李方

(中鐵建設(shè)集團(tuán)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(yàn)荷載的大小特制一種荷載箱（主要設(shè)備為千斤頂），通過(guò)計(jì)算確定其在樁身中的位置并提前埋置，通過(guò)外部與荷載箱相連的加壓設(shè)備對(duì)其加載，此時(shí)荷載箱將同時(shí)對(duì)試驗(yàn)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(guò)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(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)換，即可得到試驗(yàn)樁的單樁極限承載力。具有試驗(yàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、場(chǎng)地適用性強(qiáng)、安全性高、成本較低、能夠適用于更多復(fù)雜環(huán)境條件的優(yōu)點(diǎn)。

2 澳門(mén)名勝酒店項(xiàng)目簡(jiǎn)介

澳門(mén)金銀島酒店項(xiàng)目臨近澳門(mén)亞馬喇前地，為全逆作法施工，基坑圍護(hù)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(jié)構(gòu)的豎向支撐體系，主樓區(qū)域設(shè)計(jì)為樁筏基礎(chǔ)，樁基由28 根直徑2.5m 的嵌巖樁組成，為了反饋真實(shí)地質(zhì)條件參數(shù)，為工程樁的設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)預(yù)計(jì)最高荷載為66MN，從試驗(yàn)的可操作性兼顧安全性以及經(jīng)濟(jì)性考慮決定采用O-Cell試樁法，試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)樁不充當(dāng)工程樁使用。

3 現(xiàn)場(chǎng)O-Cell 單樁承載力試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樁參數(shù)

試驗(yàn)樁樁徑為1.5m，最大測(cè)試荷載為設(shè)計(jì)工作荷載的3倍，O-Cell 試樁使用單層荷載箱，有關(guān)測(cè)試樁的相關(guān)信息如下：

測(cè)試樁直徑1.5m；設(shè)計(jì)工作荷載22MN；最大試驗(yàn)荷載66MN；樁頂標(biāo)高+24.56m；荷載箱標(biāo)高-25.44m；荷載箱組成5×800t；柱底標(biāo)高-32.44m；入巖深度3.0m；保護(hù)層厚度75mm；位移傳感器8 個(gè)；應(yīng)變儀84 個(gè)（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(diǎn)位置與鋼筋籠焊接，并將測(cè)位移設(shè)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(dāng)樁身混凝土到達(dá)28d 設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開(kāi)始試驗(yàn)。

3.2 加載和卸載過(guò)程

本試驗(yàn)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(shí)間如表1 所示，第一次循環(huán)除了在峰值150%的加載時(shí)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(shí)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(shí)荷載量及時(shí)間統(tǒng)計(jì)

按照上述進(jìn)行樁基加載和卸載過(guò)程時(shí)，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(dāng)從262.5%向275%加載的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，樁頂被頂出地面，千斤頂超出最大行程，試驗(yàn)結(jié)束。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析

通過(guò)試驗(yàn)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(guān)系圖，并且根據(jù)相應(yīng)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(yàn)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(yàn)結(jié)束時(shí)并沒(méi)有使荷載箱上、下2 部分的樁同時(shí)達(dá)到極限承載力，即荷載箱上部樁達(dá)到極限承載力，而下部樁并沒(méi)有到達(dá)，從而得到的整個(gè)試驗(yàn)樁的極限承載力是偏小的，試驗(yàn)樁的承載能力也并沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，所以，荷載箱埋設(shè)深度的確定是整個(gè)O-Cell 試樁法最關(guān)鍵一步。從而引入平衡點(diǎn)的概念，即荷載箱上部樁所受負(fù)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(dāng)荷載箱的埋設(shè)位置和試驗(yàn)樁的平衡點(diǎn)位置重合時(shí)，才能使上、下部分樁同時(shí)達(dá)到極限承載力。

目前，確定平衡點(diǎn)位置常用的方法主要有3 種，分別為經(jīng)驗(yàn)估算法、相似試驗(yàn)?zāi)M法、數(shù)值模擬法：（1）經(jīng)驗(yàn)估算法。對(duì)試驗(yàn)樁的參數(shù)和試驗(yàn)樁樁側(cè)各土層物理參數(shù)進(jìn)行歸納分析，通過(guò)建立單樁承載力和各土層參數(shù)之間的關(guān)系式，從而確定平衡點(diǎn)的位置；此方法原理簡(jiǎn)單，因?yàn)橛?jì)算所用的參數(shù)多來(lái)自地勘或者工程經(jīng)驗(yàn)，不能完全真實(shí)地反映試驗(yàn)樁和周?chē)刭|(zhì)相互作用下的受力特征，使用此方法計(jì)算出來(lái)的平衡點(diǎn)位置，多數(shù)使試驗(yàn)結(jié)果低于試驗(yàn)樁實(shí)際的承載力，造成浪費(fèi)；（2）相似試驗(yàn)?zāi)M法。主要通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)比較真實(shí)的模擬試驗(yàn)樁和周?chē)刭|(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(diǎn)的位置。因?yàn)榭紤]了尺寸效應(yīng)、地層環(huán)境等的影響，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以真實(shí)地模擬試驗(yàn)樁的實(shí)際工作環(huán)境，所求平衡點(diǎn)位置會(huì)更加準(zhǔn)確，但是試驗(yàn)成本較高；（3）數(shù)值模擬法。使用有限元思想，通過(guò)建立彈塑性模型對(duì)試驗(yàn)樁受荷載情況進(jìn)行模擬分析，在此模擬的基礎(chǔ)上，計(jì)算出試驗(yàn)樁樁基承載力，進(jìn)而推算試驗(yàn)樁平衡點(diǎn)的位置[2]，該方法的準(zhǔn)確性主要和模型的建立以及土層參數(shù)的選取有關(guān)。

本次試驗(yàn)樁荷載箱位置的確定采用經(jīng)驗(yàn)估算法，由試驗(yàn)結(jié)果可知，荷載箱的位置在試驗(yàn)樁平衡點(diǎn)之上。截至目前，有限元思想得到長(zhǎng)足發(fā)展，在做好試驗(yàn)樁位置及周邊地質(zhì)詳勘的前提下，先是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估算法得到平衡點(diǎn)位置，然后使用數(shù)值模擬法進(jìn)行驗(yàn)證并調(diào)整，不失為比較經(jīng)濟(jì)而且可以提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性的方法。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)澳門(mén)金銀島項(xiàng)目單樁多循環(huán)O-Cell 試樁法過(guò)程的描述以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，總結(jié)目前常用的3 種確定平衡點(diǎn)的方法，對(duì)比分析每種方法的利弊，提出經(jīng)驗(yàn)估算法和數(shù)值模擬法相結(jié)合確定平衡點(diǎn)位置的做法，在成本增加很小的前提下可以大大提高試驗(yàn)樁的準(zhǔn)確性。