尼日利亞樁基靜載試驗中英標準差異性分析與力學計算

楊晨曦

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福州 350013)

尼日利亞樁基靜載試驗中英標準差異性分析與力學計算

楊晨曦

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福州 350013)

通過尼日利亞現代化鐵路阿卡項目鐵路橋梁樁基的豎向抗壓靜載試驗實例，闡述樁基豎向抗壓靜載試驗的反力系統——利用工程樁作為反力錨樁的受力分析和計算，介紹基于《British Standard Code of practice for Foundations》規定的雙循環加卸載、終極荷載長時間維持的試驗要點，分析鉆(挖)孔灌注樁樁基豎向抗壓靜載試驗的成果，對比中國與英國橋梁樁基靜載試驗方法的差異性，提出采用工程樁作為反力錨樁進行樁基靜載試驗時需要注意的事項。

樁基;靜載試驗;差異分析;力學計算

1 概述

阿卡鐵路項目為Ⅰ級重型鐵路設計標準，旅客列車最高行車速度150 km/h。全線共有鐵路橋梁31座，累計長度約6.37 km，橋梁樁基采用沖孔灌注樁和人工挖孔樁2種形式。全線樁基均按嵌巖柱樁進行設計和施工，設計樁徑1.25 m，樁端嵌巖深度不少于2 m，單樁設計承載力為3 000～4 500 kN。為了對施工后的工程樁進行驗收檢測和質量評價，分別選擇4座鐵路大橋的橋臺樁基進行豎向抗壓靜載試驗。在每座大橋的橋臺樁基中指定1根抗壓試驗樁和2根抗拔反力樁。在4根抗壓試驗樁中，有3根為沖孔灌注樁，成樁直徑為1.3 m，1根為人工挖孔樁，成樁直徑為1.25 m(不含護壁厚度)，樁長7～26 m。靜載試驗基于《British Standard Code of practice for Foundations》規定的雙循環加卸載、終極荷載長時間維持法。第一根樁基豎向抗壓靜載試驗由尼日利亞HAYKAL樁基有限公司承擔，后續3根試驗樁均由中土集團公司完成整個靜載試驗工作。

2 靜載試驗計算

由于IIDK12+700處Jibi鐵路大橋10號橋臺是采用8根φ1.25 m的人工挖孔C35鋼筋混凝土灌注樁作為基礎，樁長9.8～10.9 m，縱向樁距3.7 m(中 -中)，樁身采用20根φ20 mm縱向鋼筋與螺旋筋編制成鋼筋籠，樁坑內土層及強風化巖層段采用C20素混凝土護壁，厚0.2 m。選取6號和8號挖孔樁作為7號豎向靜載試驗樁的反力樁，6號、7號和8號樁樁長分別為10.5、10.9 m和9.8 m，樁周、樁端地層分布情況見圖1。根據中—活載分布、T梁梁型和橋臺結構形式等，求得 Jibi大橋10號橋臺單樁設計承載力 P=4 200 kN，根據《Nigerian Civil Engineering Construction Code》規定，經過現場咨詢批準后，取試驗終極荷載(即試驗承載力)Pt=1.5×4 200=6 300 kN。

圖1 Jibi大橋10號橋臺6號至8號人工挖孔樁挖孔記錄(單位:m)

2.1 試驗樁軸向抗壓容許承載力計算

根據C35鋼筋混凝土灌注樁的樁身材料強度，求得單樁軸向抗壓容許承載力［P1］=ηfcA=0.65×16.7×1 000×0.25×π×1.252=13 321 kN。根據巖土阻力按嵌入巖層內的灌注樁公式［1］計算7號樁的軸向抗壓容許承載力［P2］=R(C1A+C2Uh)=40×1 000×(0.4×0.25×π×1.252+0.03×π×1.25×3.9)=38 013 kN＞［P1］。為此，取7號樁的軸向抗壓容許承載力［P］=［P1］=13 321 kN ＞Pt=6 300 kN(滿足要求)。

2.2 反力樁抗拉強度計算

由于反力樁樁身縱向鋼筋為20φ20 mm螺紋鋼，其容許抗拉強度［F］=nfyAS=0.25πd2nfy=0.25×π×202×20×300/1 000=1 885 kN＜0.5Pt=0.5×6 300=3 150 kN(不滿足)，即樁身縱向鋼筋的設計容許抗拉力不足以抵抗反力，為此，不能將鋼筋籠縱筋直接延長后與橫梁連接進行張拉，樁身抗拉鋼絞線不能僅設置在樁體上部位置與縱向鋼筋連接，鋼絞線必須延伸至樁底位置并呈包裹狀與鋼筋籠底部縱筋綁扎牢固，詳見圖2。反力樁樁身縱筋與混凝土之間的握裹力為:nπdLfb/K=20×π×20×9×2.4/1.4=19 388 kN＞0.5Pt=3 150 kN(滿足要求)。樁身C35混凝土軸向抗拉設計強度為:0.25πD2ft=0.25×π×1 2502×1.57/1 000=1 926 kN ＜0.5Pt=3 150 kN(不滿足)［2］，為此，靜載試驗時任何拉力均不能直接作用在樁身的素混凝土上，由于鋼筋籠頂面以上樁身為素混凝土材料，樁頂素混凝土段必須位于錨索的自由段內，并采用PVC管與混凝土隔離，防止樁頂混凝土直接受拉開裂或破壞。

圖2 抗拉鋼絞線與樁身鋼筋籠連接方法

2.3 反力樁樁底錨桿設計抗拉力計算

8號樁側摩阻力 F8=0.3∑αilifi=0.3×π×［(1.25+2×0.2)×(3.3×60+3.0×120)+1.25×3.5×180］=1 609 kN，8號樁身自重 G8=πR2×L×γ=π×0.6252×9.8×25=300 kN，8號樁樁底錨桿抗拉力Nt=0.5Pt-(F8+G8)=0.5×6 300-(1 609+300)=1 241 kN＞1 155 kN。為此，取反力樁樁底砂漿錨桿的設計抗拉力Nt=1 241 kN。

2.4 反力樁樁底錨桿抗拔計算

由于樁底錨桿承受的設計抗拉力為Nt，需要設置n根 φ32 mm螺紋鋼筋，鋼筋的抗拉強度 fy=300 N/mm2，每根φ32 mm螺紋鋼面積 AS=0.25πd2=804 mm2，錨桿臨時抗拔安全系數 K取1.4，n=K·Nt/(fyAS)=1.4×1 241×1 000/(300×804)=7.2(取8根φ32 mm HRB335螺紋鋼)，錨孔采用液壓潛孔鉆成孔，根據現場合金鉆頭規格選擇孔徑D=105 mm，M35水泥砂漿與孔壁的粘結強度 frb取1.2 MPa，錨桿與M35水泥砂漿間的粘結強度fb取2.4 MPa，則錨固長度Le1=K·Nt/(4πDfrb)=1.4×1 241/(4×π×105×1.2)=1.1 m(取 2 m 長)，Le2=K·Nt/(8πdζfb)=1.4×1 241/(8×π ×32×0.85×2.4)=1.1 m ＜2 m，即錨入樁底巖層內的錨固長度取2 m能夠滿足錨桿設計錨固力的要求［3］。錨桿錨入樁內的長度 La=αfydζ/ft=0.14×300×32×1.25/1.57=1 070 mm=1.1 m(取1.5 m)，即錨桿總長為2+1.5=3.5 m。

2.5 反力樁錨索拉拔計算

樁身預埋的錨索錨固段取樁長的一半進行計算，樁外預留3 m長鋼絞線用于張拉時與橫梁連接。錨索采用極限抗拉強度為1 860 MPa、由7根鋼絲構成的φ15.2 mm鋼絞線，截面積Ag=139 mm2，彈性模量Eg=1.95×105N/mm2，極限張拉荷載Pu=1 860×139/1 000=259 kN，錨索臨時抗拉安全系數Fs1取1.6，抗拔安全系數Fs2取2.5，樁身C35混凝土與鋼絞線間的粘結強度τu取2.95 MPa，則每樁所需鋼絞線根數n=0.5Pt×Fs1/Pu=0.5×6 300×1.6/259=19.5(取20根 φ15.2 mm 鋼絞線)。則錨索所需的最小錨固段長度:Lsa=0.5Pt×Fs2/(nπd×τu)=0.5×6 300×2.5/(20×π ×15.2×2.95)=2.8 m(取錨固段長度不小于3 m)。

2.6 反力樁鋼絞線理論伸長量計算

6號樁樁長10.5 m，鋼絞線自由段長度Lo=10.5/2+3=8.25 m，反力橫梁總重G=129 kN，當張拉至設計荷載P時，錨索的理論伸長量ΔL6=［0.5(P-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(4 200-129)/20)×8.25×106/(139×1.95×105)=31 mm;當張拉至試驗終極荷載Pt時，錨索的理論伸長量ΔL6'=［0.5(Pt-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(6 300-129)/20］×8.25×106/(139×1.95×105)=47 mm。

8號樁樁長9.8 m，鋼絞線自由段長度Lo=9.8/2+3=7.9 m，當張拉至設計荷載P時，錨索的理論伸長量 ΔL8=［0.5(P-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5 ×(4 200-129)/20)×7.9×106/(139×1.95×105)=30 mm;當張拉至試驗終極荷載Pt時，錨索的理論伸長量ΔL8'=［0.5(Pt-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(6 300-129)/20］×7.9×106/(139×1.95×105)=45 mm。

千斤頂活塞伸長量=試驗樁沉降量+錨索理論伸長量平均值+反力橫梁向上彎曲矢距。

3 靜載試驗設計

3.1 反力樁樁底錨桿設計

阿卡項目鐵路橋梁樁基豎向抗壓靜載試驗采用與抗壓試驗樁相鄰的2根工程樁配合橫梁構成反力系統。當樁長過短樁周側阻難以提供足夠的抗拔力時，在反力樁的樁底增設8根φ32 mm螺紋鋼作為砂漿錨桿予以加強，增加樁端錨固力、彌補反力樁抗拔力不足的矛盾，錨桿每束2根，點焊成束，共設4束，錨孔直徑105 mm，錨孔內灌注M35水泥砂漿，錨桿長3.5 m，插入樁底地層2 m，錨入樁內1.5 m，錨孔呈正方形布置，孔距0.65 m，孔內每隔1 m設1對中支架，確保錨桿居中，反力樁樁底錨桿布置見圖3。

情況二：如圖7，將△ADB沿BD翻折，假設點A的對應點E在AC上，因為AD=CD,則點E與點C重合.因為△ADB≌△CDB，∠CBD=∠ABD=30°，即∠ABC=∠CBD+∠ABD=60°，又因為AB=BC，所以△ABC是等邊三角形，所以∠ACB=60°.

圖3 反力樁樁底錨桿布置(單位:m)

3.2 反力樁樁身鋼絞線設計

反力樁樁身通長預埋20根φ15.2 mm鋼絞線，每束5根，共4束，呈0.96 m×0.48 m矩形分布，長邊平行線路方向。錨固段取樁長的一半，每束鋼絞線呈喇叭狀散開，錨固段底部鋼絞線與樁身鋼筋籠綁扎并均勻地分布在其內側，自由段每根鋼絞線各套1根PVC管，在PVC管底部用膠帶扎緊，防止漿液漏進管內，PVC管管頂高于地面1 m，外留2 m長鋼絞線便于張拉。

3.3 反力橫梁設計

反力橫梁采用3片9.0 m×1.05 m×0.25 m鋼梁間隔拼裝而成，兩端分別與反力樁樁頂各20根φ15.2 mm的鋼絞線相連，共采用8組OVM-5錨具、錨墊板和6根搭在反力橫梁上的傳力小梁構成整個反力系統，安裝時采用1對預制混凝土圓柱托住橫梁，見圖4。

3.4 試驗樁沉降測量設計

豎向抗壓試驗樁樁頂澆筑1.25 m×1.25 m C35混凝土樁帽，樁帽兩側各設1條基準梁，并與反力橫梁呈正交布置，基準梁采用槽鋼對焊制成，基準梁需足夠長，剛度足夠，一端固定、另一端簡支在2個鋼支墩上。支墩需遠離地表土體擾動影響區域，并深入地面以下不少于1 m。試驗樁樁帽兩側對稱安置2個位移測量百分表［4］，測量精度優于或等于0.01 mm，樁帽、基準梁及百分表見圖5。

圖4 錨索、橫梁、小梁和千斤頂構成反力系統

圖5 樁帽、基準梁及百分表

3.5 雙循環加卸載設計

施加荷載的設備為1臺10 MN的液壓千斤頂，荷載測定采用并聯于千斤頂油路上的壓力表，壓力表精度優于或等于0.4級，根據千斤頂率定曲線換算荷載。靜載試驗基于《British Standard Code of practice for Foundations》規定的雙循環加卸載、終極荷載長時間維持法。加卸載分級進行，每級加卸載量為設計荷載的25%，第一循環等量加載至設計荷載，維持6 h后開始等量卸載至零，加載每級持續30 min，卸載每級持續10 min，全部卸載后觀測1 h。第一循環試驗要求每30 min樁沉降不大于0.1 mm，加載至設計荷載維持6 h期間，總沉降量不得大于75 mm，1 h內沉降量不得大于0.25 mm，否則，維荷時間需延續至沉降差滿足上述要求為止。第二循環自零開始直接加載至設計荷載，然后每小時加荷25%直到終極試驗荷載為止。第二循環要求每30 min樁沉降不大于0.2 mm，終極試驗荷載維持時間、總沉降量和1 h內沉降量要求同第一循環維持設計荷載期間的控制標準。見表1。

表1 樁基靜載維持荷載與測讀位移時間

4 靜載試驗結論

從樁基靜載試驗成果記錄分析，第一循環加載至單樁軸向設計荷載后，持荷6 h，沉降量1.26 mm，第一循環卸載后殘余沉降0.42 mm，凈沉降0.84 mm;第二循環加載至終極試驗荷載后，維荷6h，沉降量1.31 mm，第二循環卸載后殘余沉降0.20 mm，凈沉降1.11 mm。靜載試驗總沉降量遠小于維持終極試驗荷載期間75 mm的允許沉降量，也遠小于10%樁徑的沉降量限制，同時，也滿足長時間維持設計荷載和終極試驗荷載期間試驗樁沉降速率小于每小時0.25 mm、反力樁累計上拔量小于100 mm的要求，而且，某級荷載作用下也沒有出現反力樁樁頂上拔量大于前一級荷載作用下上拔量的5倍。為此，得出試驗樁單樁軸向抗壓容許承載力滿足設計要求的試驗結論。

5 中、英標準差異性分析

對工程樁抽樣進行單樁豎向抗壓靜載試驗時，國內《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106—2003)［5］(以下簡稱為“國標”)與英國《British Standard Code of prac-tice for Foundations》(BS8004—1986)［6］(以下簡稱為“英標”)在試驗方法上大同小異，兩者間異同點比較如下。

(1)國標規定樁基靜載試驗的加載量不應小于設計要求的單樁承載力特征值的2.0倍，而英標對此卻沒有嚴格的限制。

(2)國標要求采用錨樁橫梁作為抗壓試驗的反力裝置時，錨樁數量不應小于4根，而英標卻允許采用2根反力錨樁。

(3)國標要求試樁加卸載采用單循環慢速維持荷載法，取設計荷載為100%，每級卸載量取加載時分級荷載的2倍，即采用40%、60%、80%、100%、120%、140%、160%、180%、200%遞增的方式進行分級等量加載，以200%、160%、120%、80%、40%、0遞減的方式進行分級等量卸載，而英標卻要求試樁靜載采用雙循環加卸載、工作荷載和終極試驗荷載長時間維持法進行試驗，每級荷載增減量一般為樁基工作荷載的25%。

(4)國標和英標均要求采用維持荷載沉降相對穩定法，即當樁頂沉降速率達到相對穩定標準時，再施加下一級荷載的規定。但是，國內外規范要求的相對穩定沉降速率卻不一樣，國標要求每小時內樁頂的沉降量不超過0.1 mm，并連續出現2次(從分級荷載施加后第30 min開始，按1.5 h連續3次每30 min的沉降觀測值計算)，英標卻通常把0.25 mm/h的沉降速率作為沉降穩定極限速率。

(5)國標和英標對測讀樁頂沉降的時間間隔規定不一致。國標規定每級荷載施加后按第5、15、30、45、60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀1次。卸載時每級荷載維持1 h，按第15、30、60 min測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載，全部卸載后維持3h，按第15、30 min測讀樁頂殘余沉降量，以后每30 min測讀1次。英標對觀測樁頂沉降的時間間隔要求見表1，兩者間差異明顯。

(6)國標和英標要求終止加載的條件不同。國標規定終止加載的條件為:樁頂累計沉降量超過80 mm、某級荷載作用下樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經24 h尚未達到相對穩定標準、某級荷載作用下樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍，且樁頂總沉降量超過40 mm。而英標卻規定終止加載的條件為:維持設計荷載和終極試驗荷載期間，樁頂總沉降量達到75 mm/6 h，或者整個靜載試驗樁頂累計凈沉降量達到樁徑的10%。

樁基靜載試驗中英標準比較后得出如下結論:《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106—2003)要求的樁基豎向抗壓靜載試驗比較嚴謹，限制條件較多，加載量較大，反力錨樁多，單循環加卸載，試驗時間較長，過程復雜，試驗費用較高;而采用《British Standard Code of practice for Foundations》(BS8004—1986)規范規定的樁基靜載試驗方法比較靈活寬松，隨機性較大，加載量小，反力錨樁少，雙循環加卸載，殘余沉降量小，過程較簡單，累計試驗時間短，試驗費用較低。

6 結語

(1)樁基靜載試驗的目的就是為了發現設計樁基在預估工作荷載作用下沉降的期望值。阿卡項目鐵路橋梁樁基靜載試驗僅僅是對施工后的工程樁進行的驗收檢測，無論是軸向抗壓靜載試驗樁還是反力錨樁，都是利用工程樁進行無損檢測，不允許出現破壞現象。所以，本次屬于鑒定性試樁，檢驗樁基的施工質量和容許承載力是否能滿足設計要求。靜載試驗前的各種受力分析和理論計算顯得尤為重要，不允許有任何的閃失和疏忽，否則，將造成工程樁損毀破壞，給工程本身造成較大的經濟損失。

(2)錨樁提供反力是向上的拔力，通過反作用將拔力施加于試驗樁上。由于錨樁和試驗樁均為工程樁，兩樁間距受橋臺尺寸限制，距離往往較近。在本次的錨樁橫梁樁基靜載試驗過程中，錨樁與試樁的間距(中—中)要求不少于3倍樁徑，凈距不小于2 m，而實際樁距僅為3.7 m略小于規范規定3×1.25 m=3.75 m，實際凈距=3.7 m-1.25 m=2.45 m滿足規范要求。錨樁抗拔作用對試驗樁是否產生影響是必須密切關注的問題。錨樁與樁周土體間的側摩阻力雖然前面已經計算了，但是，如果錨樁破壞面位于樁體外側一定范圍的土體內，那將出現樁體及其周圍破壞面所包圍的土體一起被整體拔出的破壞情景，這樣的破壞形式將波及到試驗樁，就會對試驗結果產生影響，這值得深入思考。

(3)錨樁橫梁靜載試驗中必須注意下列事項:確保千斤頂的合力中心與試驗樁的樁軸重合，錨索合力對稱分布在橫梁兩端，橫梁中點應與千斤頂的反力點重合;錨樁上拔量采用水平儀觀測，并與試驗樁沉降量觀測時間同步進行;當靜載試驗地晝夜溫差較大時，應采用泡沫包裹兩條基準梁防止溫差過大造成基準梁撓曲、伸縮或變形，影響樁頂沉降量測量的準確度;澆筑試驗樁樁帽混凝土時，不應使樁周土體受試驗荷載的作用;在澆筑反力錨樁樁身混凝土時，預埋鋼絞線自由段應分成4束呈矩形分布在反力錨樁的樁頂位置，套在鋼絞線自由段上的PVC管嚴禁出現開裂、破損、漏漿現象，PVC管底部必須封嚴扎緊，防止鋼絞線的張拉力直接傳遞給錨樁上部素混凝土來承受。

(4)我國樁基靜載試驗的成果一般都是在單循環加載條件下獲得的［9-10］，阿卡鐵路項目這次采用基于“英國BS8004標準”中的雙循環加卸載法進行鐵路橋梁大噸位樁基靜載試驗獲得了圓滿成功，為今后整個尼日利亞鐵路現代化項目1 300 km鐵路建設中的大噸位橋梁樁基靜載試驗積累了寶貴的實踐經驗和理論依據，其意義非常深遠。

［1］ 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］ 中華人民共和國建設部.GB50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］ 中華人民共和國鐵道部.TB10025—2006 鐵路路基支擋結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［4］ 中華人民共和國鐵道部.TB10218—2008 鐵路工程基樁檢測技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［5］ 中華人民共和國建設部.JGJ106—2003 建筑基樁檢測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［6］ Civil Engineering and Building Structures Standards Committee.BS8004—1986 British Standard Code of Practice for Foundations［S］.England:Board of BSI，1986.

［7］ M.J Tomlinson/John Woodward.Pile Design and Construction Practice［M］.England:Spon press，2007.

［8］ Ascalew Abebe＆ Dr Ian GN Smith.Pile Foundation Design［M］.Edinburgh:Napier University，2008.

［9］ 李正祥.鐵路橋梁工程單樁承載力測試的自平衡法［J］.鐵道標準設計，2010(6):63-66.

［10］劉蘭英.東營黃河大橋超長樁基靜載試驗［J］.鐵道標準設計，2009(S1):97-99.

Difference Analysis and Mechanical Calculation of Test Standards between China and England for Static Load Test of Bridge Pile Foundation in the Nigeria

YANG Chen-xi
(CCECC Fuzhou Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Fuzhou 350013，China)

This paper is based on an example of vertical static load compression test of pile foundation of railway bridge on the Nigerian Railway named Modernization Project(Section one:Abuja-Kaduna).The paper expounds the stress analysis and calculation of the reaction force system of vertical static load compression test—the engineering pile functioning as the reaction force anchor pile.The paper also introduces the key points of the test in relation to two-cycle loading and unloading，also in relation to ultimate load for a long duration time，all based on the standard:British Standard Code of practice for Foundations.Moreover，the paper analyzes the result of vertical static load compression test for bored(or excavated)cast-in-place concrete pile;and makes a comparison and difference analysis on the test standards between China and England for vertical static load compression test of bridge pile foundation.Finally，the paper proposes the matters needing attention when the engineering pile is employed to function as the reaction force anchor pile for carrying out static load test of pile foundation.

pile foundation;static load test;difference analysis;mechanical calculation

U443.15

A

1004-2954(2013)09-0013-05

2012-12-29;

2013-03-10

楊晨曦(1965—)，男，高級工程師，1991年畢業于同濟大學，工學學士，E-mail:zyang319@sina.com。