O-Cell 法在桩极限荷载试验中的运用以及平衡点的确定

李方

(中铁建设集团南方工程有限公司，广州511458）

1 引言

O-Cell 试桩法[1]的原理是：根据试验荷载的大小特制一种荷载箱（主要设备为千斤顶），通过计算确定其在桩身中的位置并提前埋置，通过外部与荷载箱相连的加压设备对其加载，此时荷载箱将同时对试验桩产生向上、向下的力，在力的作用下，荷载箱上部以及下部的桩体发生位移，上部桩体产生向下的桩侧摩阻力，下部桩体产生向上的桩侧摩阻力以及桩端阻力，通过与桩身相连的位移传感器的读数，即可得到上、下桩段的Q-S（荷载-位移）曲线，通过对试验数据的处理转换，即可得到试验桩的单桩极限承载力。具有试验装置相对简单、场地适用性强、安全性高、成本较低、能够适用于更多复杂环境条件的优点。

2 澳门名胜酒店项目简介

澳门金银岛酒店项目临近澳门亚马喇前地，为全逆作法施工，基坑围护和止水采用厚800mm 的入岩地下连续墙，采用“一桩一柱”的桩柱形式作为地下室和上部结构的竖向支撑体系，主楼区域设计为桩筏基础，桩基由28 根直径2.5m 的嵌岩桩组成，为了反馈真实地质条件参数，为工程桩的设计提供参考，进行单桩承载力试验，试验预计最高荷载为66MN，从试验的可操作性兼顾安全性以及经济性考虑决定采用O-Cell试桩法，试验结束后，试验桩不充当工程桩使用。

3 现场O-Cell 单桩承载力试验

3.1 试验桩参数

试验桩桩径为1.5m，最大测试荷载为设计工作荷载的3倍，O-Cell 试桩使用单层荷载箱，有关测试桩的相关信息如下：

测试桩直径1.5m；设计工作荷载22MN；最大试验荷载66MN；桩顶标高+24.56m；荷载箱标高-25.44m；荷载箱组成5×800t；柱底标高-32.44m；入岩深度3.0m；保护层厚度75mm；位移传感器8 个；应变仪84 个（21 层）。

O-Cell 试桩法的步骤为：（1）校正千斤顶以及加工荷载箱；（2）旋挖桩挖孔施工；（3）绑扎钢筋笼，将荷载箱在平衡点位置与钢筋笼焊接，并将测位移设备以及高压输液管在钢筋笼上安装固定；（4）旋挖钻孔桩清孔；（5）下放钢筋笼；（6）浇筑桩身混凝土；（7）当桩身混凝土到达28d 设计强度后开始试验。

3.2 加载和卸载过程

本试验共采用了3 次循环，3 次循环加载的峰值分别为桩工作荷载的150%、200%、300%，第三次循环加荷载量以及加载时间如表1 所示，第一次循环除了在峰值150%的加载时间为1 440min 外，其余数据和表1 中区间[0%,150%]的数据相同，第二次循环加载值、加载时间和表1 中区间[0%,200%]的数据相同。

表1 第三次循环加载和卸载时荷载量及时间统计

按照上述进行桩基加载和卸载过程时，第一次循环以及第二次循环顺利完成，第三次循环当从262.5%向275%加载的过程中发现，桩顶被顶出地面，千斤顶超出最大行程，试验结束。

3.3 试验数据整理分析

通过试验可以得到3 次循环中桩顶、桩底、荷载箱顶、荷载箱底位移和加载荷载的关系图，并且根据相应的承载力转化公式可求得桩侧各层土的摩擦力以及端阻力，本次工程试验可求得在荷载箱之上最大桩侧摩擦力为68.2t/m2，荷载箱之下最大桩侧摩擦力为72.2t/m2，桩端阻力473.6t/m2。

4 荷载箱位置的确定

本试验结束时并没有使荷载箱上、下2 部分的桩同时达到极限承载力，即荷载箱上部桩达到极限承载力，而下部桩并没有到达，从而得到的整个试验桩的极限承载力是偏小的，试验桩的承载能力也并没有充分发挥出来，所以，荷载箱埋设深度的确定是整个O-Cell 试桩法最关键一步。从而引入平衡点的概念，即荷载箱上部桩所受负摩阻力+荷载箱上部桩自重=荷载箱下部桩所受侧摩阻力+桩端阻力，只有当荷载箱的埋设位置和试验桩的平衡点位置重合时，才能使上、下部分桩同时达到极限承载力。

目前，确定平衡点位置常用的方法主要有3 种，分别为经验估算法、相似试验模拟法、数值模拟法：（1）经验估算法。对试验桩的参数和试验桩桩侧各土层物理参数进行归纳分析，通过建立单桩承载力和各土层参数之间的关系式，从而确定平衡点的位置；此方法原理简单，因为计算所用的参数多来自地勘或者工程经验，不能完全真实地反映试验桩和周围地质相互作用下的受力特征，使用此方法计算出来的平衡点位置，多数使试验结果低于试验桩实际的承载力，造成浪费；（2）相似试验模拟法。主要通过一系列室内试验来比较真实的模拟试验桩和周围地质相互作用下的受力特征，从而得出所需要的桩土参数并确定桩基承载力，最后再确定平衡点的位置。因为考虑了尺寸效应、地层环境等的影响，整个试验过程可以真实地模拟试验桩的实际工作环境，所求平衡点位置会更加准确，但是试验成本较高；（3）数值模拟法。使用有限元思想，通过建立弹塑性模型对试验桩受荷载情况进行模拟分析，在此模拟的基础上，计算出试验桩桩基承载力，进而推算试验桩平衡点的位置[2]，该方法的准确性主要和模型的建立以及土层参数的选取有关。

本次试验桩荷载箱位置的确定采用经验估算法，由试验结果可知，荷载箱的位置在试验桩平衡点之上。截至目前，有限元思想得到长足发展，在做好试验桩位置及周边地质详勘的前提下，先是通过经验估算法得到平衡点位置，然后使用数值模拟法进行验证并调整，不失为比较经济而且可以提高试验准确性的方法。

5 结论

通过对澳门金银岛项目单桩多循环O-Cell 试桩法过程的描述以及试验数据的处理，总结目前常用的3 种确定平衡点的方法，对比分析每种方法的利弊，提出经验估算法和数值模拟法相结合确定平衡点位置的做法，在成本增加很小的前提下可以大大提高试验桩的准确性。