基樁自平衡靜載試驗技術在高鐵建設中的應用

宋卓煒

中鐵三局集團建筑安裝工程有限公司 山西 太原 030000

基樁自平衡靜載試驗技術是在樁身中預埋荷載箱，通過油泵對荷載箱加壓測得荷載箱上下樁的位移變化，換算基樁樁端及樁測阻力，檢測基樁承載力的方法。自平衡靜載試驗技術是利用樁身自重、樁側阻力及樁端阻力互相提供反力的靜荷載試驗方法[1]。

1 基樁自平衡靜載試驗技術的原理及發展

1.1 自平衡靜載試驗原理

自平衡靜載試驗是通過在樁身中部或下部放置荷載箱并連接施壓油管，樁身埋設位移測量裝置，待砼養護到標準齡期后，通過高壓油泵給中部或下部荷載箱加壓，荷載箱上部樁獲得向上的力，荷載箱下部樁獲得向下的力，使樁的側摩阻力和端阻力互為反力，分別得到上部樁和下部樁的荷載-位移曲線即 Q-s曲線，等效轉換疊加后得到樁頂等效荷載和樁頂等效位移曲線。

圖1 工作原理圖

1.2 自平衡靜載試驗技術的發展

自平衡靜載試驗技術的概念最早在1969年被日本的中山和藤關所提出，用樁側阻力作為樁端阻力的反力測試樁承載力，稱為樁端加載試樁法[2]。之后美國學者OSTERBERG于1989年首先采用自平衡靜載試驗技術對單樁承載力進行了測試，而后在歐洲及日本等國得到廣泛應用。國內的應用最早由清華大學李廣信教授引入國內，后由東南大學龔維明團隊將自平衡靜載試驗技術在國內推廣與應用，并制定相關的規范[3]。

2 基樁自平衡靜載試驗技術在高鐵建設中的應用

2.1 工程概況

本文以新建西安至十堰高速鐵路西安東站站房項目及相關工程為背景。項目位于陜西省西安市東南側，緊鄰白鹿原西側南北向布置。站房形式為側式站房及上跨站場的高架候車室站房，站房主體面積99998㎡?？傄幠?3臺27線，自西向東分別為：西渝高速場（5臺9線），西十高速場（4臺8線），西康普速場（4臺10線）。本工程基礎采用承臺樁基礎，樁基施工方法采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁徑分別0.8m、1m，有效樁長20m～60m，本工程鉆孔灌注樁共計2980根，本工程試樁在場地范圍內設置試樁共17根。

2.2 本工程特殊地質

（1）人工填土，主要分布于工程范圍內既有村莊房屋和道路處表層，厚0.5～5m，雜色，主要為素填土為主，局部見有生活垃圾、建筑垃圾等，巖芯呈散狀，硬塑為主，Ⅱ級普通土。

（2）黏質黃土，場地范圍內廣泛分布有黏質黃土，根據本次勘察以及區域資料綜合分析，以Ⅱ級自重濕陷性為主，濕陷土層厚度為8～16.5m；左側黃土塬以Ⅲ級自重濕陷性為主，濕陷土層厚度為15～20m。

2.3 基樁自平衡靜載試驗技術與堆載法和錨樁法的比較

與堆載法和錨樁法相比，自平衡法是一種安全性高、占用場地較小、宜安裝、試驗成本較低效率較高的基樁承載力試驗方法。傳統的堆載法和錨樁法安全性差、場地要求高、堆載工作量大，檢測周期長。以新建西安至十堰高速鐵路西安東站站房項目工程實例來比較自平衡靜載試驗技術的優勢（參見表1、圖2）。

表1 四類基樁承載力檢測方法比較

表2 平衡點及荷載箱參數表

圖2 靜載試驗：堆載、錨樁、自平衡對比示意圖

圖3 荷載箱與鋼筋籠焊接示意圖

圖4 自平衡檢測流程示意圖

圖5 SZ3類型樁（40m） Q-s 曲線與 s-lgt 曲線

圖6 SZ5類型樁（60m）Q-s 曲線與 s-lgt 曲線

2.4 基樁承載力試驗方法的選擇

根據工程地質勘察，及現場施工進度，試樁承載力檢測剛好在西安雨季，濕陷性黃土對堆載法、錨樁法、錨樁法+堆載法、產生不利安全風險，試驗地基遇水會產生沉降。

根據以上方案的比選，自平衡檢測法能最快地完成試樁單樁豎向靜載試驗，確定試樁單樁豎向承載力特征值，為設計提供單樁豎向承載力極限值。

2.5 基樁自平衡靜載試驗技術的應用

（1）平衡點的計算及加載設備

平衡點為基樁上段樁樁身自重及極限樁側摩阻力之和與下段樁極限樁側摩阻力及極限樁端阻力之和基本相等的位置[4]。通過平衡點的計算，來設置荷載箱在樁身中的埋設位置。

2.6 荷載箱的焊接

現場施工人員依據荷載箱與鋼筋籠連接設計圖進行焊接（參見圖2）。

（1）位置

荷載箱在鋼筋籠中的位置（標高或到樁端距離）按底板上緣（荷載箱張開處）確定。荷載箱與鋼筋籠焊接時，應放于鋼筋籠（樁身）中心處，其位移方向與樁身軸線方向的夾角≤1°。

（2）主筋

上段鋼筋籠的主筋與荷載箱頂板牢固焊接在一起，下段鋼筋籠的主筋與荷載箱底板牢固焊接在一起，焊縫應雙面滿焊，以避免施工過程中荷載箱脫落。

鋼筋籠主筋應在荷載箱底板上緣（荷載箱張開處）全部斷開。當吊裝時荷載箱下段鋼筋籠較長時，此工序可在下籠時完成。

荷載箱頂板和底板主筋焊接處應增設L型加強筋，數量宜同主筋。

若設計樁頂標高以上有較長的空樁頭段，鋼筋籠可加工成半籠，將護套管（聲測管）及測試纜線引出至地面（測試平臺）。

（3）導向鋼筋（喇叭筋）

喇叭狀的導向鋼筋可保證灌注混凝土時導管能順利通過荷載箱，同時加強荷載箱與鋼筋籠的連接。

導向鋼筋宜采用圓鋼，其數量和直徑同主筋；無圓鋼時也可采用螺紋鋼筋。

導向鋼筋的一端與主筋雙面滿焊，一端與荷載箱內圓鋼板圍焊；導向鋼筋與荷載箱平面夾角宜為65±5°。

（4）箍筋

荷載箱上、下3m范圍內箍筋應加密，間距100mm。

2.7 聲測管、護套管、位移桿與注漿管

聲測管、注漿管、護套管直接與荷載箱處預留的接頭滿焊即可。當采用位移桿時，護套管可采用聲測管鋼管，其內徑不應小于40mm，壁厚不宜小于3mm，宜采用套筒連接；位移桿宜采用小鋼管，外徑不應小于20mm，壁厚不宜小于2.5mm，采用絲扣連接；宜在位移桿上間隔4～8m設置居中構造，減小位移桿與護套管的摩擦。也可采用其他可靠的位移桿及護套管。若設計樁頂標高以上有較長的空樁頭段，可配合主筋加工半籠引出至地面（測試平臺）。

2.8 下籠及灌注混凝土

下籠時嚴禁彎折、扭轉高壓油管，高壓油管沿鋼筋籠內壁向上平順引出，每隔2m綁扎一道。下籠過程中注意護套管連接的密閉性，應注水檢查，以保證灌注混凝土時水泥漿液不會引起堵管。若荷載箱處主筋未斷開，則當荷載箱下放至孔口附近時進行主筋切割，將其全部斷開。

當灌注的混凝土頂面在荷載箱上、下2.5m范圍內時，應放慢導管提升速度；當混凝土頂面超過荷載箱2.5m以上時，導管方可拔過荷載箱。荷載箱處宜采用工作性好的混凝土，坍落度宜為200mm以上。

2.9 試驗準備與相關測試

場地平整，通水通電（220V及380V）。搭設基準樁，架設基準梁，搭設試驗棚。基準梁采用I32以上工字鋼架設雙梁，長度≥6D且≥8m；基準樁采用短工字鋼，打入土中深度≥1m；試驗棚要防風、防雨，可采用腳手架鋼管外罩防雨布搭設。

自平衡靜載試驗前，應按設計或相關規范要求進行成孔檢測、樁身完整性聲波透射法檢測、混凝土試塊強度及彈性模量檢測等。

進行樁身完整性聲波透射法檢測時，荷載箱部位可能會有異常，但不應直接判為缺陷，而應注明為自平衡靜載試驗荷載箱。自平衡靜載試驗相當于對該區域的樁身質量進行檢驗，若靜載試驗前幾級無異常，表明樁身質量無異常。試驗應避開惡劣天氣，試樁周圍10m范圍內不得有較大的振動干擾測試。

2.10 數據分析與判定及試驗成果匯總

（1）數據分析與判定[5]

受檢樁極限承載力按下式計算：

抗壓（單荷載箱）

式中：Qu——單樁豎向承載力極限值（kN）；

Quu——上段樁的極限加載值（kN）；

Qud——下段樁的極限加載值（kN）；

W——荷載箱上段樁的自重與附加重量之和（kN），附加重量應包括設計樁頂以上超灌高度的重量、空樁段泥漿或回填砂、土自重，地下水位以下應取浮重度計算；

γ1——受檢樁的抗壓摩阻力轉換系數，宜根據實際情況通過相近條件的比對試驗和地區經驗確定。當無可靠比對試驗資料和地區經驗時，γ1可取0.8～1.0，長樁及黏性土取大值，短樁或砂土取小值。

（2）試驗成果匯總（列舉2類型樁）

3 結論

（1）本文以西安東站站房工程實例為背景，應用自平衡檢測技術對工程試樁單樁極限承載力進行檢測，結果表明基樁自平衡靜載試驗技術在實際操作中便捷可靠、省時、省力，檢測成本低，節約成本。具有較高的工程實用價值，值得推廣。

（2）在實際應用中，自平衡靜載試驗技術的關鍵為平衡點的計算，平衡點的計算比較復雜，需參照地質條件，計算過程還需考慮誤差，平衡點的計算及影響因素值得深入研究[6]。

（3）目前基樁自平衡靜載試驗技術在房建和市政項目中應用較多，在高鐵建設中應用較少，也無相關的鐵路標準規范，西安東站只針對試樁做了自平衡靜載試驗技術的應用，技術經濟效果顯著，值得推廣。