第一节 桩基试验
高速铁路对桥涵基础的工后沉降要求非常严格。轨道铺设完成以后，静定结构墩台基础的工后最大均匀沉降量为20mm（无砟轨道桥）或30mm（有砟轨道桥），相邻墩台基础的工后沉降差不应超过5mm（无砟轨道桥）或15mm（有砟轨道桥）。超静定结构相邻墩台基础的工后沉降差除需满足上述要求外，还要根据沉降差对结构产生的附加应力的影响确定其最大相对沉降量。
京沪高速铁路沿线地质条件复杂，所经地域软土、松软土、深厚软土分布范围广，区域性明显。北京至济南段、徐州至蚌埠段、丹阳至上海段内大面积分布松软土层、淤泥质土层，最大厚度深达50m，部分地区存在区域地面沉降现象。软土层具有含水量大、压缩性高、透水性差、强度低、固结变形时间长等特点，其软基变化经历前期快速沉降到后期稳定的长期过程。沿线还存在湿陷性黄土、膨胀性黏土、岩溶、采空区等，部分地区地下水丰富，侵蚀作用明显。因此，京沪高速铁路桥梁的基础沉降控制，尤其是深厚软土、松软土地区桩基础的沉降控制，是桥梁工程的难点之一。桥梁大量采用钻孔灌注桩基础，其相关的设计参数如何取值，是高速铁路桥梁基础设计中必须解决的基本问题。
一、一般桩基试验
1.软土桩基动静载模拟试验
鉴于软土地基桩基础对高速铁路车辆荷载的反应更为敏感，京沪高速铁路桥梁基础的早期研究从深厚软弱地基桩基础开始。
1997年开展的“高速铁路深厚软弱地基上桥梁基础合理形式及设计研究”，采集了苏锡常地区软土地质钻孔土样，在试验室内进行模拟软土桩基动、静载试验。室内动力激振试验研究认为，位于软土地基桥梁桩基础的动承载力将下降，动静比值为0.80左右。
为充分了解软土地基桥梁桩基在高速列车动荷载长期作用下的工作性状，2002年12月～2003年10月，在京沪高速铁路昆山试验段线位上进行了现场“软土地基桥梁桩基础单桩动静载试验研究”，选择两种桩径共6根工程桩作为试验桩（表4.1.1）进行加载。
表4.1.1 昆山试验段试验桩基本参数
同直径三根ф0.55m管桩试验结果表明：
（1）振动次数25万次以后，桩顶累积竖向位移几乎没有变化（即桩基不再产生下沉），振动次数达到100万次时，三桩桩顶的平均沉降量为0.33mm，说明类似预应力混凝土管桩基础不会在列车运行的反复荷载作用下产生工后沉降。
（2）动荷载作用下桩顶的振幅逐渐减小，振动次数达到20～30万次以后，桩顶动位移趋于稳定，因此可以认为桩基的动力特性基本呈现弹性性质。
（3）从距桩顶12m左右开始往下，几乎检测不到动应变数值，说明动荷载作用下基桩深层没有动力响应。
（4）动载开始阶段，桩上部软土层（桩身6.5m以上）的侧摩阻力随动载次数的增加逐渐减小，桩下部粉质黏土与粉砂层的侧摩阻力则有所增加。桩周软土层侧摩阻力减小的最大幅度约16％，粉砂层侧摩阻力的增加幅度不超过20％。这种上部软土层侧摩阻力减小、下部土层侧摩阻力增加的现象在振动次数达30万次时基本稳定。
ф1.0m钻孔桩动载试验与ф0.55m管桩呈类似特性。在静载和固定频率及振幅的动荷载共同作用下，动荷载循环作用100万次后三根ф1.0m试验钻孔桩由于动载影响而产生的桩顶平均沉降为0.34mm。动载循环作用过程中，桩身轴力（桩侧摩阻力）发生了局部调整，调整主要集中在桩顶以下三分之一桩长范围内，调整最大幅度约为10％，基本规律是桩身侧摩阻力在桩顶以下0～6.2m呈现弱化现象、6.2～23m呈现增强现象、23m以下几乎没变化。动荷载循环作用达70万次后，桩顶动位移、桩身轴力（桩侧摩阻力）调整等均达到稳定状态。
基于以上试验结果，研究认为，在桩端持力层较好的情况下，高速铁路软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由高密度、高速度列车反复作用对桩基工后沉降和竖向承载力的影响，即受高速铁路较高激振频率影响的桥梁桩基，其极限摩阻力可以按普通铁路桥梁取值。
对于试验段类似工点，群桩基础沉降能够满足架梁完成6个月后铺设轨道的工后沉降控制要求。由于土体的蠕变效应，在维持荷载条件不变的情况下，群桩基础的沉降随着时间的增加而增大，沉降速率缓慢减小，完成最终沉降需要相当长的时间。总体上看，桥墩群桩基础的沉降较为均匀，桥台群桩基础的沉降则具有不均匀性，台后的绝对沉降量大，台前的绝对沉降量小，但桥台加载6个月后的沉降发展亦较为均匀。
2.沿线桩基静载试验工点
为了选择合理的设计参数，验证和优化施工图设计，提高设计可靠度，2006年5月～8月，以地质条件差、常用跨度梁和重点桥梁工程为依据，结合现场施工条件，铁三院、铁四院分别在京徐段、徐沪段选择了9个及10个代表性工点进行桩基静载试验（表4.1.2）。每个工点试桩一组，每组三根桩，合计ф1.0m钻孔桩十四组，ф1.25m钻孔桩三组，ф1.50m钻孔桩两组。
表4.1.2 桩基静载试验工点概况
续上表
3.单桩竖向静载试验
单桩竖向抗压静载试验采用锚桩横梁反力装置（图4.1.1）。
图4.1.1 锚桩横梁反力装置
加载采用三个5000kN油压千斤顶并联，通过电动油泵驱动加载，千斤顶的合力通过试桩中心。试桩的沉降变形通过对称布置于桩头的4个位移计测量，锚桩的上拔量通过设置在锚桩桩顶的量程为50mm百分表测量。桩基施工时，在桩底埋设压力盒以测量试验桩的桩端阻力。同时，结合桩基所在位置的地质分层情况，在桩身若干个截面预埋钢筋计（每截面4个测点）以测量桩侧摩阻力。
试验终止加载条件为：①在达到设计要求最大加载值（设计单桩容许承载力的2倍）之前出现下列情况之一者即可卸载，即某级荷载作用下桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍，或桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍且经24小时尚未达至相对稳定，或桩顶累计沉降量超过40mm；②试验荷载已达到要求最大试验荷载；③锚桩上拔量达10mm。
单桩竖向静载试验表明，大部分试验桩在2倍设计荷载作用下未达到极限状态，设计是安全、可行的；桩身上部黏土、粉土及粉砂层在最大竖向试验荷载下的单位摩阻力普遍低于规范建议值，其原因与成孔时选用的泥浆比重较大、成孔及空孔时间较短、桩周泥浆扩散固化及土体扰动后恢复时间不足有关，但总体来看，采用规范值是合适的；除少数试验桩在加载至破坏时的桩端阻力占最大试验荷载的比例较大外，大部分试验桩的竖向承载力均能较好地满足设计要求。
4.单桩水平静载试验
单桩水平静载试验的水平推力采用邻桩作为反力体，其试验装置如图4.1.2所示。
图4.1.2 水平静载试验装置
试验采用一个1000kN油压千斤顶，通过电动油泵驱动加载，千斤顶的合力通过试桩中心。加载方式为慢速维持荷载法，每级按等量60kN加载，第一级按2倍分级加载。试桩的沉降变形通过对称布置于桩头的百分表测量，桩身应力测点布置与前述单桩竖向静载试验相同，在桩基施工时预埋。
当出现下列情况之一时，即可终止加载：①桩身折断；②水平位移超过50mm。
单桩水平静载试验表明，实测桩侧地基比例系数m值的离散性较小，其平均值在规范建议值范围内；各工点试验桩的水平力与最大弯矩截面钢筋应力曲线上的临界水平荷载和极限水平荷载明显，试验桩最大弯矩点均位于地面以下3.2～6.0m范围；水平承载力设计值一般小于实测值，是因为设计值是按地面处桩的水平位移为6.0mm来计算的（规范规定桩的水平位移不超过6.0mm），而实测水平承载力即水平承载力特征值或临界水平荷载所对应的水平位移均大于6.0mm。
二、桩基沉降控制
高速铁路桥梁桩基按基础沉降量和桩基承载力双控进行设计。
由于京沪高速铁路所处范围地质土层承载力较差，存在软弱夹层和部分液化土层，一般情况下是沉降控制桩基的长度。从桩基沉降计算方法分析，将桩基的持力层放在压缩模量较高的地层内是控制基础沉降的有效方法之一。计算表明，如果桩基持力层位于压缩模量低于10.0MPa的土层内，将沉降量控制在30mm以内是很困难的。因此，基础设计时应选择合适的桩底持力层，要求持力层具有较高的压缩模量和承载力，或者能保证沉降在较短的时间内完成（如粉砂、细砂层）。
但是，由于沉降计算的理论比较粗放，受地质钻孔取样、化验等条件的限制，计算的参数往往难以确定，计算得到的沉降量只是一个预估值。基于此，一方面在工程上应有恢复轨面高程的预备措施，如把支座的高程调高以使轨面高程恢复到正常使用状态；另一方面在设计桩基时，当桩基持力层位于承载能力比较小或压缩性较大地基时，应检算桩基工后沉降量，在计算沉降量不满足要求时采取加大桩长、让桩基位于沉降量较小的持力层上或增加桩数等措施，避免工后沉降量过大。为使相邻墩台沉降差满足规范要求，一般将基底置于同一土层中。若采取上述种种措施后仍无法满足沉降限值要求，需在相邻几个墩台上设置可调高支座。
然而，基础沉降是一个缓慢的过程，特别是在架梁、铺轨、调试至开始运营有一个较长的时间段，一般桥梁的沉降大部分已经在这一段时间内完成。随着时间的推移，沉降的速度是逐渐变缓的。实际工作中，根据沉降缓慢的特性，可以很好地监测并比较准确地预测沉降。因此，只要加强观测，墩台基础的沉降是不至于影响列车运行安全的。
桩基础的平面布置形式以尽可能加大下部结构横向刚度为原则，有行列式和梅花式之分。对于桥墩的横向刚度来说，行列式是梅花式的1.2倍左右，而承台体积则是梅花式的0.773倍。因此，在纵向刚度不控制的情况下，桩基础的平面布置应尽量采用行列式布置，而且行列式比梅花式更方便施工。对于墩高20m以下的桥墩基础，一般地质条件下按8ф1.00m、10ф1.00m、11ф1.00m、12ф1.00m布置，如采用ф1.25m桩径则按6ф1.25m、8ф1.25m、9ф1.25m布置。从受力分散和经济性考虑，一般使用小直径桩基础；若桩长超过50m，则多使用大直径桩基础。
京沪高速铁路采用桩径1.0m的钻孔桩为常用跨度桥梁的首选桩径，桩径1.25m和1.5m的钻孔桩使用于高墩、水中墩或连续梁桥墩。桩基配筋按照计算确定，但配筋率不小于0.5％。一般情况下，桩身配筋长度按照25m进行布置，在承台底面以下6m范围设置双筋以加强桩头的抗弯能力。桩身箍筋在承台以下3倍桩径范围内的间距为10cm，其余部分按20cm间距布置。按照新的抗震规范，7度地区墩身配筋率为0.25％，桩基配筋率为1.2％；8度地区墩身配筋率为0.38％，桩基配筋率为1.4％。对于软土地段的桩基础，采用通长配筋。
承台配筋根据国外咨询情况，按深梁计算配筋量，在承台六面均配置HRB335钢筋。承台顶面采用ф16mm钢筋，间距20cm；有加台的底层承台顶面采用ф14mm钢筋，间距20cm；其余各面均采用ф12mm钢筋。
桥梁设计时，一般先根据恒载（包括二期恒载）计算出基础的总沉降量，再按经验系数折减得到工后沉降量，往往造成工后沉降的估值偏小。事实上，工后沉降是指铺轨以后产生的基础沉降量，铺轨时及铺轨后增加的恒载所产生的沉降应视为工后沉降的一部分且不予折减，沉降控制时应考虑此因素的影响。