试桩在高速铁路设计上的应用
发布时间：2012-03-24 11:04:19更新时间：2012-03-24 11:05:06
1
彭聪聪
摘要：以东北地区时速350km高速铁路项目自平衡法和锚固桩加力架法两组设计试桩结果为例，进行理论分析及计算研究，得出试桩结论。同时对试桩结论进行结论分析总结，得出此次试桩资料不能作为优化桩长的依据，同时为基桩试验工作和高速铁路设计试桩的应用提供经验参考。
关键词：设计试桩； 检测；高速铁路；应用
Abstract: in northeast area of 350 km per hour high-speed railway project since the balance method and anchor pile strength frame method two groups of design test pile results as an example, a theoretical analysis and calculation that test pile conclusion. At the same time for test pile conclusion conclusion analysis, it summarizes the test pile material can be used as the basis for optimizing pile length, at the same time for the foundation pile test work and the application of high speed railway design test pile to provide experience for reference.
Keywords: design test pile; Detection; High speed railway; application
中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：
引言
东北地区尚无高速铁路开通运营，唯一一条时速350km的高速铁路-哈大客专亦处于设计阶段，基于东北地区特殊地质及气候条件，在桥梁桩基础设计中并无经验可寻，对于此项目的建设，试桩工作显得尤为重要。通过对设计试桩结论及经验总结加以引申，为基桩试验工作和高速铁路设计试桩的应用提供经验参考。
工程地质及设计概况
2.1项目简介
项目概况：设计时速350km高速铁路，全长89.8km，位于辽宁省盘锦、海城地区，地震烈度为6～7度，场地土为Ⅲ类。
工程地质描述：沿线地处滨海冲击平原，地表以下2～3.5m为填筑土，素填土和杂填土，其下部为粘土，粉质粘土、粉砂、细砂、中粗砂等交替互层，地层线变化均匀、单一，地层覆盖层总厚度超过80m。
2.2设计试桩
全线约2.5万根基桩，设计均为钻孔灌注摩擦桩，其中Φ1.0m桩基在2万根左右，桩长一般在35～50m。设计试桩在全线四个双线特大桥每桥取一组，每组3根，四组试桩位置的地下水位、侵蚀性类别及等级等均不相同。所选工点的地质情况在全桥中均为典型的地质地层，桩径选取最具代表性的Φ1.0m。试桩检测采取自平衡法和锚固桩加力架法两种方法。
3．基桩检测
3.1自平衡法
3.1.1检测方法
自平衡法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法[[[]东南大学土木工程学院，南京市建筑工程质量监督总站.桩承载力自平衡测试技术规程[S].江苏.南京出版社，2009]]，荷载箱设在桩底上部某平衡点加载，使上端负摩阻力与下端正摩阻力和端阻力之和相等[[[]文家珍.自平衡试桩法应用研究.铁道技术监督[J],2007,(04)]]，在基桩钢筋上埋设的应变计读取桩基应变数据，通过调动桩周土的侧阻力和端阻力维持桩身受力平衡，根据加载值、沉降值和加载时间等数据，按照《铁路基桩检测技术规程》（TB 10218-2003）、《桩承载力自平衡测试技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)进行数据分析，得到极限承载力、桩周摩阻力、桩端阻力及位移等相关参数，通过与设计取值比较得出结论。
3.1.2检测及计算结果
检测时间在7月中旬-8月上旬，加载至桩身破坏。下面以单根试桩与设计取值及铁路规范取值的对比数据为例进行分析说明。试桩长度43.9m，荷载箱设置在桩底以上18m。
表1 试桩各层摩阻力对照表
岩（土）层名称 标高（m） 基本承载力（kPa） 实测最大侧阻力（kPa） 设计取值fi（kPa） 侧阻力铁路规范取值（kPa） 相应位移
（mm）
粉质粘土 3.75～0.45m 140 52.97 36 30～56 33.86
粉砂 0.45～-1.65m 0 29.29 15 中密时取30～55 33.92
细砂 -1.65～-6.45m 190 72.46 31 中密时取30～55 34.05
细砂 -6.45～-11.35m 190 84.55 31 中密时取30～55 34.42
细砂 -11.35～-22.25m 210 93.11 37.5 30～55 35.59
细砂 -22.25～-26.15m 210 91.74 37.5 30～55 18.95
细砂 -26.15～-33.25m 300 98.58 62.5 55～70 17.83
计算单桩容许承载力（承载力特征值）=4519kN（设计给定，不再计算）
Qu=（Qu上-W）/γ+ Qu下[注：各字母含义及计算方法见《桩承载力自平衡测试技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）]=（6026-296）/0.8+6327=13485kN
表2 单桩竖向抗压极限承载力计算
荷载箱上部桩实测极限承载力(kN) 荷载箱下部桩实测极限承载力(kN) 荷载箱上部桩自重(kN) 荷载箱上部桩侧摩阻力修正系数γ 单桩竖向抗压极限承载力(kN)
6026 6327 296 0.8 13485
表3 实测桩端极限承载力
实测桩端承载力（KN） 相应位移（mm）
3002 17．31
桩端极限承载力理论估算：2m0A[σ]=940kN[ 按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)估算]
结论：通过实测数据计算得到的单桩容许承载力=13485/2=6743kN，大于理论计算单桩容许承载力4519kN；桩周土极限侧阻力fi设计经验取值在实测值1/2左右；桩端实测极限承载力3002kN大于理论计算值940kN。
3.2锚固桩加力架法
3.2.1检测方法
锚固桩法同自平衡法是接近竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，利用桩顶油压千斤顶进行加载。静载试验方法及数据分析同自平衡法。
3.2.2检测结果
加载时间在7月中旬-8月上旬，虽加载到2倍承载力特征值但未达到桩身破坏。下面同样以一组试桩的对比数据为例进行分析说明。
表4 加载实测值
最大加载值（kN） 单桩容许承载力（承载力特征值）（kN） 最大沉降量（mm）
8934 4467 21.99
结论：本试桩最大加载值为8934KN,但是未达到极限荷载条件，极限承载力大于8934KN；实测数据计算容许承载力大于8934/2=4467KN(即承载力特征值)；桩端极限承载力无法得出；本次试桩缺少桩身应变数据的采集，无法获得各土层极限摩阻力的实测值。
4.结论分析
(1)两种检测方法均验证了单桩设计承载力的安全性及设计承载力下桩的沉降值满足规范要求。
(2)两种方法实测单桩承载力均大于理论计算值，这是否说明设计取值不合理？我们做如下分析：
①自平衡法土层极限摩阻力是设计取值的2倍左右。
a．铁路基础规范中fi值是未将桩身自重计入极限荷载参加计算的，自平衡法荷载箱加载值也减去了上部桩身自重；
b．试桩时间在7～8月份，雨量充沛、地下水丰富。各土层的含水率、饱和度增加，桩周土体的容重增大，同时非饱和状态下的粘土、粉砂、细砂随含水率增加粘聚力增加，较常规状态增大了摩阻力数值。[[[]湖南,乔世范.轴向受力桩的桩周极限摩阻力研究[J].哈尔滨工业大学学报，2006，(05)]]
c．设计计算考虑了地震液化折减系数，而试桩检测未考虑。对于饱和的粉细砂土进行了液化判别，本桩长计算时粉砂土的弹性抗力、摩擦力和摩擦角等考虑了力学指标折减系数ψ1[[[]铁道第三勘察设计院，中铁第四勘察设计院等.铁路工程抗震设计规范（2009年版）[S].中国铁道出版社，2009]]。
②桩端极限承载力实测值较理论计算值要大。
a．桩端极限承载力计算是根据黏性土和沙土桩底支撑力所占极限荷载百分数与桩的深径比（Pb/P％～h/d）的近似关系来划分桩侧摩阻力和桩底支撑力[[[]铁道第三勘察设计院.铁路桥涵地基和基础设计规范[S].中国铁道出版社，2005]]，两者理论不同。
b．试桩时间在7～8月份，雨量充沛、地下水丰富。土内摩擦角、粘聚力等物理特性较常规值有所提升，也造成了桩端极限承载力数值的提高 [[[]吴鹏等.钻孔灌注桩桩端破坏模式及极限承载力研究[J].公路交通科技.2008，3]]。
综上，试桩数据虽能直观反应现场实际地质特性，但是试验数据的采集影响因素也很多，我们不能片面武断下结论。
(3)如果试桩数据真实、充分反应计算的保守，是不是一定可以优化桩长呢？我们来看看除承载力的要求外，影响桩长设计的其他因素：
①桩长计算须考虑群桩效应。桩长计算需考虑各桩之间构件的相互影响，考虑群桩效应的影响；而试桩只是单桩下的静载试验。
②桩长的确定需满足刚度要求。桩长直接影响了墩顶刚度，铁路规范对墩台顶纵向水平线刚度要求双线常用跨度24m、32m简支梁分别不小于300kN/cm和400kN/cm，而根据设计经验高墩桩长一般是由墩顶纵向线刚度控制设计的（横向刚度不再叙述，一般不控制设计）。
③桩长的确定需满足沉降要求。对于无砟轨道结构的高速铁路来说，平顺性和舒适性至关重要，高铁规范对单个墩台沉降量和相邻沉降差都有严格规定：均匀沉降≤20mm；相邻沉降差≤5mm（无砟）[[[]铁道第三勘察设计院，中铁第四勘察设计院等.高速铁路设计规范（试行）[S].中国铁道出版社，2009
]]。
另外桩长计算还需考虑长期荷载等的影响。综上，如果以上因素均不控制桩长设计，试桩资料是可以作为优化设计的依据的。
5.总结
试桩数据虽在直观上反映出了设计取值偏于保守，但是由于试桩桩位地质代表性有限（仅有2组6根桩），试桩数据有限（锚固桩加力架法无侧摩阻等参数），不能充分证明设计数据取值不合理，作为优化桩长的依据不充分。高速铁路对沉降及不均匀沉降等有严格要求，这就要求设计试桩位置及数量必须要具代表性，并按规定不少于总桩数的1﹪，同时要综合考虑试桩检测时间。另外，对试桩数据的采集必须全面可靠。本次试桩虽未达到优化设计的目的，但是验证了设计数据的可靠性，同时为东北地区土层参数的选取提供经验参考。
参考文献
摘要：以东北地区时速350km高速铁路项目自平衡法和锚固桩加力架法两组设计试桩结果为例，进行理论分析及计算研究，得出试桩结论。同时对试桩结论进行结论分析总结，得出此次试桩资料不能作为优化桩长的依据，同时为基桩试验工作和高速铁路设计试桩的应用提供经验参考。
关键词：设计试桩； 检测；高速铁路；应用
Abstract: in northeast area of 350 km per hour high-speed railway project since the balance method and anchor pile strength frame method two groups of design test pile results as an example, a theoretical analysis and calculation that test pile conclusion. At the same time for test pile conclusion conclusion analysis, it summarizes the test pile material can be used as the basis for optimizing pile length, at the same time for the foundation pile test work and the application of high speed railway design test pile to provide experience for reference.
Keywords: design test pile; Detection; High speed railway; application
中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：
引言
东北地区尚无高速铁路开通运营，唯一一条时速350km的高速铁路-哈大客专亦处于设计阶段，基于东北地区特殊地质及气候条件，在桥梁桩基础设计中并无经验可寻，对于此项目的建设，试桩工作显得尤为重要。通过对设计试桩结论及经验总结加以引申，为基桩试验工作和高速铁路设计试桩的应用提供经验参考。
工程地质及设计概况
2.1项目简介
项目概况：设计时速350km高速铁路，全长89.8km，位于辽宁省盘锦、海城地区，地震烈度为6～7度，场地土为Ⅲ类。
工程地质描述：沿线地处滨海冲击平原，地表以下2～3.5m为填筑土，素填土和杂填土，其下部为粘土，粉质粘土、粉砂、细砂、中粗砂等交替互层，地层线变化均匀、单一，地层覆盖层总厚度超过80m。
2.2设计试桩
全线约2.5万根基桩，设计均为钻孔灌注摩擦桩，其中Φ1.0m桩基在2万根左右，桩长一般在35～50m。设计试桩在全线四个双线特大桥每桥取一组，每组3根，四组试桩位置的地下水位、侵蚀性类别及等级等均不相同。所选工点的地质情况在全桥中均为典型的地质地层，桩径选取最具代表性的Φ1.0m。试桩检测采取自平衡法和锚固桩加力架法两种方法。
3．基桩检测
3.1自平衡法
3.1.1检测方法
自平衡法是接近于竖向抗压桩实际工作条件的试验方法[[[]东南大学土木工程学院，南京市建筑工程质量监督总站.桩承载力自平衡测试技术规程[S].江苏.南京出版社，2009]]，荷载箱设在桩底上部某平衡点加载，使上端负摩阻力与下端正摩阻力和端阻力之和相等[[[]文家珍.自平衡试桩法应用研究.铁道技术监督[J],2007,(04)]]，在基桩钢筋上埋设的应变计读取桩基应变数据，通过调动桩周土的侧阻力和端阻力维持桩身受力平衡，根据加载值、沉降值和加载时间等数据，按照《铁路基桩检测技术规程》（TB 10218-2003）、《桩承载力自平衡测试技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)进行数据分析，得到极限承载力、桩周摩阻力、桩端阻力及位移等相关参数，通过与设计取值比较得出结论。
3.1.2检测及计算结果
检测时间在7月中旬-8月上旬，加载至桩身破坏。下面以单根试桩与设计取值及铁路规范取值的对比数据为例进行分析说明。试桩长度43.9m，荷载箱设置在桩底以上18m。
表1 试桩各层摩阻力对照表
岩（土）层名称 标高（m） 基本承载力（kPa） 实测最大侧阻力（kPa） 设计取值fi（kPa） 侧阻力铁路规范取值（kPa） 相应位移
（mm）
粉质粘土 3.75～0.45m 140 52.97 36 30～56 33.86
粉砂 0.45～-1.65m 0 29.29 15 中密时取30～55 33.92
细砂 -1.65～-6.45m 190 72.46 31 中密时取30～55 34.05
细砂 -6.45～-11.35m 190 84.55 31 中密时取30～55 34.42
细砂 -11.35～-22.25m 210 93.11 37.5 30～55 35.59
细砂 -22.25～-26.15m 210 91.74 37.5 30～55 18.95
细砂 -26.15～-33.25m 300 98.58 62.5 55～70 17.83
计算单桩容许承载力（承载力特征值）=4519kN（设计给定，不再计算）
Qu=（Qu上-W）/γ+ Qu下[注：各字母含义及计算方法见《桩承载力自平衡测试技术规程》（DGJ32/TJ77-2009）]=（6026-296）/0.8+6327=13485kN
表2 单桩竖向抗压极限承载力计算
荷载箱上部桩实测极限承载力(kN) 荷载箱下部桩实测极限承载力(kN) 荷载箱上部桩自重(kN) 荷载箱上部桩侧摩阻力修正系数γ 单桩竖向抗压极限承载力(kN)
6026 6327 296 0.8 13485
表3 实测桩端极限承载力
实测桩端承载力（KN） 相应位移（mm）
3002 17．31
桩端极限承载力理论估算：2m0A[σ]=940kN[ 按照《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)估算]
结论：通过实测数据计算得到的单桩容许承载力=13485/2=6743kN，大于理论计算单桩容许承载力4519kN；桩周土极限侧阻力fi设计经验取值在实测值1/2左右；桩端实测极限承载力3002kN大于理论计算值940kN。
3.2锚固桩加力架法
3.2.1检测方法
锚固桩法同自平衡法是接近竖向抗压桩实际工作条件的试验方法，利用桩顶油压千斤顶进行加载。静载试验方法及数据分析同自平衡法。
3.2.2检测结果
加载时间在7月中旬-8月上旬，虽加载到2倍承载力特征值但未达到桩身破坏。下面同样以一组试桩的对比数据为例进行分析说明。
表4 加载实测值
最大加载值（kN） 单桩容许承载力（承载力特征值）（kN） 最大沉降量（mm）
8934 4467 21.99
结论：本试桩最大加载值为8934KN,但是未达到极限荷载条件，极限承载力大于8934KN；实测数据计算容许承载力大于8934/2=4467KN(即承载力特征值)；桩端极限承载力无法得出；本次试桩缺少桩身应变数据的采集，无法获得各土层极限摩阻力的实测值。
4.结论分析
(1)两种检测方法均验证了单桩设计承载力的安全性及设计承载力下桩的沉降值满足规范要求。
(2)两种方法实测单桩承载力均大于理论计算值，这是否说明设计取值不合理？我们做如下分析：
①自平衡法土层极限摩阻力是设计取值的2倍左右。
a．铁路基础规范中fi值是未将桩身自重计入极限荷载参加计算的，自平衡法荷载箱加载值也减去了上部桩身自重；
b．试桩时间在7～8月份，雨量充沛、地下水丰富。各土层的含水率、饱和度增加，桩周土体的容重增大，同时非饱和状态下的粘土、粉砂、细砂随含水率增加粘聚力增加，较常规状态增大了摩阻力数值。[[[]湖南,乔世范.轴向受力桩的桩周极限摩阻力研究[J].哈尔滨工业大学学报，2006，(05)]]
c．设计计算考虑了地震液化折减系数，而试桩检测未考虑。对于饱和的粉细砂土进行了液化判别，本桩长计算时粉砂土的弹性抗力、摩擦力和摩擦角等考虑了力学指标折减系数ψ1[[[]铁道第三勘察设计院，中铁第四勘察设计院等.铁路工程抗震设计规范（2009年版）[S].中国铁道出版社，2009]]。
②桩端极限承载力实测值较理论计算值要大。
a．桩端极限承载力计算是根据黏性土和沙土桩底支撑力所占极限荷载百分数与桩的深径比（Pb/P％～h/d）的近似关系来划分桩侧摩阻力和桩底支撑力[[[]铁道第三勘察设计院.铁路桥涵地基和基础设计规范[S].中国铁道出版社，2005]]，两者理论不同。
b．试桩时间在7～8月份，雨量充沛、地下水丰富。土内摩擦角、粘聚力等物理特性较常规值有所提升，也造成了桩端极限承载力数值的提高 [[[]吴鹏等.钻孔灌注桩桩端破坏模式及极限承载力研究[J].公路交通科技.2008，3]]。
综上，试桩数据虽能直观反应现场实际地质特性，但是试验数据的采集影响因素也很多，我们不能片面武断下结论。
(3)如果试桩数据真实、充分反应计算的保守，是不是一定可以优化桩长呢？我们来看看除承载力的要求外，影响桩长设计的其他因素：
①桩长计算须考虑群桩效应。桩长计算需考虑各桩之间构件的相互影响，考虑群桩效应的影响；而试桩只是单桩下的静载试验。
②桩长的确定需满足刚度要求。桩长直接影响了墩顶刚度，铁路规范对墩台顶纵向水平线刚度要求双线常用跨度24m、32m简支梁分别不小于300kN/cm和400kN/cm，而根据设计经验高墩桩长一般是由墩顶纵向线刚度控制设计的（横向刚度不再叙述，一般不控制设计）。
③桩长的确定需满足沉降要求。对于无砟轨道结构的高速铁路来说，平顺性和舒适性至关重要，高铁规范对单个墩台沉降量和相邻沉降差都有严格规定：均匀沉降≤20mm；相邻沉降差≤5mm（无砟）[[[]铁道第三勘察设计院，中铁第四勘察设计院等.高速铁路设计规范（试行）[S].中国铁道出版社，2009
]]。
另外桩长计算还需考虑长期荷载等的影响。综上，如果以上因素均不控制桩长设计，试桩资料是可以作为优化设计的依据的。
5.总结
试桩数据虽在直观上反映出了设计取值偏于保守，但是由于试桩桩位地质代表性有限（仅有2组6根桩），试桩数据有限（锚固桩加力架法无侧摩阻等参数），不能充分证明设计数据取值不合理，作为优化桩长的依据不充分。高速铁路对沉降及不均匀沉降等有严格要求，这就要求设计试桩位置及数量必须要具代表性，并按规定不少于总桩数的1﹪，同时要综合考虑试桩检测时间。另外，对试桩数据的采集必须全面可靠。本次试桩虽未达到优化设计的目的，但是验证了设计数据的可靠性，同时为东北地区土层参数的选取提供经验参考。
参考文献
上一篇：探析市场经济条件下电力市场营销
下一篇： 浅论公路工程建设中的机械设备管理工作
学术前沿
学术知识
