地面积大。

1.2 自平衡法

（1）基本原理：灌注桩混凝土浇筑前将荷载箱预先放置于桩身内指定位置，留设油管至荷载箱，混凝土浇筑达到龄期后，在地面通过高压油泵向荷载箱充油加载，荷载箱将力传递至桩身，上部桩身自质量、桩侧摩擦力与下部桩身自质量、桩侧摩擦力及桩端阻力平衡，从而获得桩的承载力。自平衡法静载试验示意见图2。

图2 自平衡法静载试验示意图

（2）优点：利用桩自身的阻力反作用力，装置简单，准备工作省时省力。

（3）缺点：预估荷载箱平衡点位置困难，不易平衡［3］；对工程桩进行检测时，荷载箱位置在加载后形成断桩，不易处理；自平衡法加载方式和受力机理与桩基正常工作状态不同，转换计算公式系数如何确定未得到业界统一认可。

1.3 锚桩法

（1）基本原理：将被测桩周围对称的几根锚桩通过反力架连接在一起，依靠千斤顶将反力架顶起，由被连接的锚桩抗拔力提供反力，从而获得被检测桩的承载力。可通过邻近工程桩或预设锚桩提供反力。锚桩法静载试验示意见图3。

图3 锚桩法静载试验示意图

（2）优点：不受现场条件及加载吨位限制，安装便捷；对于小吨位（1 000 kN以内）的桩基，利用工程桩作为锚桩，锚桩法的优势更明显，大幅度节约设备、器材、配重的运输及安拆等试验检测周期和成本［4］。

（3）缺点：当用工程桩做锚桩时，如果抗拔力不能满足要求，会对工程桩产生一定的影响；如果为试验桩设置专用锚桩，则会大大增加相关成本。

1.4 试验方法比选

对比上述几种试验方法的优缺点，得知：

（1） 既有山区铁路施工现场场地受限，且搭设的平台会侵线影响列车正常通行，不具备堆载法搭设承重平台的条件。

（2） 自平衡法静载试验检测使工程桩断桩，且不易处理，影响工程桩结构安全，满足荷载要求的平衡点位置难以确定，具有随意性，不适用于既有山区铁路声屏障工程桩基静载试验。

（3）声屏障工程自身结构荷载小，对桩基承载力要求低，相邻两侧4 m的2根工程桩可作为锚桩使用，采用锚桩法不受场地限制，不影响营业线正常运营，技术可靠，经济合理，适用于既有山区铁路声屏障工程桩基静载试验。

在满足我国现行相关规范的条件下，采用锚桩法进行既有山区铁路声屏障工程桩基静载试验时，锚桩横梁反力装置引起的试验误差很小，能满足试验精度要求。采用锚桩横梁反力装置时，锚桩的作用使试桩下沉，抵消部分基准桩的影响，可提高试验精度。

2 锚桩法可行性分析

2.1 设计参数

京原铁路作为山区铁路电气化改造时，声屏障工程人工挖孔桩设计桩径D=800 mm，桩长H=5.5 m，桩间距L=4.0 m，桩身混凝土强度等级C30，护壁混凝土厚度不小于100 mm，护壁混凝土强度等级C25，竖向承载力特征值65 kN。桩顶预埋6根φ24的U型地脚螺杆与上部结构连接。

2.2 极限承载力

为保证足够的安全储备，根据相关规范要求，最大有效加载量不应小于设计要求单桩容许承载力的2.0倍，即竖向抗压极限承载力P=130 kN，锚桩反力装置需提供反力为1.2倍竖向抗压极限承载力，即需要保证提供反力为156 kN。

2.3 锚桩抗拔力验算

一般路基段声屏障纵向呈直线设置，采用试桩相邻两侧对称的2根工程桩作为锚桩，以锚桩的抗拔力提供反力，两侧受力均匀，单桩抗拔力需大于78 kN。

（2）单桩抗拔极限承载力标准值Tuk=λqsikμH，式中：λ为抗拔系数；qsik为桩侧表面土的极限侧阻力标准值；μ为桩身周长；H为桩长。

抗拔系数λ见表1［5］，最不利情况下为0.5。

表1 抗拔系数λ

桩侧表面土的极限侧阻力标准值qsik见表2［5］，最不利情况下为12 kPa。

表2 土的极限侧阻力标准值qsik kPa

桩身周长不考虑钢筋混凝土护壁时，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 预埋螺栓受力验算

为防止试验过程中随荷载加大造成预埋地脚螺栓破坏而中断试验，对后续吸声板安装造成影响，须确保预埋螺栓抗拉强度满足要求。反力梁通过锚桩桩顶预埋的地脚螺栓与锚桩连接，6根地脚螺杆共需承受78 kN，平均每根地脚螺杆需承受的作用力13 kN。

桩顶预埋的地脚螺栓直径为24 mm，考虑螺纹其有效截面积为317 mm2，抗拉强度标准值不小于140×10-3kN/mm2。

单根螺栓可承受的拉力值F=317 mm2×140×10-3kN/mm2=44.38 kN＞13 kN，抗拉强度满足要求。

2.5 反力横梁选型

反力横梁选型主要考虑其在最大加载时不被弯矩破坏，拟采用材质Q235的I45a工字钢作为反力横梁，其性能参数为：弯曲抗拉强度f=215 MPa，惯性矩Ix=22 200 cm4，抗弯截面模量Wx=1 430 cm3，塑性发展系数γx=1.05［6-7］。

整个锚桩反力横梁力学模型见图4，P为试验最大加载，即竖向抗压极限承载力130 kN，L为桩间距4 m。

图4 整个锚桩反力横梁力学模型

3 试验中易出现的问题及注意事项

（1）提供的反力应作用在桩顶正中心，是静载试验中反力装置设置需遵循的原则，若荷载偏心，用于观测沉降的2个位移传感器中，1个一直观测上拔数据，因此试验数据失真［8］。锚桩应对称设置，否则锚桩受力不均匀，受力大的可能难以承受拔力，而对锚桩造成破坏。

（2）锚桩反力装置在试验加载过程中，尤其是前几级易出现油压过冲现象，影响试桩的沉降量，对最终检测试验数据造成不良影响。前几级加载须缓慢、均匀。

（3）试验过程中，由于选材或焊接等原因出现锚筋、预埋螺栓被拉断或焊点开裂等现象时，可先卸掉荷载，重新焊接或采取其他补强措施，处理完毕后先加载到卸载前的荷载量，稳定一段时间后再继续检测。

（4）锚桩反力装置提供的反力不应小于最大试验荷载的1.2倍，当不能提供时需提前在横梁上对称放置或悬挂一定重物，以减小对锚桩抗拔力和横梁应力的要求。

4 结束语

一般路基声屏障基础桩间距相等，纵向呈直线，锚桩对称，受力均匀；预埋地脚螺栓抗拉强度满足要求，无需预埋锚筋、锚杆，不存在断裂现象；试桩两侧锚桩提供的反力不低于最大试验荷载的1.2倍。试验前期缓慢匀速施加荷载，控制好油压，可解决上述技术问题。

利用声屏障工程桩作为锚桩，采用预埋的地脚螺杆与反力横梁连接，反力装置安装便捷，节省试验工期，节约试验成本，可有效克服既有山区铁路路基高、边坡陡、地势狭窄等现场不利条件，不影响营业线正常运营，同时解决因空间和时间造成的困难。

锚桩法桩基静载试验方法可行，经济合理，适用于既有山区铁路声屏障工程桩基承载力静载试验检测。