锚索装置在铁路桥梁桩基静载荷试验中的应用

高雄雄

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

近年来，中国铁路“走出去”的步伐不断加快，足迹遍及亚洲、欧洲、北美洲和非洲，有力促进了“一带一路”建设和国际产能合作。铁路桥梁在这些铁路项目中占比越来越大，因为在沿线人口密集、经济发达地区，桥梁具有占地少、有效跨越障碍物缩短交通距离提高效率等优势，同时可结合城市规划减少对城市空间分割。出于技术方面考虑，铁路对线路平顺性、沉降要求很高，而桥梁桩基础可适应不同地质条件并将荷载传至地下较深处承载性能好的土层，以满足承载力要求、更有利于控制沉降量。同时，由于桩基础是一种深入地下的隐蔽工程，其质量不能直接进行外观检查，因此选择一种科学、经济和便捷的桩基检测方法尤为重要。

1 国内外桩基静载荷试验常用方法

桩基静载荷试验目前是确定单桩极限承载力最为准确、可靠的试验方法，在国内外港口工程、高层建筑、公路及铁路工程等领域普遍采用。单桩静载荷试验常用方法有堆载法、自平衡法和锚桩反力法。

其中堆载法是目前在国内外应用比较广泛，其通过以试桩为中心搭设试验平台，码放砂袋、混凝土配重和钢锭等，通过千斤顶加压，给试桩提供竖向压力，从而检验试桩的承载力是否满足设计要求。其操作简单直观，有利桩基承载力随机抽查验证，但对场地要求较高，过程耗费人力、物力较大，且过程具有一定危险性。自平衡法是一种在桩端附近安设荷载箱，然后沿桩身方向加载，同时测得荷载箱上下、部桩身各自承载力的静载试验方法。该方法占地少、装置简单检测成本容易控制，同时大吨位试验可靠性得到提高，但在桩基混凝土灌注前期需将荷载箱和钢筋笼焊接在一起，在混凝土灌注时荷载箱底部容易产生松散薄弱层，致使荷载箱向下移动过程中存在部分虚位移，从而不能正确反映桩身的实际位移。且荷载箱置位于桩基内部，隐蔽性强，新的技术细节繁多，一旦某个细节出现问题或失误，就容易导致整个试验的失败。

锚桩反力法装置就是将被测桩周围对称的几根锚桩用锚筋与反力架连接起来，依靠桩顶的千斤顶将反力架顶起，由被连接的锚桩提供反力。锚桩法安装快捷，当使用工程桩做锚桩时成本很低。但如果为试桩设置专门的锚桩，则会大大增加相关成本。且锚桩在试验过程中受到上拔力的作用，其桩间土的扰动同样会影响到试桩，规范规定的试桩和锚桩之间的中心间距就是为了减小这种影响。

2 工程概况

埃及斋月十日城市域铁路项目位于埃及首都开罗，是连接开罗市区、东部沿线卫星城及埃及新首都的纽带。其中Suez桥是项目控制性工程，采用直径2.0 m的钻孔灌注桩，桩长16～41 m，共计192根。工程师指定P116#桩为静载荷试验桩，桩基类型为摩擦桩，桩长27 m，根据地勘报告工程地质向下依次为黏土质砂土、砂砾层、粉质黏土和砂岩。桩基设计承载力为13 000 kN，试验荷载为1.5倍设计荷载即19 500 kN，采用双层锚索反力法进行试验。

3 双层锚索反力法试验

双层锚锁反力法装置是通过在试桩周围对称埋设预应力锚索，锚索采用锚具及夹片与双层装配式钢结构锥形盘反力架锚固连接，利用液压千斤顶作用于锥形盘反力架，将锚索反力作用于试桩。

3.1 锚索设计计算

设计16束锚束，沿桩周围对称布置，设计锚索长度22 m（锚固段12 m+自由段15 m），锚索钻孔角度28°。锚索设计布置如图1所示。

图1 锚索布置图

每束锚索设计7根钢绞线，根据美国材料实验协会标准ASTM A-416/416M[1]选取直径15.2 mm钢绞线，极限承载力261 kN，截面积140 mm2，极限抗拉强度1 860 MPa。试验荷载19 500 kN，钢绞线受力验算

根据规范BS 8081—2015锚索受力验算

根据规范BS 8081—2015 B.5.2.2.2[2]规定，0.91 MPa＜1 MPa，满足安全要求。

3.2 双层反力装置设计

由于现场受试验桩邻桩位置制约，锚索仅能沿纵桥向对称布置并设置双层锥形反力装置，从上至下依次为直径2 m圆锥形反力装置、2.5 m×1.0 m方锥形反力装置、千斤顶（4组）及2.5 m×1.0 m桩顶钢分配梁。双层反力装置如图2所示。

图2 反力装置设计图

3.3 测量装置

沿试桩周围对称设置4个预制混凝土基础，标高调整一致后安装固定参考梁。在桩头钢护筒焊接4组钢支架，用于安装固定千分表基座，4组千分表测针触头分别与对应参考梁抵触连接测量桩头垂直位移。测量装置如图3所示，试验现场如图4所示。

图3 测量装置

图4 试验现场

3.4 加载流程

试桩设计荷载13 000 kN，试验荷载为1.5倍设计荷载19 500 kN。根据美国材料实验协会标准ASTM D1143/D1143M—2007[3]规定，确定分级加载流程。荷载从设计荷载的25%开始，逐级加载至设计荷载的150%，持荷12 h后再逐级卸载。详细加载方式见表1。

表1 荷载加载流程

根据欧洲岩土工程设计规范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]规定，桩基累计垂直沉降量达到桩径10%时，视为该桩基“失效”。因此，加载过程中，若发现试桩垂直位移量达到200 mm时，立即停止加载，并停止试验。

3.5 试验步骤

（1）为方便试验操作，成桩后保留试桩的钢护筒。试桩混凝土强度达到设计强度100%，且龄期满28 d后，凿除桩头、切除钢护筒0.5 m左右，并将桩头打磨平整。

（2）锚索施工：测量放样→钻孔→注浆→锚索安装。锚索注浆强度达到设计强度100%后，平整试验场地，设备进场。

（3）首先依次安装桩顶分配钢梁、千斤顶及限位装置；然后依次方锥形反力装置和圆锥形反力装置，反力装置与锚索通过锚具、夹片锚固连接。

（4）液压系统安装，根据千斤顶校验报告，油泵液压管连接对应的千斤顶，液压表和油表对应安装至匹配油泵。

（5）测量装置安装，依次安装和调平预制混凝土基础、参考梁和仪表支架等，沿桩周对称安装4组千分表。

（6）所有设备、仪器安装完成后，搭设帐篷对试验区域进行围蔽，以免大风干扰仪表读数。试验前，完成反力装置、液压系统和测量装置等系统性检查。

（7）按照试验加载流程进行分级加载、卸载和数据采集记录。

3.6 试验结果

表2结果表明，加载至设计荷载100%时，累计沉降量3.01 mm；加载至设计荷载150%时，累计沉降量7.27mm；卸载完成后，累计沉降量4.10mm。时间—沉降关系曲线和荷载—沉降关系曲线分别如图5、图6所示。

图5 时间—沉降关系曲线

图6 荷载—沉降关系曲线

表2 P116#桩静载荷试验加载及沉降量

3.7 结果分析

（1）根据欧洲岩土工程设计规范Eurocode-7：Geotechnical Design[4]和美国材料实验协会标准ASTMD1143/D1143M—2007[3]分别规定桩基在极限承载力作用下桩基垂直位置累计达到0.1D和0.15D时，视为桩基“失效”。本案例中直径D=2 m试桩在1.5倍设计荷载作用下，累计最大沉降值7.27 mm，小于200 mm或300 mm，桩基承载力满足设计要求。

（2）根据Davisson桩基极限承载力的失效准则[5]，桩基在加载过程中垂直位移量达到以下计算数值时，视为桩基失效

式中：P为极限承载力（设计荷载按极限状态法设计计算）；L为桩长；A为桩基截面积；E为混凝土弹性模量；D为桩基直径；1inch=2.54 cm。

本案例中直径D=2 m试桩在1.5倍设计荷载作用下，累计最大沉降值7.27 mm，小于24.97 mm，桩基承载力满足设计要求。

4 结论

埃及斋月十日城市域铁路是采用欧美标准设计的铁路项目，通过本项目Suez桥梁桩基双层锚索反力法静载荷试验，寻求并改进了一种符合欧美标准的解决方案，验证了桩基设计的可行性，应用效果良好。该方法设计巧妙简单，操作灵活，无需大型吊装设备，且反力装置均可重复利用，技术经济合理，尤其在类似大型铁路项目中推广使用。