盖挖地铁车站试验桩单桩承载力试验分析

杜建华,于全胜,沈红云

(1.石家庄铁路职业技术学院,石家庄 050041； 2.中铁隧道集团北京中铁隧建筑有限公司,北京 100022； 3.河北交通职业技术学院,石家庄 050035)

盖挖地铁车站试验桩单桩承载力试验分析

杜建华1,于全胜2,沈红云3

(1.石家庄铁路职业技术学院,石家庄 050041； 2.中铁隧道集团北京中铁隧建筑有限公司,北京 100022； 3.河北交通职业技术学院,石家庄 050035)

盖挖地铁车站设计桩顶往往低于自然地面较多,当受条件限制无法进行基坑开挖时,需在自然地面上进行单桩承载力试验。由于设计桩顶以上的无效土层会对试验桩产生较大的摩阻力,会导致试验数据不准确。研究盖挖地铁车站试验桩单桩承载力试验存在的无效土层摩阻力问题,提出结合消阻双护筒的试验桩制作方法,并对试验桩单桩承载力进行试验分析。试验结果表明：单桩承载力可满足设计要求,双护筒可较好地解决试验桩无效土层的桩侧摩阻力消除问题,保证试验数据准确可靠。

单桩极限承载力；单桩承载力特征值；试验桩；单桩承载力试验；桩侧摩阻力

单桩承载力的准确测试，对于各类建筑物基础乃至上部结构的设计都起着举足轻重的作用。长期以来，国内外确定单桩承载力的方法很多，总的可分为两大类：第一类是对工程现场试桩进行静载荷试验，加载方法主要有堆载法和锚桩法；第二类是通过其他手段，分别得出桩端阻力和桩身的侧阻力后计算求得，如自平衡法[1]。无论是传统的堆载法、锚桩法还是自平衡法，一般都是在全部桩周土发挥作用的情况下进行单桩承载力试验。地铁盖挖车站往往设在城市繁华地带，试桩场地往往受到各种条件限制，不具备大范围开挖条件，试验加载需在地面完成。由于试桩设计桩顶高程远低于自然地坪高程，二者之间存在较大的高差，如果直接在地面加载将导致试验数据产生较大误差，导致试验结果不准确。

石家庄地铁1号线人民广场站为盖挖车站，设计2组试桩(各3根)，编号分别为试桩1、试桩2。试桩1设计桩顶高程为52.02 m，较场地自然地坪70.61 m低约18.59 m，设计单桩竖向抗压极限承载力标准值为23 629 kN；试桩2设计桩顶高程为44.93 m，较场地自然地坪70.47 m低约25.54 m，设计单桩竖向抗压极限承载力标准值为29 498 kN，设计桩径均为1 800 mm，试桩设计如图1所示。设计单位未对此种情况下如何进行单桩承载力试验做具体说明，若进行单桩承载力试验，则必须消除设计桩顶高程以上的土体对桩的摩阻力；并且在试验加载时，能够准确测得设计桩顶高程位置桩的真实沉降量。经过分析研究，最终采用结合消阻双护筒的方法，顺利地完成了单桩承载力试验。针对此类需要消除部分桩侧摩阻力试验桩的单桩承载力试验方法进行研究，以期对类似的单桩承载力试验提供参考和借鉴。

图1 试桩1、试桩2立面示意(单位：高程为m，其余mm)

1 试验方法选择对比

1.1 自平衡法

自平衡法是一种相对较新的试验方法，具有省力、省时、不受场地条件和加载吨位限制的优点[2-5]。但是自平衡试桩法理论与实际工程上存在较大的差异，平衡的确定原则以及摩擦阻力转换系数的取值有一定的经验性，需要在较多的实践下才能准确取值，试验数据的准确性不易保证，难以满足地铁车站中间柱下桩的试验数据准确。且荷载箱为一次性投入器件，需投入一定量的成本。

1.2 静载试验法——堆载法

静载试验中的堆载法试验时间长，试验成本高，存在鼓凸倒塌的安全风险，加载时桩周土易受到扰动，影响试验结果的准确性，并且最大加载量有限，难以满足地铁车站中间柱下桩约35 000 kN的加载要求。

1.3 静载试验法——锚桩法

静载试验中的锚桩法具有安装快捷、节约成本明显、安全可靠的特点，特别适用于大吨位试桩。只要锚桩距离试验桩满足一定的要求，就可以忽略桩周土的扰动，试验结果能较真实反映工程桩的受力状态。

2 双护筒减摩原理及沉降观测系统

双护筒方法减除无效摩阻的原理是：施工时分别设置内外护筒，内外护筒之间空置或填充无剪力介质，被护筒隔开的桩体部分不再承受土的摩阻效应，但仍可传递桩顶荷载，如此可将原本在地下的试验移至地面，大大降低了试验难度，避免了深基坑开挖[6-9]。试验加载时内外护筒能自动分离，内外护筒之间的消阻轮传递的摩阻力可以忽略不计，从物理上减除了设计桩顶高程以上土层的无效摩阻力，避免了人为依据经验减除无效荷载带来的误差，提高了试验结果的可靠性，也降低了锚桩的无效反力，提高了锚桩的工作效率。双护筒减摩及锚桩反力装置的组成如图2所示。

图2 双护筒减摩及锚桩反力装置组成示意(单位：mm)

为最大限度模拟设计工程桩工况，观测系统设置在桩顶位置。为准确监控锚桩及试桩在加载过程对地面沉降观测基准的影响，加载过程中，对地面基准的变化采用高精度水准仪分级复测。为消除上部减摩部分桩身压缩量对沉降的影响，利用位移杆将桩身沉降观测基准自设计桩顶高程处引出至地表。桩身设置钢筋计，通过实测钢筋应力可以得到桩身轴力分布。

3 双护筒减摩实现关键技术

3.1 消阻双护筒结构

双护筒需要解决内外护筒之间的防水问题、内外护筒之间的摩阻消除问题。根据本工程研发的双护筒结构如图3和图4所示。主要构件由内护筒和外护筒组成，外护筒同轴套于内护筒的外侧，并且内护筒两端从外护筒两端伸出一定的长度(不小于500 mm)。内外护筒之间的摩阻力关键靠设置于内外护筒之间的限位消阻轮消除。外护筒的上端口和内护筒之间通过固定件连接固定，试验加载前固定件可以使用气割快速解除。外护筒的下端口焊接内环板(内环板外径与外护筒外径相同)，内环板和和内护筒之间留有间隙，内环板下方设置外环板，外环板焊接在内护筒外壁上，在内环板和外环板之间设置密封条，保证混凝土不进入内、外护筒之间的空隙，并能保证在试验加载时内、外护筒可顺利分离[10]。

图3 消阻护筒主视结构示意

图4 消阻护筒部分放大示意

3.2 结合消阻双护筒结构的试验桩制作方法

试验桩最短的护筒长约19 m，最长的护筒长约26 m。内外护筒的地面套装存在较大的安全隐患且难以实现。经反复研究，确定了内外护筒地下套装、地面安装止水装置的试验桩制作方法[11]。其具体步骤为：①分别加工内护筒和外护筒，内护筒上安装限位消阻轮，外护筒底部焊接内环板；②自地面第一次钻孔，钻至设计桩顶高程，钻孔孔径比外护筒外径略大；③将外护筒吊放至孔底；④自桩顶高程第二次钻孔，孔深不小于500 mm，孔径比内护筒外径略大；⑤将内护筒吊入第二次钻孔孔底，外护筒的上端口和内护筒之间通过固定件连接固定；⑥将内外护筒整体吊出孔外，焊接内护筒外环板，安装止水条和泡沫板；⑦内外护筒整体吊入孔内，继续钻孔(第三次钻孔)，孔深至设计桩底高程，孔径为设计桩径，放入钢筋笼，浇筑水下混凝土，成桩养护；⑧解除外护筒的上端口和内护筒之间的固定件，试验加载，内外护筒自动分离，限位消阻轮摩擦力可以忽略，设计桩顶高程以上土体消除，如图5所示。需要说明，钻孔过程一般均需泥浆护壁保证孔壁稳定。

图5 试验加载摩阻消除

4 单桩承载力试验

4.1 加载和卸载观测方法

静载试验加卸载依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2014)对于竖向抗压载荷试验的相关条文规定，同时考虑了本工程试桩的具体设计要求。

(1)试验采用慢速维持荷载法，加载过程采用分级进行，逐级等量加载；分级荷载预设为预估极限承载力的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍，加载直至符合终止条件。卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。加、卸载时应保证荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过该级增减量的±10%。

试验慢速维持荷载法试验步骤按规范规定进行。

(2)终止条件

当试桩出现下列情况之一时，可终止加载。

①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(注：当桩顶沉降能稳定且总沉降量小于40 mm时，宜加载至桩顶总沉降量超过40 mm)。

②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尚未达到稳定标准。

③已达反力装置(锚桩)极限。

④当荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量达到60～80 mm；在特殊情况下，可根据具体要求加载至桩顶累计沉降量超过80 mm。

(3)单桩竖向极限承载力的确定

单桩竖向极限承载力按《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2014)确定。本试桩设计要求承载力特征值时沉降≤20 mm，按照2倍特征值评价极限承载力对应的沉降，则应满足≤40 mm，故对于缓变型Q-S曲线极限承载力的取值按不超过40 mm控制。当按上述判定桩的竖向抗压承载力未达到极限时，桩的竖向抗压极限承载力应取最大试验荷载值。

单桩竖向抗压极限承载力统计值的确定及单桩竖向抗压承载力特征值按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2014)确定。

4.2 试验数据

(1)试桩1

试桩1所包含的3根试桩的试验过程概况见表1。

表1 试桩1试验过程概况

试桩1-1桩长26 m，单桩静载试验汇总如表2所示，试桩1-1的Q-S曲线、S-lgt曲线及S-lgQ曲线见图6～图8。试桩1-2、1-3的静载试验汇总及试验曲线略。

表2 试桩1-1单桩竖向静载试验汇总

图6 试桩1-1的Q-S曲线

图7 试桩1-1的S-lgt曲线

图8 试桩1-1的S-lgQ曲线

(2)试桩2

试桩2所包含的3根试桩的试验过程概况见表3。试桩2-1、试桩2-2、试桩2-3的静载试验汇总及试验曲线略。

表3 试桩2试验过程概况

4.3 承载力分析

试桩1、试桩2两组试桩获得的Q-S曲线均呈缓变状态，故按相对沉降确定单桩极限承载力。设计要求加载至承载力特征值时沉降量≤20 mm；根据承载力特征值与极限值的量值关系，加载至单桩承载力极限值(2倍特征值)时，其沉降量也按2倍设计沉降量控制，故可按40 mm沉降量取定单桩竖向抗压承载力极限值。

据此取定试桩1，3根试桩极限承载力分别为：试桩1-1，23 629 kN；试桩1-2，23 629 kN；试桩1-3，23 629 kN。3根桩竖向抗压极限承载力平均值为23 629 kN，极差与均值的比值为0%，满足检测规范规定[12-14]，故本组试桩单桩竖向抗压极限承载力统计值可取为23 629 kN，相应的单桩竖向抗压承载力特征值取极限值的一半，为11 815 kN。

取定试桩2，3根试桩极限承载力分别为：试桩2-1，32 448 kN；试桩2-2，35 398 kN；试桩2-3，35 398 kN。3根桩竖向抗压极限承载力平均值为34 414 kN，极差与均值的比值为9%，满足检测规范规定，故本组试桩单桩竖向抗压极限承载力统计值可取为34 414 kN，相应的单桩竖向抗压承载力特征值取极限值的一半，为17 207 kN。

试桩1承载力特征值对应的沉降值见表4。试桩2承载力特征值对应的沉降值见表5。

表4 试桩1承载力特征值及对应的沉降值

表5 试桩2承载力特征值及对应的沉降值

4.4 双护筒消阻功能判断

双护筒结构自身具备消阻功能和内外护筒加载自动分离功能。只要保证试桩混凝土浇筑时，无水泥浆流入内外护筒之间，就可保证消阻功能实现。即便是限位消阻轮与外护筒接触，消阻轮与外护筒之间的摩擦力很小，可以忽略不计。为了检验消阻效果，现场采取以下措施：(1)在内外护筒之间的空隙内放入测绳和带光源的高清摄像头检查内外护筒之间的空隙内有无水泥浆液流入；(2)加载时观测外护筒顶部沉降和试桩顶部沉降，比较二者相对沉降值；(3)加载时将高清摄像头放至外护筒底部，检查内外护筒的分离情况。现场检查发现，内外护筒之间的空隙内无水和水泥浆，止水条清晰可见；加载时外护筒顶部与试桩顶部的沉降差随着荷载的增加不断增大，外护筒顶部与周围地表无相对沉降；通过高清摄像头发现加载时内外护筒底部的止水装置逐渐分离。检查结果表明：内外护筒止水装置止水效果可靠，加载时内外护筒可自动分离，无效土层的摩阻力自动消除，试验得到的数据真实准确。

4.5 试验结论

试桩1设计单桩竖向抗压极限承载力标准值为23 629 kN，实测单桩竖向抗压极限承载力统计值为23 629 kN。按照设计允许沉降20 mm评定，承载力特征值取11 815 kN时，沉降量为4.83 mm，符合设计要求。

试桩2设计单桩竖向抗压极限承载力标准值为29 498 kN，实测单桩竖向抗压极限承载力统计值为34 414 kN。按照设计允许沉降20 mm评定，承载力特征值取17 207 kN时，沉降量为3.52 mm，符合设计要求。

5 结论

试验过程中，通过测绳测量、高清摄像头探查、比较外护筒与试验桩顶、周围地表的沉降差，证明双护筒具有良好的消阻功能、止水功能和加载自动分离功能。设计桩顶高程以上土层对桩的摩阻力完全消除，试验数据真实、准确地反映了试桩的承载力。

试验表明：(1)试桩单桩承载力特征值和极限值以及相对应的位移值均符合设计要求，达到了试验的目的；(2)结合消阻双护筒的试验桩试验方法可完全消除无效土层摩阻力影响，保证试验数据准确和成桩质量；(3)结合双护筒的试验桩制作方法，可保证施工安全、施工可操作性和内外护筒快速分离。(4)结合消阻双护筒的试验桩试验方法，除了可准确测得单桩承载力外，还可准确测得桩身轴力分布、桩身摩阻分布、桩端阻力分布等，具有一定的推广应用价值。

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Experimental Study on Bearing Capacity Test of Single Pile in Subway Station Constructed by Covered Top-down Excavation

DU Jian-hua1, YU Quan-sheng2, SHEN Hong-yun3

(1. Shijiazhuang Institute of Railway Technology, Shijiazhuang 050041, China; 2. China Railway Tunnel Group, Beijing CTG Construction Co., Ltd., Beijing 100022, China; 3. Hebei Jiaotong Vocational and Technical College, Shijiazhuang 050035, China)

The designed pile top in the cover excavation subway station is usually lower than the natural ground. When the foundation pit excavation is restricted by conditions, the bearing capacity of the single pile must be tested on the natural ground. The invalid soil layer above the designed top may generate greater friction resistance to the test pile, which leads to inaccurate test data. This paper studies the problem of invalid soil friction in the test of bearing capacity of single pile, puts forward the method for making test pile combined with the double steel casing, and analyzes the bearing capacity of the single pile. The test results show that the bearing capacity of the single pile meets the design requirement and the double steel casing can better solve the problem of the pile side friction resistance of the invalid soil layer, which ensures the accuracy and reliability of the test data.

Ultimate bearing capacity of the single pile; Characteristic value of single pile bearing capacity; Test pile; Test of single pile bearing capacity; Side friction resistance of pile

1004-2954(2018)01-0113-06

2017-03-15；

2017-04-11

河北省重点研发计划项目(16275429)；中铁隧道集团有限公司科技创新计划(2013-16)

杜建华(1979—)，男，副教授，2005年毕业于华南理工大学结构工程专业，工学硕士，E-mail：sirtdjh@163.com。

TU473.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703150002