中铁大桥局集团第五工程有限公司 江西九江 332001
摘要：结合孟加拉帕德玛大桥钻孔桩试桩与正式桩的静载试验，对超大吨位荷载试验加载系统进行研究与设计，并针对不同施工阶段的试验类型进行加载系统的通用性研究，在施工实践中灵活地、高效地运用加载系统，可为同类桩基静载试验加载系统设计与施工提供借鉴与参考。
关键词：静载试验 超大吨位 试桩与正式桩 设计与施工
1 前 言
在现代建筑工程领域，越来越多的项目在正式桩基工程施工前会进行试桩施工，通常有荷载试桩与工艺试桩。荷载试桩的目的主要是获取桩周侧阻力值、桩端阻力值，并确定单桩的承载力特征值，为正式桩基设计提供依据；工艺试桩则是验证正式桩基施工方法与工艺的可行性，为正式桩施工提供参考。同时，在正式桩基施工阶段，承包商应根据合同约定或咨询工程师指令对选定桩基进行荷载试验来判别桩基承载力是否满足设计要求。
2 工程概况
2.1 桥梁概况
帕德玛大桥位于孟加拉国首都达卡偏西南约40km处，横跨帕德玛河，距印度洋入海口直线距离约150km，是连接南岸与北岸的交通要道。主桥由41 孔6联（6×150m）+1联（5×150m）跨度为150m 的钢混结合连续梁组成，全长6.15km，共42 个桥墩，由40 个水中墩及2 个岸边过渡墩组成，水中墩桩基础为6 根3m钢管斜桩，沿圆周均匀分布，斜度1：6，壁厚60mm；两岸过渡墩桩基础均为16根3m钻孔桩，纵、横桥向均呈4排布置，桩中心距7.5m；引桥由南、北两岸公路、铁路引桥组成。公路引桥上部结构为38m跨先张法预制U型梁，共77孔438片，铁路引桥上部结构为38m跨后张法预制I型梁，共14孔84片。引桥桩基础均为1.2m钻孔灌注桩，共365根。
根据工程承包合同约定，在桥梁钻孔桩施工前承包商需在指定位置进行钻孔桩荷载试桩。荷载试桩共16根，编号为TB1～TB8， 北岸试桩编号为TB1、TB2、TB5、TB7，南岸试桩编号为TB3、TB4、TB6、TB8，每种编号分A、B两类试桩，A类试桩试验段标高为-25～-50m，B类试桩试验段标高为-50～-75m，试验段长度均为25m，试验段以上采用隔离护筒将土层（砂层）与试桩隔离。试桩桩径除TB7、TB8为1.5m外其余均为1.2m（引桥桩基荷载试桩），其中1.5m试桩为3m过渡墩钻孔桩的等效试桩。
2.2静载试验
试桩静载试验类型有抗压试验和抗拔试验两种，除TB5、TB6试桩为抗拔试验外其余均为抗压试验。根据本桥技术规范规定，若桩基采用膨润土泥浆稳定孔壁的施工工艺，则需要进行荷载试验的正式桩数量占比10%（约40根），而若采用全护筒跟进成孔的施工工艺，则该占比仅为1%（约4根），二者试验数量差别较大，其主要原因是期望通过更多的试验来验证膨润土泥浆在孔壁形成的泥皮对降低桩侧摩阻力的影响程度，以评判桩基承载力能否满足设计要求。本桥试桩与正式桩均采用膨润土泥浆护壁成孔工艺。同时，在技术规范中规定，抗压试验加载系统提供的反力不得小于40000kN、抗拔试验加载系统提供的反力不得小于30000kN。
3 试验加载系统设计
3.1总体设计
为满足技术规范对试验加载系统提供超大吨位反力的要求，在方案设计阶段，主要从资源配置、实施难易程度、结构在试桩阶段与正式桩阶段的通用性、经济性等诸多方面进行比选，最终确定抗压试验加载总体方案为锚桩与堆载联合试验方案（试桩阶段）、堆载方案（正式桩阶段）、抗拔试验加载总体方案为预制扩大基础试验方案。
试桩阶段的抗压试验采取锚桩与堆载联合试验方案，即利用锚桩与堆载共同为试桩静载试验提供反力，锚桩与堆载各提供20000kN的反力。试验加载系统由锚桩、锚固系统、反力梁、堆载平台、堆载压重物、垫梁、千斤顶、油泵与油表、试桩与锚桩间连接系等组成。锚桩采用钻孔灌注桩，桩径1.2m，桩长55.5m，呈十字形对称布置，共4根，锚桩中心与试桩中心距离6m，满足两桩中心距≥4D且＞2m的要求，其中D为试桩、锚桩桩径的较大者（D=1.5m）。堆载采用混凝土预制块作为压重物，单块预制块6m（长）×2m（宽）×0.85m，重约24.5t，共84块，分7层交错堆码。
抗拔试验加载系统由预制扩大基础、基础分配梁、反力梁、锚固系统、千斤顶、油泵与油表等组成。预制扩大基础共16个，对应于反力梁四个支撑点，单点安放4个，单个扩大基础底平面3m×3m，呈台阶式，每级台阶高0.75m，要求地基承载力不小于300kPa，单重约20t（混凝土标号C30）。
正式桩阶段的抗压试验采取堆载试验方案，与试桩阶段不同之处，一是无法利用墩位其他正式桩或额外施工桩基来作为锚桩，而灵活运用抗拔试验用预制扩大基础作为堆载时、加载时的反力系统基础；二是正式桩最大堆载量为试验桩设计工作荷载的1.25倍，全桥正式桩静载试验最大堆载量为40000kN（过渡墩桩基设计工作荷载32000kN）。其余试验加载系统与试桩相同。
3.2细节设计
3.2.1 反力梁设计
反力梁设计为节段拼装式焊接变截面箱型结构，呈十字形，单肢一字形梁长16m，箱型截面高2.74~2.04m，变截面过渡段长2m。箱型截面顶板、底板厚度根据应力分布设计为50mm、30mm两种，腹板厚30mm，横隔板厚20mm，腹板水平加劲肋采用“T”型构造，板厚分别16mm和10mm。反力十字形梁由五个节段拼装而成，其中一个A节段和四个B节段，A节段位于十字梁中部，B节段为十字梁的四肢，单个节段的自重均按200kN设计，主要考虑到国内运输、集港海运、国外清关及运输等环节吊装设备起重能力限制。在设计时考虑到反力梁拼拆次数多、高强螺栓不能重复多次使用等情况，节段拼装采用M30 B级精制螺栓（8.8级）栓接，螺栓孔孔径30.3mm，中心距120mm，顶、底板各布设4排14列，两侧腹板各布设3排21列，顶、底板拼接板厚30mm，腹板拼接板厚20mm。反力梁各板件材质均为Q345B。
3.2.2 锚固系统设计
（1）抗拔试验锚固系统设计
抗拔试验锚固系统由试桩主筋、锚固装置、锚杆、锚固梁组成。因技术规范规定抗拔试验最大加载荷载为30000kN，且该荷载需通过试桩钢筋笼主筋传递至桩周土层（砂层），故抗拔试桩的主筋设计为双层T50 S460级（屈服强度500MPa）钢筋，每层22根共44根。锚固装置起传递锚固力的作用，试桩主筋自下而上穿过锚固装置锚固于顶面，锚杆则自上而下穿过锚固梁、反力梁、锚固装置，底部锚固于锚固装置底面，顶部锚固于锚固梁顶面。锚固装置为焊接圆环型构造，外径2.8m，内径0.65m，高1.2m，顶板、底板、腹板厚50mm，加劲板厚20mm、30mm，沿半径R=1m圆周开设8个直径250mm的锚杆通过孔，沿试桩内、外层主筋布设半径分别开设22个直径55mm的主筋通过孔，为减小主筋锚固施工难度，仅在锚固装置顶板开设通过孔，主筋不穿过底板，顶、底板之间设计倒直角梯形加劲板。锚杆共8根，单根为直径180mm钢棒，材质40Cr，两端加工梯形螺纹，规格Tr180×18-7e，为使抗压与抗拔试验通用，一端螺纹长85cm，一端螺纹长220cm。锚固梁为八边形焊接箱型结构，长2.77m，高0.8m，顶板、底板、腹板厚50mm，加劲板厚30mm。
（2）抗压试验锚固系统设计
抗压试验锚固系统由锚桩、锚固装置、传力柱、锚杆组成。堆载时，由传力柱将荷载传递至锚桩，传力柱顶面与反力梁底板通过螺栓连接固定，底面支撑于锚桩顶锚固装置上；当加载荷载超过20000kN堆载、堆载平台及反力梁等结构自重之和时，锚桩由承受压力转换为承受上拔力，单根锚桩抗拔承载力按6000kN设计（控制设计荷载工况），抗拔系数按0.6考虑（砂层）。锚固设计类似抗拔试验，锚桩主筋设计为24根T32 S460级钢筋，锚杆从锚固装置中心穿过并锚固于底面，锚杆进入锚桩顶以下部分安放在预留孔洞内。
3.2.3 堆载平台、连接系设计
（1）堆载平台设计
堆载平台由两类、五个吊装单元组成，每个吊装单元由3根（4根）HN900×300型钢（材质Q345B）及连接系构成，支撑于反力梁顶，拼装完成的平台平面尺寸为12×12m。
（2）连接系设计
为提高试桩受压时稳定性，在试桩与四根锚桩间设计仅承受压力的连接系结构。桩间撑杆采用φ426×6mm钢管，试桩端通过法兰与焊接于外护筒的短接头连接，锚桩端设计弧形钢结构与桩侧壁密贴，当试桩受荷沉降时可沿桩侧壁下滑，避免试桩承受试验荷载以外的附加荷载。撑杆之间设置φ426×6mm钢管稳定杆，其两端与撑杆销接，中部设计可调节丝杆（φ180mm钢棒）结构，便于安装时根据桩位施工偏差等调节。
3.2.4基础分配梁设计
在预制扩大基础顶设计两层分配梁，将试验荷载分配传递至基础。顶、底层分配梁分别由3根（2根）HN900×300型钢（材质Q345B）组焊而成。
4 静载试验施工
4.1 锚桩施工
锚桩成孔工艺与桩径1.2m试桩相同，采用膨润土泥浆护壁、反循环GPS-20型旋转钻成孔，因桥址区为全粉细砂层地质条件，泥浆性能指标直接关系到成孔的质量，在施工过程中严格控制比重、粘度、胶体率、流体损耗、含砂率、PH值等重要指标，并符合技术规范的要求。
为使伸出桩顶的24根主筋顺利穿过锚固装置进行锚固，在车间长线法制作钢筋笼时，采用定位板的方式对顶节（不含现场对接节）主筋进行定位，并在混凝土灌注后凿毛至现场对接接头以下20cm，对每根主筋进行编号、测量高程与平面位置，据此按编号下料接长钢筋，保证顶部车丝处于同一高程，便于套筒锚固，主筋接长时仍以定位板进行定位，结合已施工四根锚桩的桩位偏差和反力梁设计时预留锚杆安装容许偏差（5cm）对锚桩主筋位置精确调整，确保反力梁安装时能顺利穿入四根锚杆，调整到位后将定位板与护筒内壁焊接牢固，保证锚桩顶部干浇混凝土时不移位。经过施工实践，该方法能确保锚桩主筋与锚固装置、锚杆与锚固装置、反力梁与锚杆之间均顺利安装，实现设计阶段的意图。
4.2 地基加固处理施工
根据监理工程师指令，要求承包商对南岸过渡墩P42-3#正式桩进行静载（抗压）试验，该桩桩长79.125m（桩底标高-80m），最大试验加载荷载为40000kN（堆载压重物为钢管斜桩制作用钢板，单块重约14t，共285块），试验成功标准为在工作荷载加载级下试验桩桩顶沉降不大于25mm。据悉，在国内外桥梁施工领域，超大桩径（3m）、超大试验荷载、超高标准尚属罕见。试验前，通过浅层平板载荷试验得到经浇水密实处理的地基承载力仅约为180kPa，无法满足最大试验加载工况对地基承载力不小于315kPa的要求。经研究，决定采用高压旋喷桩对实验区地基进行加固处理。高压旋喷桩桩径0.6m，桩间距1.5m，桩长9m，在单个预制扩大基础底布置4根，则反力梁单肢基础底共16根，旋喷完成后凿除桩头至同一标高，在桩顶以上铺设20cm厚砂垫层，压实后形成复合地基，提高地基承载力。采取以上方法加固处理后，再次通过浅层平板载荷试验评判地基承载力，试验结果达480kPa，较加固前提高了2.67倍，加固效果明显。
4.2 反力梁安装施工
反力梁安装完成后呈两种姿态，抗压试验时，因需在其顶面摆放堆载平台进行堆载，故变截面箱型平直面朝上，而抗拔试验时，结合试桩顶标高、通用锚杆长度、反力加载系统组件结构高度等因素，需将反力梁翻转（较抗压试验时姿态）使用，即变截面箱型非平直面朝上。
根据现场已有吊装设备起吊能力，预先在试验桩位以外、吊幅以内将三个节段（一个A节段和两个B节段）拼接为一字梁，重约65t，待具备反力梁安装条件后吊装至试验桩位，其余两个B节段与之拼接为十字梁，完成反力梁的拼装。反力梁节段拼接时，先拼接顶、底板，再拼接腹板，在两块拼接板安装对位后，先打设冲钉进行定位，再上满螺栓拧紧。
4.3 锚固系统施工
抗压试验时，锚杆与锚固装置预先组装，起吊竖直后，移至锚桩顶对位锚桩主筋，待全部24根主筋穿过锚固装置通过孔后进行锚固，锚桩顶采用与桩身混凝土同等级强度砂浆找平，当出现主筋无法锚固时（车丝范围高于套筒安装范围），可采取钢板抄垫方式锚固，锚固结合圈数不得小于套筒长度的一半，确保锚固力不小于钢筋抗拉强度。为避免锚固长度不足，锚固装置安装前实测四根锚桩全部主筋顶标高，并以最低主筋确定锚固系统安装高程。主筋锚固完成后安装传力柱，并调整至垂直，以使受力安全和便于与反力梁底板间栓接为整体。
抗拔试验时，试桩双层主筋需穿过锚固装置进行锚固，与锚桩钢筋笼制作、现场对接接长施工类似，在制作抗拔试桩钢筋笼和现场对接接长时，也采用定位板的方式对钢筋进行定位。经过实践，采用二次定位法能确保锚固装置顺利套入数量众多、超小净距（6cm）的主筋并锚固。锚固前，将锚固装置支垫在地面上，待反力梁、加载千斤顶、锚固梁安装后自上而下穿入八根锚杆，底部锚固于锚固装置底，顶部锚固于锚固梁顶。安装前，根据扩大基础底标高及基底沉降、试桩顶标高、反力梁扰度、试桩桩顶上拔量等计算确定反力梁底面与锚固装置顶面之间的净距，使其不得小于40cm。
5 结语
帕德玛大桥钻孔桩试桩、正式桩静载试验荷载吨位大、类型多、数量多、试验桩桩顶容许位移小，在施工中除对桩基施工质量严管控以外，对静载试验加载系统的设计与施工也提出更高的要求。通过设计阶段的深入研究与合理设计，以及施工阶段的精细组织与施工，在工程实践中，试验桩静载试验加载系统得到良好的运用，为项目有序推进提供了强有力的保障，也可为同类工程设计与施工提供借鉴与参考。
参考文献
[1] AECOM（设计咨询公司）. Specification of Padam Multipurpose Bridge Project[Volume 3]/帕德玛大桥技术规范[第3册].
[2] AECOM（设计咨询公司）. Shop Drawings of Padam Multipurpose Bridge Project[Volume 4]/帕德玛大桥施工图[第4册].
[3] JGJ 106-2014.建筑基桩检测技术规范.中华人民共和国行业标准.
[4] GB 50017-2003.钢结构设计规范.中华人民共和国国家标准.
作者简介：胡腾飞（1984-），男，工程师，2006年毕业于重庆交通大学土木工程专业，工学学学士
论文作者:胡腾飞
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/20
标签：锚固论文; 荷载论文; 桩基论文; 加载论文; 装置论文; 系统论文; 正式论文; 《基层建设》2017年2期论文;