铁路桥梁大直径预应力管桩单桩试验

杨 斌，马西章，王军东，侯宇飞，于广志

（1.中国铁路总公司工程管理中心，北京 100844；2.京沈铁路客运专线京冀有限公司，北京 101500；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；4.中铁上海工程局，上海 200436）

混凝土预应力管桩以其标准化生产、施工简易、施工周期短、对周围环境影响小、承载力高、经济性强，并且施工质量易于控制、绿色环保等优点，在铁路桥梁工程中有着广阔的应用前景［1-3］。目前常用的预应力管桩以外径为400 mm 和600 mm 为主，由于铁路桥梁荷载较大，铁路桥梁中所选管桩通常为直径超过600 mm 的大直径管桩［4］。虽然预应力管桩在普速铁路、高速铁路中已有初步探索和应用，但还未形成完善的理论系统，也无足够的实践应用和试验验证，尤其是大直径管桩的工程实践经验更少。因此本文进行大直径预应力管桩试桩试验来验证设计参数和施工工艺的可靠性。

1 工程背景及试验概况

1.1 工程背景

新建京雄城际铁路站前工程JXSG-5 标固霸特大桥起讫里程为 DK67+912.35—DK81+561.78（206#墩—621#台），桥梁长度为13.65 km。全桥共416 个桥墩，其中282#—411#墩、418#—420#墩桥梁基础设计为管桩，选用直径1 m、壁厚130 mm 的AB 型预应力高强度混凝土（Prestressed High-strength Concrete，PHC）管桩，桩长34～42 m。

1.2 试验场地及试验参数

选取固安制梁场试桩3 根、正线DK71+200 试桩6根、正线DK71+300试桩3根进行试桩试验。本文对正线DK71+200 的6 根试桩试验进行介绍。正线DK71+200场地地质情况见表1。

表1 DK71+200场地地质情况

正线 DK71+200 的 6 根桩均为 AB 型 PHC 管桩，均采用长0.6 m 的开口型桩靴，单桩竖向抗压承载力设计值Pd为5 000 kN，主力+附加力作用下单桩水平力设计值Hd为100 kN，单桩水平承载力容许值［H］为240 kN，其他试验参数见表2。

表2 DK71+200场地管桩试桩试验参数

1.3 试验检测内容

1）采用低应变反射波法检测桩身完整性。

2）采用高应变检测法检测预制桩竖向抗压承载力和桩身完整性；通过单桩竖向抗压静载试验与高应变承载能力检测法互相校核，为实际工程桩高应变法承载能力检测提供参考。

3）单桩竖向抗压静载试验。得到测试单桩抗压荷载-位移曲线及单桩极限抗压承载力。

4）单桩水平承载力试验。通过施加单桩桩顶自由时的单桩水平承载力，推定地基土抗力系数的比例系数，得到单桩水平荷载-位移曲线及单桩水平极限承载力。

5）桩头与承台的连接可靠性试验。

1.4 机械设备及制桩要求

主要机械设备有DD160柴油导杆锤、HHP20液压冲击锤、长螺旋钻机。根据设计文件要求，第1节桩长不小于15 m。管桩试桩配置如下：桩长42 m 分为3节，分别为 16，13，13 m；桩长 40 m 分为 3 节，分别为16，12，12 m。桩尖选用开口型桩尖，桩尖长度分别为0.6，1.0 m。

2 试桩检测结果

2.1 低应变反射波法桩身完整性检测结果

低应变反射波法又称锤击法，是以一维弹性杆应力波波动理论为基础的无损检测方法，适用于检测桩身完整性，判断桩身缺陷类型、位置及严重程度等。试验时在桩顶部位进行锤击（竖向激振），给桩一定的能量，产生一纵向弹性波，根据弹性波在桩身各部位的传播速度来判别桩身的完整性［5］。本场地3 根试桩（试桩4—试桩6）桩身完整性均为Ⅰ类桩。

2.2 高应变现场检测结果

高应变检测的原理是用重锤冲击桩顶，使桩土产生足够的相对位移，以充分激发桩周土阻力和桩端支承力，通过安装在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器接受桩的应力波信号，应用应力波理论分析处理力和加速度时程曲线，从而判定桩的承载力和评价桩身质量完整性。本场地试验采用16 t 锤检测，实测贯入度很低，发生拒锤现象，桩端及桩侧土的阻力在重锤作用下不能够充分激发。检测结果详见表3。

表3 DK71+200位置试桩高应变现场检测结果

2.3 单桩竖向抗压静载试验结果

单桩竖向抗压静载试验是模拟桩竖向受力的工作情况。将油压千斤顶放置在试桩顶部，采用支墩-压重平台及压重-千斤顶反力装置与静力载荷测试仪控制完成加荷观测。由千斤顶、油泵及压力传感器组成的加压系统对桩顶施加竖向荷载，用位移传感器（百分表）测定在荷载作用下随时间变化的试桩沉降。

2.3.1 试验方案

本次堆载法静荷载试验采用慢速维持荷载法。试验过程依据TB 10218—2008《铁路工程基桩检测技术规程》执行。所加配重不低于最大加载量的1.3倍。

1）试验加卸载方式。加载分级进行，逐级等量加载，分级荷载为设计承载力2 倍（即10 000 kN）的1/10，即每级1 000 kN，第1 级取分级荷载的2 倍。当加载至设计承载力2倍，未达到终止加载情况时，继续加载，直至达到终止加载条件为止。卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍。加卸载时应使荷载传递均匀、连续、无冲击，每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的±10%。

2）慢速维持荷载法试验步骤为：①每级荷载施加后按第5，15，30，45，60 min 测读桩顶沉降，以后每隔30 min 测读1 次。②每1 h 内的桩顶沉降不超过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），则表示所检测的桩沉降相对稳定。③当桩顶沉降速率达到相对稳定时，再施加下一级荷载。④卸载时，每级荷载维持1 h，按第15，30，60 min 测读桩顶沉降后，即可卸下一级荷载。卸载至0后，应测读桩顶残余沉降，维持时间为3 h，测读时间为15，30 min，以后每隔30 min测读1次。

3）终止加载条件为：当荷载-沉降曲线呈缓变型时，加载至桩顶总沉降超过50 mm。

2.3.2 试验结果

本场地进行了3 根试桩单桩竖向抗压试验，试桩的荷载-沉降曲线见图1。

由图1可知：3 根试桩的荷载-位移曲线均属于缓变型，未出现突然下降，因此取最大荷载附近桩顶沉降50 mm 时对应的荷载为单桩竖向抗压极限承载力。3根桩单桩竖向抗压极限承载力试验结果的极差均不超过平均值的30%时，取其平均值为单桩竖向抗压极限承载力统计值。检测结果详见表4。

图1 单桩竖向抗压荷载-位移曲线

表4 DK71+200位置试桩单桩竖向抗压静载试验结果

2.4 单桩水平承载力试验结果

本次单桩水平承载力试验采用慢速维持荷载法［6］。水平推力加载装置采用油压千斤顶，加载力大于最大试验荷载的1.3倍。水平推力的反力由相邻桩提供。

2.4.1 试验方案

1）试验加卸载方式、试验步骤与竖向抗压静载试验相同，水平分级加载时初级荷载200 kN，以后每级荷载取100 kN。

2）终止加载的条件：经与设计单位沟通，本试验中试验荷载达到设计值4倍时停止加载。因此试验荷载须达到4［H］=960 kN后停止加载。

3）当桩顶自由且水平力作用位置位于地面时，地基土水平抗力系数的比例系数m可按下列公式确定［7］。

式中：vy为桩顶水平位移系数，当h≥ 4.0 m 时（h为桩的入土深度），vy=2.441；H为作用于地面的水平力；s0为水平力作用点的水平位移；EI为桩身抗弯刚度；b0为桩身计算宽度，对于圆形桩，当桩径D≤1 m时，b0=0.9（1.5D+0.5），本试验为1.8 m。

2.4.2 试验结果

试桩的水平荷载-桩顶水平位移曲线见图2。

图2 单桩水平荷载-桩顶水平位移曲线

由图2可知：各桩的水平荷载-桩顶水平位移曲线均属于缓变型。参考JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》取设计桩顶标高处水平位移6 mm 时所对应荷载的0.75 倍作为单桩水平承载力特征值，取3 根试桩试验结果的平均值为单桩水平承载力平均特征值。检测结果详见表5。

表5 DK71+200位置试桩单桩水平承载力检测结果

3 根试桩的水平力、桩顶水平位移与地基土水平抗力系数的比例系数m的关系曲线见图3。

图3 m值随水平荷载、桩顶水平位移的变化曲线

由图3可知：m值与桩顶水平荷载、桩顶水平位移均呈非线性关系，且随水平荷载和桩顶水平位移的增大而减小；在水平荷载小于600 kN、水平位移小于15 mm 之前，m值随水平荷载及位移的增大急剧下降，之后曲线变化平缓，m值基本不再变化。

2.5 预应力管桩桩头与承台连接可靠性试验结果

2.5.1 试验方案

本场地进行了3 组（6 根）桩头与承台连接可靠性试验。6根桩在承台上的平面布置见图4，其中试桩2、试桩5为第1组；试桩1、试桩4为第2组；试桩3、试桩6为第3 组。每组试验采用锚具将2 根管桩水平固定，在2 根管桩上部承台之间采用水平千斤顶加载，采用百分表测试承台上部水平位移。图4（b）中所示距离见表6。

图4 桩头与承台连接可靠性试验

表6 图4（b）中所示距离 m

2.5.2 试验结果

第1 组试桩当荷载达到1 450 kN 时，试桩5 桩头与承台连接处断裂；第2 组试桩当荷载达到900 kN时，试桩4 桩头与承台连接处断裂；第3 组试桩当荷载达到900 kN 时，试桩3 桩头与承台连接处断裂。检测结果见表7；桩头与承台连接可靠性试验单桩水平荷载-位移曲线见图5。

由图5可知：3组试验中，每1组2根试桩在相同荷载下，第1 组的试桩5、第2 组的试桩4 和第3 组的试桩3 均比同组另一根试桩的水平位移大，且在500～600 kN 后均进入明显的非线性阶段，并最终首先破坏；而同组另1 根试桩（第1 组的试桩2、第2 组的试桩1 和第3 组的试桩6）则基本上始终处于线性阶段。这是由于后者较同组破坏的桩有相对较大的水平刚度，也是由于破坏桩较大的水平位移使两桩之间相互支承的水平千斤顶发生了刚体偏移，从而使试桩2、试桩1、试桩6水平位移减小。

表7 桩头与承台连接可靠性试验结果

图5 桩头与承台连接可靠性试验单桩水平荷载-位移曲线

3 结论及建议

本次试桩试验针对固霸特大桥完成了包括低应变反射波法桩身完整性检测、高应变检测法桩身完整性及竖向抗压承载力检测、单桩竖向抗压静载试验、单桩水平承载力试验和桩头与承台的连接可靠性试验，得到了单桩抗压荷载-沉降曲线及抗压极限承载力、单桩水平荷载-位移曲线及水平极限承载力、推定了地基土的抗力系数的比例系数，并得到了桩头与承台连接的破坏荷载。根据本次试验提出以下建议：

1）根据已完成的2 处试桩高应变检测，对管桩采用自由落锤法进行高应变检测，采用16 t 锤击实测贯入度很低，发生拒锤现象，桩端及桩侧土的阻力在重锤作用下不能够充分激发；采用30 t重锤低击，桩头均出现破损，后期桥梁管桩施工过程中若采用高应变检测使桩头破损，将会为施工带来极大不便，建议取消高应变检测。

2）有条件时，对重要结构可通过试桩确定m值。

3）桩头与承台连接可靠性试验中承台混凝土浇筑完28 d 后方可进行试验检测，建议在承台施工时留存同条件养护试块，试块强度达到设计强度后进行试验检测。