基于O-cell試驗的基樁形式優化分析

李 闖

(黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 緒 論

PAIRA橋采用鋼筋混凝土現澆鉆孔樁群作為本項目的基樁形式，根據經過計算的橋梁上部結構荷載，在不同墩位置采用不同直徑的現澆鉆孔樁。所有引橋墩使用1.5 m直徑的現澆鉆孔樁，主墩位置P17，主墩位置P18，主墩位置P19，以及過渡墩位置P16，過渡墩位置P20這五個位置分別采用3.5 m直徑和2.5 m直徑的現澆鉆孔樁。

2 O-cell試驗

2.1 O-cell試驗的應用背景

按照原始設計要求，主橋樁和引橋樁混凝土強度都是C35級，對于橋梁基礎3.5 m直徑、2.5 m直徑、1.5 m直徑樁配備的都是高應變鋼筋(60級/420 MPa)。不同之處在于：主河道P17，P18，P19(這3個主墩位置均涉水，其中P17&P19在岸邊，P18處在河流中央)各采用6根3.5 m直徑，130 m長鋼筋混凝土現澆鉆孔樁，合計18根樁，且采用60 m長，50 mm厚的永久鋼護筒，作為樁基沖刷防護。P16&P20(這兩個過渡墩位完全處在陸地上)每個過渡墩各有4根2.5 m直徑，110 m長鋼筋混凝土樁，也采用60 m長，50 mm厚的永久鋼護筒，作為樁基沖刷防護。由于在深水中設置護筒時，其定位的準確性較陸地上差，施工難度亦較大，故規定其在平面位置上的偏差可適當放寬。

在該施工區域地質情況主要為粉質黏沙土情況下按照設計文件進行澆筑的基樁承載能力是否達到設計要求是項目成敗的關在所在，經過多方商議最后選定通過奧斯托堡法也就是O-cell盒方法對試驗樁進行荷載試驗。

2.2 O-cell原理

O-cell是液壓驅動的大容量一次性加載裝置，安裝在基樁單元內。當將載荷施加到O-cell時，它開始在兩個方向上工作：向上克服上側剪切力，向下克服底部阻力和下側剪切力做工。O-cell從土壤或巖石系統以及基礎本身獲取反映信號，而不受制于懸在上部的梁和系梁作用。

通過施加荷載使O-cell盒子產生向上向下兩個方向的力進而使樁本身發生位移，借助預先設置的壓力表和傳感器可以得到軸向荷載-位移傳遞曲線(t-z曲線)以及樁端荷載-位移傳遞曲線(q-z曲線)。

2.3 PAIRA橋試驗樁O-cell測試與分析

本項目于2017年2月19日對直徑為3 500 mm，長度為132.72 m的試驗樁進行了荷載試驗。具體方法是采用4個直徑均為870 mm的O-cell盒安裝在鋼筋籠里面距離樁底16.2 m處，安裝前O-cell盒都校準至35.00 mN。

通過試驗過程中回傳的壓力數據，經過時間線性關系比對繪制，我們得到O-cell施加荷載與位移圖1的位移(mm)與荷載(MN)的曲線圖2。

圖1 O-cell施加荷載與位移

圖2 等效頂部荷載-位移關系

從圖1中得到可持續的雙向施加最大可持續荷載是34.41 mN，此時O-cell盒的向上位移是1.01 mm，向下位移是190.92 mm。整個試驗過程中實際測得的O-cell盒與應力表之間最大滑壁摩擦是121 KPa，在底部產生的位移為183.85 mm時測得最大端部承載力是1 328 KPa。此次試驗滑壁摩擦阻力和樁端部承載力和是54.81 mN。通過等效頂部荷載-位移曲線圖2分析得出出預測性結果為當頂部施加80 mN荷載時，將發生121.7 mm的位移。值得注意的是由于此次試驗中未能充分調動起樁身上部的滑壁摩擦阻力，因此通過等效頂部荷載-位移曲線得出的分析結論可靠性非常保守。在此數據上設計團隊進行了分析，認為有必要對直徑為2 500 mm，長度為130.30 m的試驗樁進行荷載試驗，以對該施工區域的基樁形式進行優化有效性驗證。

2.4 PAIRA橋優化基樁的O-cell測試與分析

因此本項目于2017年12月21日對直徑為2 500 mm，長度為130.30 m的試驗樁進行了荷載試驗。具體方法是采用4個直徑均為690 mm的O-cell盒，兩個為一組分兩層安裝在鋼筋籠里，安裝前O-cell盒都校準至35.00 mN，試樁布局如圖3a，O-cell布局如圖3b&3c。

圖3 試樁布局圖

試驗過程中通過壓力表和其它一起測定的壓力及相關數據，經過時間線性關系比對繪制，得到如下部O-cell荷載與位移圖4a，上部O-cell荷載與位移圖4b。

圖4 上下部O-cell荷載與位移圖

此次試驗分為兩個階段進行，第一階段向樁身下部，也就是下部O-cell盒子施加雙向荷載壓力，從圖4中得到測定的最大可持續的施加荷載是36.48 mN，此時測得安裝在下部O-cell盒的向上位移是3.16 mm，向下位移是76.76 mm。第二階段第一步，向樁身中部施加雙向荷載壓力從圖6中得到測定的最大可持續的施加荷載是52.16 mN，此時測得安裝在上部O-cell盒的向下位移是14.98 mm。第二階段第二步，向樁身上部施加雙向荷載壓力從圖7中可得到測定的最大可持續的施加荷載是44.38 mN，此時測得安裝在上部O-cell盒的向上位移是7.02 mm。整個試驗過程中實際測得滑壁摩擦和樁端部承載力是和是132.70 mN。通過等效頂部荷載-位移曲線分析，如圖4我們得出預測性結果那就是當頂部施加32 mN荷載時，將發生14.00 mm的位移，80 mN荷載時，將發生34.00 mm的位移。

圖5 等效頂部荷載-位移關系

出于此處的應變析的目的，兩次試驗中我們假定了O-cell組件在其膨脹力超過其上部樁身浮力后才對上下兩個相反方向施加荷載。因此，凈載荷(也就是O-cell組件總體施加的荷載減去其上部樁身浮力之后的荷載)被用來確定O-cell組件上部的滑壁摩擦阻力，并繪制等效的頂部載荷位移曲線。第一次Φ3 500 mm樁試驗中，O-cell組件上部樁身浮力取14.01 mN；第二次Φ2 500 mm樁試驗中，底部O-cell組件以上樁身浮力取9.80 mN，上部O-cell組件以上樁身浮力取7.78 mN。

3 結 論

根據豎向抗壓樁的分類，按樁的承載力性狀可分為摩擦型樁和端承型樁，結合本項目實際情況，本橋屬于摩擦端承樁。基于3.5 m直徑和2.5 m直徑試驗樁的O-cell試驗結果分析，結合河床水文沖刷深度計算以及P17，P19位置地勘報告，設計團隊審閱包括過渡跨在內的主橋樁基設計后，修改了主橋基礎設計。在修改后的設計中使用2.5 m直徑的鋼筋混凝土現澆鉆孔樁代替3.5 m直徑的樁作為主橋樁基基礎，樁長維持不變，也就是130 m。P17樁數量增至12，P18樁數量增至16，P19樁數量增至12。P18永久鋼護筒厚度維持50 mm不變，P17&P19鋼護筒厚度從50 mm減小至30 mm。過渡墩P16樁數量由4根增至6根，鋼護筒厚度由50 mm減小至30 mm；過渡墩P20樁數量由4根增至6根，鋼護筒厚度由50 mm減小至30 mm，這樣的基樁形式有利于增強PAIRA河粉質黏沙土地質條件下橋梁的穩定性。

最終的試驗結果滿足規范和設計要求。