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生位移，上部樁體產生向下的樁側摩阻力，下部樁體產生向上的樁側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，即可得到上、下樁段的Q-S（荷載-位移）曲線，通過對試驗數據的處理轉換，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境條件的優點。

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，為了反饋真實地質條件參數，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 現場O-Cell 單樁承載力試驗

3.1 試驗樁參數

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，3 次循環加載的峰值分別為樁工作荷載的150%、200%、300%，第三次循環加荷載量以及加載時間如表1 所示，第一次循環除了在峰值150%的加載時間為1 440min 外，其余數據和表1 中區間[0%,150%]的數據相同，第二次循環加載值、加載時間和表1 中區間[0%,200%]的數據相同。

表1 第三次循環加載和卸載時荷載量及時間統計

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

3.3 試驗數據整理分析

通過試驗可以得到3 次循環中樁頂、樁底、荷載箱頂、荷載箱底位移和加載荷載的關系圖，并且根據相應的承載力轉化公式可求得樁側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摩擦力為68.2t/m2，荷載箱之下最大樁側摩擦力為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，分別為經驗估算法、相似試驗模擬法、數值模擬法：（1）經驗估算法。對試驗樁的參數和試驗樁樁側各土層物理參數進行歸納分析，通過建立單樁承載力和各土層參數之間的關系式，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多來自地勘或者工程經驗，不能完全真實地反映試驗樁和周圍地質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試驗來比較真實的模擬試驗樁和周圍地質相互作用下的受力特征，從而得出所需要的樁土參數并確定樁基承載力，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境，所求平衡點位置會更加準確，但是試驗成本較高；（3）數值模擬法。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的選取有關。

本次試驗樁荷載箱位置的確定采用經驗估算法，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展，在做好試驗樁位置及周邊地質詳勘的前提下，先是通過經驗估算法得到平衡點位置，然后使用數值模擬法進行驗證并調整，不失為比較經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O-Cell 試樁法過程的描述以及試驗數據的處理，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，提出經驗估算法和數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。