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摘 要：本文以石家庄地铁中山广场站为例，阐述了地铁试验工程桩的施工方法及试验技术特点，认真分析了在石家庄特有地质条件下进行试验工程樁，其载荷曲线可以准确有效的反应出桩的沉降量与桩端承载力和桩侧摩阻力的变化关系，为不同地质条件下工程桩成孔质量控制和成桩后注浆量控制提供参考，并对石家庄地铁中山广场站的工程桩设计参数提供依据。
关键词：试验工程桩；锚桩；摩阻力；端承力；沉降量
1 引言
试验工程桩是根据规范要求，在地铁车站附近选择场地对工程桩进行现场试验，通过试桩检测灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度，判别和鉴定桩底处岩土状况，判定桩身完整性类别；确定单桩抗压极限承载力；判定竖向抗压承载力是否满足设计要求；判定在满足设计要求的沉降量条件下，其单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；确定各级荷载作用下，桩侧各土层的分层极限侧阻摩擦力和桩端土的端阻力；确定在满足设计要求承载力条件下，工程桩的累积沉降量是否能满足设计要求，并确定桩顶荷载-桩顶位移曲线，为设计提供依据。
2 工程概况
2.1 车站概况
石家庄市城市轨道交通3#线一期工程中山广场站位于中山路与中华大街交口，为1、3号线换乘站，1号线车站沿中山路呈东西向敷设，3号线车站沿中华大街呈南北向敷设，两车站呈T型换乘。1号线车站为双层三跨岛式站台车站。3号线车站为三层三跨岛式站台车站。两车站主体采用盖挖逆作法施工，施工阶段需在底板下设置工程桩，作为中间竖向支撑，承担施工阶段竖向荷载，1号线车站双层结构下和3号线车站三层结构下设置有φ2000mm工程桩，一柱一桩，采用桩端及桩侧后注浆施工工艺，试桩数量均为3根，锚桩每个试桩设4根；1号线的试桩有效桩长25m，总长42.68m，3号线的试桩有效桩长22m，总长47m.锚桩采用φ1200mm钻孔灌注桩，1号线锚桩桩长35.5m，3号线锚桩桩长37.3m，均采用桩侧注浆。试桩钢筋采用钢板箍和螺旋筋将主筋连接成钢筋笼，锚桩采用加劲箍和螺旋筋将主筋连接成钢筋笼，混凝土均采用C40商品砼。由于1号线和3号线试桩结果相似，此次分析以3号线为例进行分析。
2.2 地质状况
3号线车站主体所在土层主要有杂填土、黄土状粉质粘土、粉细砂、中粗砂、含卵石中粗砂、粉质粘土。车站底板位于细中砂层，工程桩桩底位于含卵石中粗砂层。
3 工程桩试桩方法及原理
3.1 工程桩试桩方法选择
方法1：自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力装置
加载和沉降观测位置设置在设计桩顶标高，需在桩体内预设加载用荷载箱，沉降观测基准通过钢绞线在保护套管内引出。
优点是：可充分利用试桩无效桩身提供的反力，从而可降低锚桩反力。
缺点是：有一定的失败概率。必须严格控制施工过程。
方法2：锚桩法+无效摩阻物理法减除
加载位置选择在地表，无效段用无剪力介质隔离桩体与土层。沉降观测位置可分别设置在设计桩顶标高和地面标高，尚可较精确测定桩身无效段的压缩变形。
优点是：可部分降低锚桩反力成本，方法更可靠，对施工过程无太严格要求。
缺点是：无效桩长不宜太长，无效桩长过长无剪力介质安装施工难度大。
由于中山广场站3号线无效桩长达25米，采用锚桩法+无效摩阻物理法减除施工难度大，最后选用自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力装置。
3.2 工程桩试桩原理
用垂直静载荷抗压、低应变动测法及超声波透射法，分别作试验检测，静荷载前先进行超声波检测及低应变动测。抗压试桩基桩静载荷试验采用自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力法，加载和沉降观测位置设置在设计桩顶标高，需在桩体内预设加载用荷载箱，沉降观测基准通过钢绞线在保护套管内引出。并要求在试验中采用四根φ1200mm锚桩来提供试桩的反力，即在试桩与基坑底交界的位置预埋千斤顶，成桩后利用锚桩及基坑范围内无效桩长的侧阻力检测试桩抗压承载力，本方法可充分利用试桩无效桩身提供的反力，降低锚桩部分反力（详见图1）。
图1 自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力法示意图
4 试验工程桩施工工艺
4.1 施工工艺流程
图2 试桩施工工艺流程图
4.2 反力梁安装及试验数据采集
a.桩头处理完成后，在桩头垫5cm后粗砂进行找平，吊装垫板。如图10所示。
b.桩头找平后，在试桩中心10m范围进行粗砂找平，然后用槽钢与32钢筋焊接4个支架，30根15*15cm方木，对主梁进行加固。桩头垫板标高与支架顶面标高一致。
c.支架与桩头垫板放置好后用70t履带吊进行主梁吊装，再进行副梁和挂篮吊装。
d.挂篮吊装前先用4根32钢筋将锚桩桩头跟副梁进行焊接加固，防止其侧翻；挂篮就位后将挂篮与副梁再进行点焊。
e.焊接挂篮与锚桩连接件，连接件采用32螺纹钢，在现场比对焊接，锚头采用双面焊，两节焊接长度不小于15cm，与锚桩焊接采用单面搭接焊，焊接长度不小于10d（钢筋直径），每根连接件长度约1.5m。
f.连接件焊接完成后，吊装基准梁并测量标高，连接油管至油泵，进行加载，将位移丝及应变计线路连接至电脑程序，搭设工作棚进行数据采集。
g.加载至设计值并卸载完成后对锚桩和挂篮钢筋连接件进行切割拆除，再将反力梁和挂篮用70t履带吊进行拆除，进入下一组试桩试验循环。
5 试验结果及数据分析
5.1 试验方案设计及主要技术应用
5.1.1 地质条件分析
表1 地质条件分析表
5.1.2 承载力确定方法 ①设计要求判定试桩承载力特征值按累计沉降量≤20mm进行控制。
②桩的承载力特征值是通过先确定极限值再除以安全系数2得到特征值，为保持特征值时荷载和变形具有相当的安全系数，故本次试验对于单桩极限承载力的确定也采用变形校核法，即特征值时沉降不大于20mm，极限值时变形不大于40mm，两个条件不能同时满足时需调整极限承载力的取值直至满足条件。
5.1.3 采用桩身压缩量分析技术实现荷载和变形协调分析流程
通过荷载施加进程对桩身应力、应变的观测，引入桩顶荷载和变形的边界条件，实现对全桩身荷载和变形的协调分析。
5.1.4 主要成果参数的分析方法
①承载力：沉降特征（特征值与极限值双控）。
②承载类型：摩阻、端阻随荷载的分布特征。
③最大摩阻、极限摩阻：摩阻发挥进程分析。
④端阻力：端阻力发挥程度分析。
5.2 试验结果及分析
5.2.1 中山广场站3号线3根试验工程桩成桩地质柱状图及设计勘察柱状图对比，试桩持力层为含卵砾石中粗砂，与设计一致。
5.2.2 载荷试验曲线
试桩试验数据及分析
表2 试桩载荷试验数据
图3 试桩载荷试验Q-S曲线图
5.2.3 试验桩持力层分析
由图4可分析得知主要持力层较均布，对承载力贡献最大的为⑥3含卵砾石中粗砂、⑦層（多个亚层）。
近一步对试桩持力层承载力贡献分析可得：试桩的桩周主要地层为第⑥3含卵中粗砂层，对承载力的贡献平均占36%，第⑦层（含该层的1、6、7亚层）对承载力的贡献平均占50%，第⑧3中粗砂层，对承载力的贡献平均占6%。桩端持力层为第⑧1层，对承载力的贡献平均占9%。故试桩主要持力层为⑥3、⑦层。
由图5对试桩持力层承载性状分析得：试桩极限承载力时，均表现为应力强化。应力强化说明荷载继续增大时沉降也继续增大，但承载力不会丧失。这对工程应用是有利的。
图5 试桩摩阻与位移曲线图
5.2.4 试桩端阻力发挥程度分析
由图6曲线分析可知实测试桩最大端阻力1717kPa，桩端位移均较大，端阻力明显偏小（平均值远不及勘察提供⑧1层值3000kPa）。从桩端阻曲线形态判断，即桩端⑧1层没有产生足够承载力。
图6 试桩桩端摩阻力与沉降量曲线图
5.2.5 试桩极限承载力分析
通过分析得试桩承载力主要试验结论：
试桩极限承载力为：39756kN
特征值为：19878kN；对应沉降为4.18mm，沉降符合设计要求。
基桩承载类型为（近似）摩擦桩（侧阻91% ，端阻9%） 。
结束语
（1）锚桩+自平衡混合反力法试验工程桩优点是可充分利用试桩无效桩身提供的反力，从而可降低锚桩反力；缺点加载装置是设置在地面下，存在一定的失败概率，必须严格控制施工过程。
（2）通过试验测定的载荷曲线可以准确有效的反应出桩端承载力和桩侧摩阻力变化，为不同地质条件下工程桩成孔质量控制和桩后注浆提供依据。
（3）通过对石家庄地铁试验工程桩的施工及检测，对以后石家庄地区同地质条件下类似工程施工提供指导性的依据和参考价值。
（4）通过混合反力装置的应用，为今后采用纯自平衡反力装置进行平衡点设计积累了经验。
（5）当承载力达到极限状态时，从现场观察桩周土体破坏范围约为3d，主要表现为环状裂缝，从而验证了桩侧注浆的必要性和重要性。
参考文献
[1]《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003.
[2]《基桩自平衡静载试验法检测技术规程》DB 13（J）/T136-2012.
关键词：试验工程桩；锚桩；摩阻力；端承力；沉降量
1 引言
试验工程桩是根据规范要求，在地铁车站附近选择场地对工程桩进行现场试验，通过试桩检测灌注桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度，判别和鉴定桩底处岩土状况，判定桩身完整性类别；确定单桩抗压极限承载力；判定竖向抗压承载力是否满足设计要求；判定在满足设计要求的沉降量条件下，其单桩竖向抗压承载力是否满足设计要求；确定各级荷载作用下，桩侧各土层的分层极限侧阻摩擦力和桩端土的端阻力；确定在满足设计要求承载力条件下，工程桩的累积沉降量是否能满足设计要求，并确定桩顶荷载-桩顶位移曲线，为设计提供依据。
2 工程概况
2.1 车站概况
石家庄市城市轨道交通3#线一期工程中山广场站位于中山路与中华大街交口，为1、3号线换乘站，1号线车站沿中山路呈东西向敷设，3号线车站沿中华大街呈南北向敷设，两车站呈T型换乘。1号线车站为双层三跨岛式站台车站。3号线车站为三层三跨岛式站台车站。两车站主体采用盖挖逆作法施工，施工阶段需在底板下设置工程桩，作为中间竖向支撑，承担施工阶段竖向荷载，1号线车站双层结构下和3号线车站三层结构下设置有φ2000mm工程桩，一柱一桩，采用桩端及桩侧后注浆施工工艺，试桩数量均为3根，锚桩每个试桩设4根；1号线的试桩有效桩长25m，总长42.68m，3号线的试桩有效桩长22m，总长47m.锚桩采用φ1200mm钻孔灌注桩，1号线锚桩桩长35.5m，3号线锚桩桩长37.3m，均采用桩侧注浆。试桩钢筋采用钢板箍和螺旋筋将主筋连接成钢筋笼，锚桩采用加劲箍和螺旋筋将主筋连接成钢筋笼，混凝土均采用C40商品砼。由于1号线和3号线试桩结果相似，此次分析以3号线为例进行分析。
2.2 地质状况
3号线车站主体所在土层主要有杂填土、黄土状粉质粘土、粉细砂、中粗砂、含卵石中粗砂、粉质粘土。车站底板位于细中砂层，工程桩桩底位于含卵石中粗砂层。
3 工程桩试桩方法及原理
3.1 工程桩试桩方法选择
方法1：自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力装置
加载和沉降观测位置设置在设计桩顶标高，需在桩体内预设加载用荷载箱，沉降观测基准通过钢绞线在保护套管内引出。
优点是：可充分利用试桩无效桩身提供的反力，从而可降低锚桩反力。
缺点是：有一定的失败概率。必须严格控制施工过程。
方法2：锚桩法+无效摩阻物理法减除
加载位置选择在地表，无效段用无剪力介质隔离桩体与土层。沉降观测位置可分别设置在设计桩顶标高和地面标高，尚可较精确测定桩身无效段的压缩变形。
优点是：可部分降低锚桩反力成本，方法更可靠，对施工过程无太严格要求。
缺点是：无效桩长不宜太长，无效桩长过长无剪力介质安装施工难度大。
由于中山广场站3号线无效桩长达25米，采用锚桩法+无效摩阻物理法减除施工难度大，最后选用自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力装置。
3.2 工程桩试桩原理
用垂直静载荷抗压、低应变动测法及超声波透射法，分别作试验检测，静荷载前先进行超声波检测及低应变动测。抗压试桩基桩静载荷试验采用自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力法，加载和沉降观测位置设置在设计桩顶标高，需在桩体内预设加载用荷载箱，沉降观测基准通过钢绞线在保护套管内引出。并要求在试验中采用四根φ1200mm锚桩来提供试桩的反力，即在试桩与基坑底交界的位置预埋千斤顶，成桩后利用锚桩及基坑范围内无效桩长的侧阻力检测试桩抗压承载力，本方法可充分利用试桩无效桩身提供的反力，降低锚桩部分反力（详见图1）。
图1 自平衡法+锚桩反力相结合的混合反力法示意图
4 试验工程桩施工工艺
4.1 施工工艺流程
图2 试桩施工工艺流程图
4.2 反力梁安装及试验数据采集
a.桩头处理完成后，在桩头垫5cm后粗砂进行找平，吊装垫板。如图10所示。
b.桩头找平后，在试桩中心10m范围进行粗砂找平，然后用槽钢与32钢筋焊接4个支架，30根15*15cm方木，对主梁进行加固。桩头垫板标高与支架顶面标高一致。
c.支架与桩头垫板放置好后用70t履带吊进行主梁吊装，再进行副梁和挂篮吊装。
d.挂篮吊装前先用4根32钢筋将锚桩桩头跟副梁进行焊接加固，防止其侧翻；挂篮就位后将挂篮与副梁再进行点焊。
e.焊接挂篮与锚桩连接件，连接件采用32螺纹钢，在现场比对焊接，锚头采用双面焊，两节焊接长度不小于15cm，与锚桩焊接采用单面搭接焊，焊接长度不小于10d（钢筋直径），每根连接件长度约1.5m。
f.连接件焊接完成后，吊装基准梁并测量标高，连接油管至油泵，进行加载，将位移丝及应变计线路连接至电脑程序，搭设工作棚进行数据采集。
g.加载至设计值并卸载完成后对锚桩和挂篮钢筋连接件进行切割拆除，再将反力梁和挂篮用70t履带吊进行拆除，进入下一组试桩试验循环。
5 试验结果及数据分析
5.1 试验方案设计及主要技术应用
5.1.1 地质条件分析
表1 地质条件分析表
5.1.2 承载力确定方法 ①设计要求判定试桩承载力特征值按累计沉降量≤20mm进行控制。
②桩的承载力特征值是通过先确定极限值再除以安全系数2得到特征值，为保持特征值时荷载和变形具有相当的安全系数，故本次试验对于单桩极限承载力的确定也采用变形校核法，即特征值时沉降不大于20mm，极限值时变形不大于40mm，两个条件不能同时满足时需调整极限承载力的取值直至满足条件。
5.1.3 采用桩身压缩量分析技术实现荷载和变形协调分析流程
通过荷载施加进程对桩身应力、应变的观测，引入桩顶荷载和变形的边界条件，实现对全桩身荷载和变形的协调分析。
5.1.4 主要成果参数的分析方法
①承载力：沉降特征（特征值与极限值双控）。
②承载类型：摩阻、端阻随荷载的分布特征。
③最大摩阻、极限摩阻：摩阻发挥进程分析。
④端阻力：端阻力发挥程度分析。
5.2 试验结果及分析
5.2.1 中山广场站3号线3根试验工程桩成桩地质柱状图及设计勘察柱状图对比，试桩持力层为含卵砾石中粗砂，与设计一致。
5.2.2 载荷试验曲线
试桩试验数据及分析
表2 试桩载荷试验数据
图3 试桩载荷试验Q-S曲线图
5.2.3 试验桩持力层分析
由图4可分析得知主要持力层较均布，对承载力贡献最大的为⑥3含卵砾石中粗砂、⑦層（多个亚层）。
近一步对试桩持力层承载力贡献分析可得：试桩的桩周主要地层为第⑥3含卵中粗砂层，对承载力的贡献平均占36%，第⑦层（含该层的1、6、7亚层）对承载力的贡献平均占50%，第⑧3中粗砂层，对承载力的贡献平均占6%。桩端持力层为第⑧1层，对承载力的贡献平均占9%。故试桩主要持力层为⑥3、⑦层。
由图5对试桩持力层承载性状分析得：试桩极限承载力时，均表现为应力强化。应力强化说明荷载继续增大时沉降也继续增大，但承载力不会丧失。这对工程应用是有利的。
图5 试桩摩阻与位移曲线图
5.2.4 试桩端阻力发挥程度分析
由图6曲线分析可知实测试桩最大端阻力1717kPa，桩端位移均较大，端阻力明显偏小（平均值远不及勘察提供⑧1层值3000kPa）。从桩端阻曲线形态判断，即桩端⑧1层没有产生足够承载力。
图6 试桩桩端摩阻力与沉降量曲线图
5.2.5 试桩极限承载力分析
通过分析得试桩承载力主要试验结论：
试桩极限承载力为：39756kN
特征值为：19878kN；对应沉降为4.18mm，沉降符合设计要求。
基桩承载类型为（近似）摩擦桩（侧阻91% ，端阻9%） 。
结束语
（1）锚桩+自平衡混合反力法试验工程桩优点是可充分利用试桩无效桩身提供的反力，从而可降低锚桩反力；缺点加载装置是设置在地面下，存在一定的失败概率，必须严格控制施工过程。
（2）通过试验测定的载荷曲线可以准确有效的反应出桩端承载力和桩侧摩阻力变化，为不同地质条件下工程桩成孔质量控制和桩后注浆提供依据。
（3）通过对石家庄地铁试验工程桩的施工及检测，对以后石家庄地区同地质条件下类似工程施工提供指导性的依据和参考价值。
（4）通过混合反力装置的应用，为今后采用纯自平衡反力装置进行平衡点设计积累了经验。
（5）当承载力达到极限状态时，从现场观察桩周土体破坏范围约为3d，主要表现为环状裂缝，从而验证了桩侧注浆的必要性和重要性。
参考文献
[1]《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003.
[2]《基桩自平衡静载试验法检测技术规程》DB 13（J）/T136-2012.