既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗(yàn)方法

張拯淵

（中鐵二局集團(tuán)有限公司 京原鐵路電化工程指揮部，北京 102400）

0 引言

電氣化鐵路能大幅度提高運(yùn)輸能力、降低運(yùn)輸成本，更安全可靠并有利于環(huán)境保護(hù)，成為現(xiàn)代鐵路的主流類型，許多非電氣化鐵路近年來也相繼完成了電氣化升級改造，配套的聲屏障一般為灌注樁基，須檢測、判定其極限承載能力。

京原鐵路是山區(qū)鐵路，目前正進(jìn)行電氣化升級改造，根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)條例》中“以新帶老”要求，即“改建、擴(kuò)建項(xiàng)目和技術(shù)改造項(xiàng)目，必須采取措施，治理與該項(xiàng)目有關(guān)的原有環(huán)境污染和生態(tài)破壞”，鐵路噪聲影響突出，需要采取有效的噪聲防治措施，聲屏障作為主動控制措施，一直被廣泛采用［1］。鐵路沿線經(jīng)過的學(xué)校、醫(yī)院、居民住宅等噪聲敏感點(diǎn)須加設(shè)聲屏障以完善環(huán)保措施，避免噪聲污染擾民。聲屏障基礎(chǔ)一般設(shè)計中心間距為4 m的混凝土灌注樁，施工完畢后須檢測其極限抗壓承載能力，以確保聲屏障基礎(chǔ)安全可靠。既有山區(qū)鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄、封鎖點(diǎn)時間短，且受營業(yè)線正常通行的列車影響，樁基靜載試驗(yàn)存在空間和時間方面的困難。

樁基靜載試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣，被公認(rèn)為最準(zhǔn)確、最可靠的判定單樁極限承載能力的試驗(yàn)檢測方法。目前常見的樁基靜載試驗(yàn)方法有堆載法、自平衡法、錨樁法［2］，通過分析幾種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行可行性研究，得出錨樁法經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行，解決了既有山區(qū)鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄等聲屏障工程場地受限的困難，又不影響營業(yè)線的正常運(yùn)營，適用于既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基承載力靜載試驗(yàn)檢測。

1 樁基靜載試驗(yàn)方法

樁基靜載試驗(yàn)是通過給樁基逐級增加荷載觀測沉降量，通過專業(yè)人員對數(shù)據(jù)分析進(jìn)而確定單樁的豎向抗壓承載力值，目前常見的樁基靜載試驗(yàn)方法有堆載法、自平衡法、錨樁法。

1.1 堆載法

（1）基本原理：在樁頂上空采用混凝土塊、鋼梁等搭設(shè)承重平臺，將標(biāo)準(zhǔn)配重塊吊裝在承重平臺上，或者現(xiàn)場裝填砂袋承重計數(shù)后搬運(yùn)至承重平臺上，承重平臺下通過千斤頂形成反力作用于樁頂。堆載法靜載試驗(yàn)見圖1。

圖1 堆載法靜載試驗(yàn)

（2）優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場配重吊裝擺放方便。

（3）缺點(diǎn)：配重塊制作成本、運(yùn)輸成本高、現(xiàn)場裝填砂袋人工成本高，承重臺搭設(shè)須地勢平坦、場地空曠，占用場地面積大。

1.2 自平衡法

（1）基本原理：灌注樁混凝土澆筑前將荷載箱預(yù)先放置于樁身內(nèi)指定位置，留設(shè)油管至荷載箱，混凝土澆筑達(dá)到齡期后，在地面通過高壓油泵向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞至樁身，上部樁身自質(zhì)量、樁側(cè)摩擦力與下部樁身自質(zhì)量、樁側(cè)摩擦力及樁端阻力平衡，從而獲得樁的承載力。自平衡法靜載試驗(yàn)示意見圖2。

圖2 自平衡法靜載試驗(yàn)示意圖

（2）優(yōu)點(diǎn)：利用樁自身的阻力反作用力，裝置簡單，準(zhǔn)備工作省時省力。

（3）缺點(diǎn)：預(yù)估荷載箱平衡點(diǎn)位置困難，不易平衡［3］；對工程樁進(jìn)行檢測時，荷載箱位置在加載后形成斷樁，不易處理；自平衡法加載方式和受力機(jī)理與樁基正常工作狀態(tài)不同，轉(zhuǎn)換計算公式系數(shù)如何確定未得到業(yè)界統(tǒng)一認(rèn)可。

1.3 錨樁法

（1）基本原理：將被測樁周圍對稱的幾根錨樁通過反力架連接在一起，依靠千斤頂將反力架頂起，由被連接的錨樁抗拔力提供反力，從而獲得被檢測樁的承載力?？赏ㄟ^鄰近工程樁或預(yù)設(shè)錨樁提供反力。錨樁法靜載試驗(yàn)示意見圖3。

圖3 錨樁法靜載試驗(yàn)示意圖

（2）優(yōu)點(diǎn)：不受現(xiàn)場條件及加載噸位限制，安裝便捷；對于小噸位（1 000 kN以內(nèi)）的樁基，利用工程樁作為錨樁，錨樁法的優(yōu)勢更明顯，大幅度節(jié)約設(shè)備、器材、配重的運(yùn)輸及安拆等試驗(yàn)檢測周期和成本［4］。

（3）缺點(diǎn)：當(dāng)用工程樁做錨樁時，如果抗拔力不能滿足要求，會對工程樁產(chǎn)生一定的影響；如果為試驗(yàn)樁設(shè)置專用錨樁，則會大大增加相關(guān)成本。

1.4 試驗(yàn)方法比選

對比上述幾種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得知：

（1） 既有山區(qū)鐵路施工現(xiàn)場場地受限，且搭設(shè)的平臺會侵線影響列車正常通行，不具備堆載法搭設(shè)承重平臺的條件。

（2） 自平衡法靜載試驗(yàn)檢測使工程樁斷樁，且不易處理，影響工程樁結(jié)構(gòu)安全，滿足荷載要求的平衡點(diǎn)位置難以確定，具有隨意性，不適用于既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗(yàn)。

（3）聲屏障工程自身結(jié)構(gòu)荷載小，對樁基承載力要求低，相鄰兩側(cè)4 m的2根工程樁可作為錨樁使用，采用錨樁法不受場地限制，不影響營業(yè)線正常運(yùn)營，技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理，適用于既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗(yàn)。

在滿足我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的條件下，采用錨樁法進(jìn)行既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基靜載試驗(yàn)時，錨樁橫梁反力裝置引起的試驗(yàn)誤差很小，能滿足試驗(yàn)精度要求。采用錨樁橫梁反力裝置時，錨樁的作用使試樁下沉，抵消部分基準(zhǔn)樁的影響，可提高試驗(yàn)精度。

2 錨樁法可行性分析

2.1 設(shè)計參數(shù)

京原鐵路作為山區(qū)鐵路電氣化改造時，聲屏障工程人工挖孔樁設(shè)計樁徑D=800 mm，樁長H=5.5 m，樁間距L=4.0 m，樁身混凝土強(qiáng)度等級C30，護(hù)壁混凝土厚度不小于100 mm，護(hù)壁混凝土強(qiáng)度等級C25，豎向承載力特征值65 kN。樁頂預(yù)埋6根φ24的U型地腳螺桿與上部結(jié)構(gòu)連接。

2.2 極限承載力

為保證足夠的安全儲備，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，最大有效加載量不應(yīng)小于設(shè)計要求單樁容許承載力的2.0倍，即豎向抗壓極限承載力P=130 kN，錨樁反力裝置需提供反力為1.2倍豎向抗壓極限承載力，即需要保證提供反力為156 kN。

2.3 錨樁抗拔力驗(yàn)算

一般路基段聲屏障縱向呈直線設(shè)置，采用試樁相鄰兩側(cè)對稱的2根工程樁作為錨樁，以錨樁的抗拔力提供反力，兩側(cè)受力均勻，單樁抗拔力需大于78 kN。

（2）單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Tuk=λqsikμH，式中：λ為抗拔系數(shù)；qsik為樁側(cè)表面土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；μ為樁身周長；H為樁長。

抗拔系數(shù)λ見表1［5］，最不利情況下為0.5。

表1 抗拔系數(shù)λ

樁側(cè)表面土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik見表2［5］，最不利情況下為12 kPa。

表2 土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik kPa

樁身周長不考慮鋼筋混凝土護(hù)壁時，μ=πD=3.14×0.8 m=2.512 m；H=5.5 m；Tuk=λqsikμH=0.5×12 kPa×2.512 m×5.5 m=82.90 kN。

2.4 預(yù)埋螺栓受力驗(yàn)算

為防止試驗(yàn)過程中隨荷載加大造成預(yù)埋地腳螺栓破壞而中斷試驗(yàn)，對后續(xù)吸聲板安裝造成影響，須確保預(yù)埋螺栓抗拉強(qiáng)度滿足要求。反力梁通過錨樁樁頂預(yù)埋的地腳螺栓與錨樁連接，6根地腳螺桿共需承受78 kN，平均每根地腳螺桿需承受的作用力13 kN。

樁頂預(yù)埋的地腳螺栓直徑為24 mm，考慮螺紋其有效截面積為317 mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于140×10-3kN/mm2。

單根螺栓可承受的拉力值F=317 mm2×140×10-3kN/mm2=44.38 kN＞13 kN，抗拉強(qiáng)度滿足要求。

2.5 反力橫梁選型

反力橫梁選型主要考慮其在最大加載時不被彎矩破壞，擬采用材質(zhì)Q235的I45a工字鋼作為反力橫梁，其性能參數(shù)為：彎曲抗拉強(qiáng)度f=215 MPa，慣性矩Ix=22 200 cm4，抗彎截面模量Wx=1 430 cm3，塑性發(fā)展系數(shù)γx=1.05［6-7］。

整個錨樁反力橫梁力學(xué)模型見圖4，P為試驗(yàn)最大加載，即豎向抗壓極限承載力130 kN，L為樁間距4 m。

圖4 整個錨樁反力橫梁力學(xué)模型

3 試驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題及注意事項(xiàng)

（1）提供的反力應(yīng)作用在樁頂正中心，是靜載試驗(yàn)中反力裝置設(shè)置需遵循的原則，若荷載偏心，用于觀測沉降的2個位移傳感器中，1個一直觀測上拔數(shù)據(jù)，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真［8］。錨樁應(yīng)對稱設(shè)置，否則錨樁受力不均勻，受力大的可能難以承受拔力，而對錨樁造成破壞。

（2）錨樁反力裝置在試驗(yàn)加載過程中，尤其是前幾級易出現(xiàn)油壓過沖現(xiàn)象，影響試樁的沉降量，對最終檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成不良影響。前幾級加載須緩慢、均勻。

（3）試驗(yàn)過程中，由于選材或焊接等原因出現(xiàn)錨筋、預(yù)埋螺栓被拉斷或焊點(diǎn)開裂等現(xiàn)象時，可先卸掉荷載，重新焊接或采取其他補(bǔ)強(qiáng)措施，處理完畢后先加載到卸載前的荷載量，穩(wěn)定一段時間后再繼續(xù)檢測。

（4）錨樁反力裝置提供的反力不應(yīng)小于最大試驗(yàn)荷載的1.2倍，當(dāng)不能提供時需提前在橫梁上對稱放置或懸掛一定重物，以減小對錨樁抗拔力和橫梁應(yīng)力的要求。

4 結(jié)束語

一般路基聲屏障基礎(chǔ)樁間距相等，縱向呈直線，錨樁對稱，受力均勻；預(yù)埋地腳螺栓抗拉強(qiáng)度滿足要求，無需預(yù)埋錨筋、錨桿，不存在斷裂現(xiàn)象；試樁兩側(cè)錨樁提供的反力不低于最大試驗(yàn)荷載的1.2倍。試驗(yàn)前期緩慢勻速施加荷載，控制好油壓，可解決上述技術(shù)問題。

利用聲屏障工程樁作為錨樁，采用預(yù)埋的地腳螺桿與反力橫梁連接，反力裝置安裝便捷，節(jié)省試驗(yàn)工期，節(jié)約試驗(yàn)成本，可有效克服既有山區(qū)鐵路路基高、邊坡陡、地勢狹窄等現(xiàn)場不利條件，不影響營業(yè)線正常運(yùn)營，同時解決因空間和時間造成的困難。

錨樁法樁基靜載試驗(yàn)方法可行，經(jīng)濟(jì)合理，適用于既有山區(qū)鐵路聲屏障工程樁基承載力靜載試驗(yàn)檢測。