尼日利亚桩基静载试验中英标准差异性分析与力学计算

杨晨曦

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福州 350013)

尼日利亚桩基静载试验中英标准差异性分析与力学计算

杨晨曦

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福州 350013)

通过尼日利亚现代化铁路阿卡项目铁路桥梁桩基的竖向抗压静载试验实例，阐述桩基竖向抗压静载试验的反力系统——利用工程桩作为反力锚桩的受力分析和计算，介绍基于《British Standard Code of practice for Foundations》规定的双循环加卸载、终极荷载长时间维持的试验要点，分析钻(挖)孔灌注桩桩基竖向抗压静载试验的成果，对比中国与英国桥梁桩基静载试验方法的差异性，提出采用工程桩作为反力锚桩进行桩基静载试验时需要注意的事项。

桩基;静载试验;差异分析;力学计算

1 概述

阿卡铁路项目为Ⅰ级重型铁路设计标准，旅客列车最高行车速度150 km/h。全线共有铁路桥梁31座，累计长度约6.37 km，桥梁桩基采用冲孔灌注桩和人工挖孔桩2种形式。全线桩基均按嵌岩柱桩进行设计和施工，设计桩径1.25 m，桩端嵌岩深度不少于2 m，单桩设计承载力为3 000～4 500 kN。为了对施工后的工程桩进行验收检测和质量评价，分别选择4座铁路大桥的桥台桩基进行竖向抗压静载试验。在每座大桥的桥台桩基中指定1根抗压试验桩和2根抗拔反力桩。在4根抗压试验桩中，有3根为冲孔灌注桩，成桩直径为1.3 m，1根为人工挖孔桩，成桩直径为1.25 m(不含护壁厚度)，桩长7～26 m。静载试验基于《British Standard Code of practice for Foundations》规定的双循环加卸载、终极荷载长时间维持法。第一根桩基竖向抗压静载试验由尼日利亚HAYKAL桩基有限公司承担，后续3根试验桩均由中土集团公司完成整个静载试验工作。

2 静载试验计算

由于IIDK12+700处Jibi铁路大桥10号桥台是采用8根φ1.25 m的人工挖孔C35钢筋混凝土灌注桩作为基础，桩长9.8～10.9 m，纵向桩距3.7 m(中 -中)，桩身采用20根φ20 mm纵向钢筋与螺旋筋编制成钢筋笼，桩坑内土层及强风化岩层段采用C20素混凝土护壁，厚0.2 m。选取6号和8号挖孔桩作为7号竖向静载试验桩的反力桩，6号、7号和8号桩桩长分别为10.5、10.9 m和9.8 m，桩周、桩端地层分布情况见图1。根据中—活载分布、T梁梁型和桥台结构形式等，求得 Jibi大桥10号桥台单桩设计承载力 P=4 200 kN，根据《Nigerian Civil Engineering Construction Code》规定，经过现场咨询批准后，取试验终极荷载(即试验承载力)Pt=1.5×4 200=6 300 kN。

图1 Jibi大桥10号桥台6号至8号人工挖孔桩挖孔记录(单位:m)

2.1 试验桩轴向抗压容许承载力计算

根据C35钢筋混凝土灌注桩的桩身材料强度，求得单桩轴向抗压容许承载力［P1］=ηfcA=0.65×16.7×1 000×0.25×π×1.252=13 321 kN。根据岩土阻力按嵌入岩层内的灌注桩公式［1］计算7号桩的轴向抗压容许承载力［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］。为此，取7号桩的轴向抗压容许承载力［P］=［P1］=13 321 kN ＞Pt=6 300 kN(满足要求)。

2.2 反力桩抗拉强度计算

由于反力桩桩身纵向钢筋为20φ20 mm螺纹钢，其容许抗拉强度［F］=nfyAS=0.25πd2nfy=0.25×π×202×20×300/1 000=1 885 kN＜0.5Pt=0.5×6 300=3 150 kN(不满足)，即桩身纵向钢筋的设计容许抗拉力不足以抵抗反力，为此，不能将钢筋笼纵筋直接延长后与横梁连接进行张拉，桩身抗拉钢绞线不能仅设置在桩体上部位置与纵向钢筋连接，钢绞线必须延伸至桩底位置并呈包裹状与钢筋笼底部纵筋绑扎牢固，详见图2。反力桩桩身纵筋与混凝土之间的握裹力为:nπdLfb/K=20×π×20×9×2.4/1.4=19 388 kN＞0.5Pt=3 150 kN(满足要求)。桩身C35混凝土轴向抗拉设计强度为:0.25πD2ft=0.25×π×1 2502×1.57/1 000=1 926 kN ＜0.5Pt=3 150 kN(不满足)［2］，为此，静载试验时任何拉力均不能直接作用在桩身的素混凝土上，由于钢筋笼顶面以上桩身为素混凝土材料，桩顶素混凝土段必须位于锚索的自由段内，并采用PVC管与混凝土隔离，防止桩顶混凝土直接受拉开裂或破坏。

图2 抗拉钢绞线与桩身钢筋笼连接方法

2.3 反力桩桩底锚杆设计抗拉力计算

8号桩侧摩阻力 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号桩身自重 G8=πR2×L×γ=π×0.6252×9.8×25=300 kN，8号桩桩底锚杆抗拉力Nt=0.5Pt-(F8+G8)=0.5×6 300-(1 609+300)=1 241 kN＞1 155 kN。为此，取反力桩桩底砂浆锚杆的设计抗拉力Nt=1 241 kN。

2.4 反力桩桩底锚杆抗拔计算

由于桩底锚杆承受的设计抗拉力为Nt，需要设置n根 φ32 mm螺纹钢筋，钢筋的抗拉强度 fy=300 N/mm2，每根φ32 mm螺纹钢面积 AS=0.25πd2=804 mm2，锚杆临时抗拔安全系数 K取1.4，n=K·Nt/(fyAS)=1.4×1 241×1 000/(300×804)=7.2(取8根φ32 mm HRB335螺纹钢)，锚孔采用液压潜孔钻成孔，根据现场合金钻头规格选择孔径D=105 mm，M35水泥砂浆与孔壁的粘结强度 frb取1.2 MPa，锚杆与M35水泥砂浆间的粘结强度fb取2.4 MPa，则锚固长度Le1=K·Nt/(4πDfrb)=1.4×1 241/(4×π×105×1.2)=1.1 m(取 2 m 长)，Le2=K·Nt/(8πdζfb)=1.4×1 241/(8×π ×32×0.85×2.4)=1.1 m ＜2 m，即锚入桩底岩层内的锚固长度取2 m能够满足锚杆设计锚固力的要求［3］。锚杆锚入桩内的长度 La=αfydζ/ft=0.14×300×32×1.25/1.57=1 070 mm=1.1 m(取1.5 m)，即锚杆总长为2+1.5=3.5 m。

2.5 反力桩锚索拉拔计算

桩身预埋的锚索锚固段取桩长的一半进行计算，桩外预留3 m长钢绞线用于张拉时与横梁连接。锚索采用极限抗拉强度为1 860 MPa、由7根钢丝构成的φ15.2 mm钢绞线，截面积Ag=139 mm2，弹性模量Eg=1.95×105N/mm2，极限张拉荷载Pu=1 860×139/1 000=259 kN，锚索临时抗拉安全系数Fs1取1.6，抗拔安全系数Fs2取2.5，桩身C35混凝土与钢绞线间的粘结强度τu取2.95 MPa，则每桩所需钢绞线根数n=0.5Pt×Fs1/Pu=0.5×6 300×1.6/259=19.5(取20根 φ15.2 mm 钢绞线)。则锚索所需的最小锚固段长度:Lsa=0.5Pt×Fs2/(nπd×τu)=0.5×6 300×2.5/(20×π ×15.2×2.95)=2.8 m(取锚固段长度不小于3 m)。

2.6 反力桩钢绞线理论伸长量计算

6号桩桩长10.5 m，钢绞线自由段长度Lo=10.5/2+3=8.25 m，反力横梁总重G=129 kN，当张拉至设计荷载P时，锚索的理论伸长量ΔL6=［0.5(P-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(4 200-129)/20)×8.25×106/(139×1.95×105)=31 mm;当张拉至试验终极荷载Pt时，锚索的理论伸长量ΔL6'=［0.5(Pt-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(6 300-129)/20］×8.25×106/(139×1.95×105)=47 mm。

8号桩桩长9.8 m，钢绞线自由段长度Lo=9.8/2+3=7.9 m，当张拉至设计荷载P时，锚索的理论伸长量 ΔL8=［0.5(P-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5 ×(4 200-129)/20)×7.9×106/(139×1.95×105)=30 mm;当张拉至试验终极荷载Pt时，锚索的理论伸长量ΔL8'=［0.5(Pt-G)/n］·Lo/(AgEg)=［0.5×(6 300-129)/20］×7.9×106/(139×1.95×105)=45 mm。

千斤顶活塞伸长量=试验桩沉降量+锚索理论伸长量平均值+反力横梁向上弯曲矢距。

3 静载试验设计

3.1 反力桩桩底锚杆设计

阿卡项目铁路桥梁桩基竖向抗压静载试验采用与抗压试验桩相邻的2根工程桩配合横梁构成反力系统。当桩长过短桩周侧阻难以提供足够的抗拔力时，在反力桩的桩底增设8根φ32 mm螺纹钢作为砂浆锚杆予以加强，增加桩端锚固力、弥补反力桩抗拔力不足的矛盾，锚杆每束2根，点焊成束，共设4束，锚孔直径105 mm，锚孔内灌注M35水泥砂浆，锚杆长3.5 m，插入桩底地层2 m，锚入桩内1.5 m，锚孔呈正方形布置，孔距0.65 m，孔内每隔1 m设1对中支架，确保锚杆居中，反力桩桩底锚杆布置见图3。

情况二：如图7，将△ADB沿BD翻折，假设点A的对应点E在AC上，因为AD=CD,则点E与点C重合.因为△ADB≌△CDB，∠CBD=∠ABD=30°，即∠ABC=∠CBD+∠ABD=60°，又因为AB=BC，所以△ABC是等边三角形，所以∠ACB=60°.

图3 反力桩桩底锚杆布置(单位:m)

3.2 反力桩桩身钢绞线设计

反力桩桩身通长预埋20根φ15.2 mm钢绞线，每束5根，共4束，呈0.96 m×0.48 m矩形分布，长边平行线路方向。锚固段取桩长的一半，每束钢绞线呈喇叭状散开，锚固段底部钢绞线与桩身钢筋笼绑扎并均匀地分布在其内侧，自由段每根钢绞线各套1根PVC管，在PVC管底部用胶带扎紧，防止浆液漏进管内，PVC管管顶高于地面1 m，外留2 m长钢绞线便于张拉。

3.3 反力横梁设计

反力横梁采用3片9.0 m×1.05 m×0.25 m钢梁间隔拼装而成，两端分别与反力桩桩顶各20根φ15.2 mm的钢绞线相连，共采用8组OVM-5锚具、锚垫板和6根搭在反力横梁上的传力小梁构成整个反力系统，安装时采用1对预制混凝土圆柱托住横梁，见图4。

3.4 试验桩沉降测量设计

竖向抗压试验桩桩顶浇筑1.25 m×1.25 m C35混凝土桩帽，桩帽两侧各设1条基准梁，并与反力横梁呈正交布置，基准梁采用槽钢对焊制成，基准梁需足够长，刚度足够，一端固定、另一端简支在2个钢支墩上。支墩需远离地表土体扰动影响区域，并深入地面以下不少于1 m。试验桩桩帽两侧对称安置2个位移测量百分表［4］，测量精度优于或等于0.01 mm，桩帽、基准梁及百分表见图5。

图4 锚索、横梁、小梁和千斤顶构成反力系统

图5 桩帽、基准梁及百分表

3.5 双循环加卸载设计

施加荷载的设备为1台10 MN的液压千斤顶，荷载测定采用并联于千斤顶油路上的压力表，压力表精度优于或等于0.4级，根据千斤顶率定曲线换算荷载。静载试验基于《British Standard Code of practice for Foundations》规定的双循环加卸载、终极荷载长时间维持法。加卸载分级进行，每级加卸载量为设计荷载的25%，第一循环等量加载至设计荷载，维持6 h后开始等量卸载至零，加载每级持续30 min，卸载每级持续10 min，全部卸载后观测1 h。第一循环试验要求每30 min桩沉降不大于0.1 mm，加载至设计荷载维持6 h期间，总沉降量不得大于75 mm，1 h内沉降量不得大于0.25 mm，否则，维荷时间需延续至沉降差满足上述要求为止。第二循环自零开始直接加载至设计荷载，然后每小时加荷25%直到终极试验荷载为止。第二循环要求每30 min桩沉降不大于0.2 mm，终极试验荷载维持时间、总沉降量和1 h内沉降量要求同第一循环维持设计荷载期间的控制标准。见表1。

表1 桩基静载维持荷载与测读位移时间

4 静载试验结论

从桩基静载试验成果记录分析，第一循环加载至单桩轴向设计荷载后，持荷6 h，沉降量1.26 mm，第一循环卸载后残余沉降0.42 mm，净沉降0.84 mm;第二循环加载至终极试验荷载后，维荷6h，沉降量1.31 mm，第二循环卸载后残余沉降0.20 mm，净沉降1.11 mm。静载试验总沉降量远小于维持终极试验荷载期间75 mm的允许沉降量，也远小于10%桩径的沉降量限制，同时，也满足长时间维持设计荷载和终极试验荷载期间试验桩沉降速率小于每小时0.25 mm、反力桩累计上拔量小于100 mm的要求，而且，某级荷载作用下也没有出现反力桩桩顶上拔量大于前一级荷载作用下上拔量的5倍。为此，得出试验桩单桩轴向抗压容许承载力满足设计要求的试验结论。

5 中、英标准差异性分析

对工程桩抽样进行单桩竖向抗压静载试验时，国内《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)［5］(以下简称为“国标”)与英国《British Standard Code of prac-tice for Foundations》(BS8004—1986)［6］(以下简称为“英标”)在试验方法上大同小异，两者间异同点比较如下。

(1)国标规定桩基静载试验的加载量不应小于设计要求的单桩承载力特征值的2.0倍，而英标对此却没有严格的限制。

(2)国标要求采用锚桩横梁作为抗压试验的反力装置时，锚桩数量不应小于4根，而英标却允许采用2根反力锚桩。

(3)国标要求试桩加卸载采用单循环慢速维持荷载法，取设计荷载为100%，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，即采用40%、60%、80%、100%、120%、140%、160%、180%、200%递增的方式进行分级等量加载，以200%、160%、120%、80%、40%、0递减的方式进行分级等量卸载，而英标却要求试桩静载采用双循环加卸载、工作荷载和终极试验荷载长时间维持法进行试验，每级荷载增减量一般为桩基工作荷载的25%。

(4)国标和英标均要求采用维持荷载沉降相对稳定法，即当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载的规定。但是，国内外规范要求的相对稳定沉降速率却不一样，国标要求每小时内桩顶的沉降量不超过0.1 mm，并连续出现2次(从分级荷载施加后第30 min开始，按1.5 h连续3次每30 min的沉降观测值计算)，英标却通常把0.25 mm/h的沉降速率作为沉降稳定极限速率。

(5)国标和英标对测读桩顶沉降的时间间隔规定不一致。国标规定每级荷载施加后按第5、15、30、45、60 min测读桩顶沉降量，以后每隔30 min测读1次。卸载时每级荷载维持1 h，按第15、30、60 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载，全部卸载后维持3h，按第15、30 min测读桩顶残余沉降量，以后每30 min测读1次。英标对观测桩顶沉降的时间间隔要求见表1，两者间差异明显。

(6)国标和英标要求终止加载的条件不同。国标规定终止加载的条件为:桩顶累计沉降量超过80 mm、某级荷载作用下桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定标准、某级荷载作用下桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍，且桩顶总沉降量超过40 mm。而英标却规定终止加载的条件为:维持设计荷载和终极试验荷载期间，桩顶总沉降量达到75 mm/6 h，或者整个静载试验桩顶累计净沉降量达到桩径的10%。

桩基静载试验中英标准比较后得出如下结论:《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)要求的桩基竖向抗压静载试验比较严谨，限制条件较多，加载量较大，反力锚桩多，单循环加卸载，试验时间较长，过程复杂，试验费用较高;而采用《British Standard Code of practice for Foundations》(BS8004—1986)规范规定的桩基静载试验方法比较灵活宽松，随机性较大，加载量小，反力锚桩少，双循环加卸载，残余沉降量小，过程较简单，累计试验时间短，试验费用较低。

6 结语

(1)桩基静载试验的目的就是为了发现设计桩基在预估工作荷载作用下沉降的期望值。阿卡项目铁路桥梁桩基静载试验仅仅是对施工后的工程桩进行的验收检测，无论是轴向抗压静载试验桩还是反力锚桩，都是利用工程桩进行无损检测，不允许出现破坏现象。所以，本次属于鉴定性试桩，检验桩基的施工质量和容许承载力是否能满足设计要求。静载试验前的各种受力分析和理论计算显得尤为重要，不允许有任何的闪失和疏忽，否则，将造成工程桩损毁破坏，给工程本身造成较大的经济损失。

(2)锚桩提供反力是向上的拔力，通过反作用将拔力施加于试验桩上。由于锚桩和试验桩均为工程桩，两桩间距受桥台尺寸限制，距离往往较近。在本次的锚桩横梁桩基静载试验过程中，锚桩与试桩的间距(中—中)要求不少于3倍桩径，净距不小于2 m，而实际桩距仅为3.7 m略小于规范规定3×1.25 m=3.75 m，实际净距=3.7 m-1.25 m=2.45 m满足规范要求。锚桩抗拔作用对试验桩是否产生影响是必须密切关注的问题。锚桩与桩周土体间的侧摩阻力虽然前面已经计算了，但是，如果锚桩破坏面位于桩体外侧一定范围的土体内，那将出现桩体及其周围破坏面所包围的土体一起被整体拔出的破坏情景，这样的破坏形式将波及到试验桩，就会对试验结果产生影响，这值得深入思考。

(3)锚桩横梁静载试验中必须注意下列事项:确保千斤顶的合力中心与试验桩的桩轴重合，锚索合力对称分布在横梁两端，横梁中点应与千斤顶的反力点重合;锚桩上拔量采用水平仪观测，并与试验桩沉降量观测时间同步进行;当静载试验地昼夜温差较大时，应采用泡沫包裹两条基准梁防止温差过大造成基准梁挠曲、伸缩或变形，影响桩顶沉降量测量的准确度;浇筑试验桩桩帽混凝土时，不应使桩周土体受试验荷载的作用;在浇筑反力锚桩桩身混凝土时，预埋钢绞线自由段应分成4束呈矩形分布在反力锚桩的桩顶位置，套在钢绞线自由段上的PVC管严禁出现开裂、破损、漏浆现象，PVC管底部必须封严扎紧，防止钢绞线的张拉力直接传递给锚桩上部素混凝土来承受。

(4)我国桩基静载试验的成果一般都是在单循环加载条件下获得的［9-10］，阿卡铁路项目这次采用基于“英国BS8004标准”中的双循环加卸载法进行铁路桥梁大吨位桩基静载试验获得了圆满成功，为今后整个尼日利亚铁路现代化项目1 300 km铁路建设中的大吨位桥梁桩基静载试验积累了宝贵的实践经验和理论依据，其意义非常深远。

［1］ 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］ 中华人民共和国建设部.GB50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］ 中华人民共和国铁道部.TB10025—2006 铁路路基支挡结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［4］ 中华人民共和国铁道部.TB10218—2008 铁路工程基桩检测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［5］ 中华人民共和国建设部.JGJ106—2003 建筑基桩检测技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

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［9］ 李正祥.铁路桥梁工程单桩承载力测试的自平衡法［J］.铁道标准设计，2010(6):63-66.

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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

杨晨曦(1965—)，男，高级工程师，1991年毕业于同济大学，工学学士，E-mail:zyang319@sina.com。