O-Cell 法在樁極限荷載試驗中的運用以及平衡點的確定

李方

(中鐵建設集團南方工程有限公司，廣州511458）

1 引言

O-Cell 試樁法[1]的原理是：根據(jù)試驗荷載的大小特制一種荷載箱（主要設備為千斤頂），通過計算確定其在樁身中的位置并提前埋置，通過外部與荷載箱相連的加壓設備對其加載，此時荷載箱將同時對試驗樁產(chǎn)生向上、向下的力，在力的作用下，荷載箱上部以及下部的樁體發(fā)生位移，上部樁體產(chǎn)生向下的樁側(cè)摩阻力，下部樁體產(chǎn)生向上的樁側(cè)摩阻力以及樁端阻力，通過與樁身相連的位移傳感器的讀數(shù)，即可得到上、下樁段的Q-S（荷載-位移）曲線，通過對試驗數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換，即可得到試驗樁的單樁極限承載力。具有試驗裝置相對簡單、場地適用性強、安全性高、成本較低、能夠適用于更多復雜環(huán)境條件的優(yōu)點。

2 澳門名勝酒店項目簡介

澳門金銀島酒店項目臨近澳門亞馬喇前地，為全逆作法施工，基坑圍護和止水采用厚800mm 的入巖地下連續(xù)墻，采用“一樁一柱”的樁柱形式作為地下室和上部結構的豎向支撐體系，主樓區(qū)域設計為樁筏基礎，樁基由28 根直徑2.5m 的嵌巖樁組成，為了反饋真實地質(zhì)條件參數(shù)，為工程樁的設計提供參考，進行單樁承載力試驗，試驗預計最高荷載為66MN，從試驗的可操作性兼顧安全性以及經(jīng)濟性考慮決定采用O-Cell試樁法，試驗結束后，試驗樁不充當工程樁使用。

3 現(xiàn)場O-Cell 單樁承載力試驗

3.1 試驗樁參數(shù)

試驗樁樁徑為1.5m，最大測試荷載為設計工作荷載的3倍，O-Cell 試樁使用單層荷載箱，有關測試樁的相關信息如下：

測試樁直徑1.5m；設計工作荷載22MN；最大試驗荷載66MN；樁頂標高+24.56m；荷載箱標高-25.44m；荷載箱組成5×800t；柱底標高-32.44m；入巖深度3.0m；保護層厚度75mm；位移傳感器8 個；應變儀84 個（21 層）。

O-Cell 試樁法的步驟為：（1）校正千斤頂以及加工荷載箱；（2）旋挖樁挖孔施工；（3）綁扎鋼筋籠，將荷載箱在平衡點位置與鋼筋籠焊接，并將測位移設備以及高壓輸液管在鋼筋籠上安裝固定；（4）旋挖鉆孔樁清孔；（5）下放鋼筋籠；（6）澆筑樁身混凝土；（7）當樁身混凝土到達28d 設計強度后開始試驗。

3.2 加載和卸載過程

本試驗共采用了3 次循環(huán)，3 次循環(huán)加載的峰值分別為樁工作荷載的150%、200%、300%，第三次循環(huán)加荷載量以及加載時間如表1 所示，第一次循環(huán)除了在峰值150%的加載時間為1 440min 外，其余數(shù)據(jù)和表1 中區(qū)間[0%,150%]的數(shù)據(jù)相同，第二次循環(huán)加載值、加載時間和表1 中區(qū)間[0%,200%]的數(shù)據(jù)相同。

表1 第三次循環(huán)加載和卸載時荷載量及時間統(tǒng)計

按照上述進行樁基加載和卸載過程時，第一次循環(huán)以及第二次循環(huán)順利完成，第三次循環(huán)當從262.5%向275%加載的過程中發(fā)現(xiàn)，樁頂被頂出地面，千斤頂超出最大行程，試驗結束。

3.3 試驗數(shù)據(jù)整理分析

通過試驗可以得到3 次循環(huán)中樁頂、樁底、荷載箱頂、荷載箱底位移和加載荷載的關系圖，并且根據(jù)相應的承載力轉(zhuǎn)化公式可求得樁側(cè)各層土的摩擦力以及端阻力，本次工程試驗可求得在荷載箱之上最大樁側(cè)摩擦力為68.2t/m2，荷載箱之下最大樁側(cè)摩擦力為72.2t/m2，樁端阻力473.6t/m2。

4 荷載箱位置的確定

本試驗結束時并沒有使荷載箱上、下2 部分的樁同時達到極限承載力，即荷載箱上部樁達到極限承載力，而下部樁并沒有到達，從而得到的整個試驗樁的極限承載力是偏小的，試驗樁的承載能力也并沒有充分發(fā)揮出來，所以，荷載箱埋設深度的確定是整個O-Cell 試樁法最關鍵一步。從而引入平衡點的概念，即荷載箱上部樁所受負摩阻力+荷載箱上部樁自重=荷載箱下部樁所受側(cè)摩阻力+樁端阻力，只有當荷載箱的埋設位置和試驗樁的平衡點位置重合時，才能使上、下部分樁同時達到極限承載力。

目前，確定平衡點位置常用的方法主要有3 種，分別為經(jīng)驗估算法、相似試驗模擬法、數(shù)值模擬法：（1）經(jīng)驗估算法。對試驗樁的參數(shù)和試驗樁樁側(cè)各土層物理參數(shù)進行歸納分析，通過建立單樁承載力和各土層參數(shù)之間的關系式，從而確定平衡點的位置；此方法原理簡單，因為計算所用的參數(shù)多來自地勘或者工程經(jīng)驗，不能完全真實地反映試驗樁和周圍地質(zhì)相互作用下的受力特征，使用此方法計算出來的平衡點位置，多數(shù)使試驗結果低于試驗樁實際的承載力，造成浪費；（2）相似試驗模擬法。主要通過一系列室內(nèi)試驗來比較真實的模擬試驗樁和周圍地質(zhì)相互作用下的受力特征，從而得出所需要的樁土參數(shù)并確定樁基承載力，最后再確定平衡點的位置。因為考慮了尺寸效應、地層環(huán)境等的影響，整個試驗過程可以真實地模擬試驗樁的實際工作環(huán)境，所求平衡點位置會更加準確，但是試驗成本較高；（3）數(shù)值模擬法。使用有限元思想，通過建立彈塑性模型對試驗樁受荷載情況進行模擬分析，在此模擬的基礎上，計算出試驗樁樁基承載力，進而推算試驗樁平衡點的位置[2]，該方法的準確性主要和模型的建立以及土層參數(shù)的選取有關。

本次試驗樁荷載箱位置的確定采用經(jīng)驗估算法，由試驗結果可知，荷載箱的位置在試驗樁平衡點之上。截至目前，有限元思想得到長足發(fā)展，在做好試驗樁位置及周邊地質(zhì)詳勘的前提下，先是通過經(jīng)驗估算法得到平衡點位置，然后使用數(shù)值模擬法進行驗證并調(diào)整，不失為比較經(jīng)濟而且可以提高試驗準確性的方法。

5 結論

通過對澳門金銀島項目單樁多循環(huán)O-Cell 試樁法過程的描述以及試驗數(shù)據(jù)的處理，總結目前常用的3 種確定平衡點的方法，對比分析每種方法的利弊，提出經(jīng)驗估算法和數(shù)值模擬法相結合確定平衡點位置的做法，在成本增加很小的前提下可以大大提高試驗樁的準確性。