O-Cell樁基承載力試驗法在大直徑超長鉆孔嵌巖樁的應用

劉亞東，李勝，史炳峰

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

0 引言

O-Cell樁基承載力試驗法是美國學者JorjO.Osterberg于20世紀80年代首先提出，20世紀90年代后期，這種方法隨著中美學術交流進入了中國。經過近30年的發展和推廣，在歐洲、美國、日本、加拿大、中國香港、菲律賓、孟加拉和新加坡等地多個工程項目上得到推廣、應用、發展，在我國杭州灣跨海大橋等重點項目得到了廣泛應用。

相比傳統試樁方法，該試驗方法可以應用于超大噸位樁基，以及水下、邊坡、地下等特殊環境下不具備堆載和錨樁條件的樁基承載力試驗。試驗費用較常規靜載試驗法費用節省。

1 O-Cell法試驗原理

該方法是把一種特制的加載裝置——荷載箱放置在樁身指定位置，將荷載箱的高壓油管和位移桿引到地面（平臺），通過由高壓油泵在地面（平臺）向荷載箱充油加載，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁極限側摩阻力及自重與下部樁極限側摩阻力及極限端阻力相平衡來維持加載，從而獲得樁的承載力。其測試原理見圖1。

圖1 樁基O-Cell法試驗示意圖

2 主要試驗設備

1）荷載箱：環形試驗加載設備，含上下兩部分，分別連接到鋼筋籠主筋上（鋼筋斷開），內設千斤頂（行程20 cm），如圖2。

2）高壓油泵：最大加壓值為60MPa，加壓精度為每小格0.5MPa。

3）電子位移傳感器：量程50mm（可調），固定在基準鋼梁上，用于測量上、下荷載箱處及試驗樁樁頂位移（見圖3）。

圖2 鉆孔樁荷載箱構造及實物圖

圖3 電子位移傳感器

4）數據自動采集設備（見圖4）。

圖4 數據自動采集設備

3 現場檢測

3.1 加卸載

加卸載應分級、均勻、連續進行。每級加載量為預估最大加載量的1/10～1/15。當樁端為巨粒土[2]、粗粒或堅硬黏質土時，第一級可按兩倍分級荷載加載。卸載時每級卸載量為2～3個加載級的荷載值。

3.2 位移觀測

采用慢速維持荷載法。每級加（卸）載后第1 h內應在第5min、10min、15min、30min、60min測讀位移，以后每隔30min測讀1次，達到相對穩定后方可加（卸）下一級荷載。卸載到零后應至少觀測2min，測讀時間間隔同加載。

3.3 每級荷載下穩定標準

每段樁在施加每級荷載增量后荷載應持續至沉降速率在60min內小于0.25mm。

3.4 終止加載條件

1）Q-S曲線出現陡降段，且本級荷載的下沉量大于或等于前一級荷載的下沉量的5倍時，加載即可終止。

2）某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且經24 h尚未達到相對穩定標準，加載即可終止。

3）荷載已達荷載箱加載極限或位移已超過荷載箱行程，加載即可終止。

4 單樁極限承載力的確定

4.1 根據實測荷載箱上、下位移計算承載力公式

單樁抗壓極限承載力的計算理論公式：

式中：Qu、、、W、γ分別為：單樁豎向抗壓極限承載力、荷載箱上部樁的實測極限值、荷載箱下部樁的實測極限值、荷載箱上部樁有效自重、荷載箱上部樁側向上阻力換算向下折減系數，其中黏性土、粉土γ=0.8，砂土 γ=0.7。

4.2 等效轉換曲線法

將O-Cell法獲得的向上、向下兩條Q-S曲線通過轉換等效為相應的傳統靜載方法獲得的一條Q-S曲線（等效轉換曲線），如圖5所示，根據等效轉換曲線進行判斷極限承載力對應的位移。

圖5 轉換示意圖

根據等效轉換曲線，按以下原則確定單樁極限承載力：

1）對于陡變形曲線，取陡變起始點對應荷載。

2）對于緩變形曲線，取設計沉降標準S對應的荷載。

5 工程實例

5.1 工程概況

馬來西亞某跨海大橋總長約23 km，跨海部分長達16.5 km。主橋為（117.5＋240＋117.5）m三跨斜拉橋。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁底入微風化花崗巖，入巖深度平均達4m。

為保證結構安全可靠，在主墩工程樁附近進行一根非工程樁O-Cell法樁基承載力試驗及樁身土層分層摩阻力測試。

5.2 試驗樁設計參數及土層情況

試驗樁設計參數見表1，土層分布情況見表2。

表1 試驗樁基參數

表2 土層分布表

5.3 試驗樁施工過程簡述

該非工程試驗樁于2009年12月29日開鉆，2010年1月15日終孔。因該樁同時進行樁身側摩阻力試驗，導線安裝耗時較長，直至2010年1月20日才完成導線安裝、下放鋼筋籠及一、二次清孔，開始澆筑混凝土，歷時13 h澆筑完畢。自開鉆至成樁歷時23 d。

5.4 試樁過程簡述

2010年2月20日開始測試，按照試驗方案分15級進行2倍設計工作荷載加載。試驗現場采用帳篷遮陽，防止觀測梁受陽光直接照射。

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當加載到第9級荷載（荷載箱荷載18 187 kN）時，向上位移8.80mm，向下位移約3.24mm。當第9級荷載施加完成后，進行第10級加載，壓力只能穩定在16.5 MPa，此時荷載箱上部那段樁整體不斷被頂出，試驗停止加載，維持荷載7 h后開始分級卸載。

5.5 極限承載力確定

取第9級荷載（18 187 kN）為P25樁上段樁身能克服的極限頂升力。上段樁身有效自重W為5 548 kN，γ值取0.7，代入公式計算得上段樁身極限承載力為18 055 kN。荷載箱下端1.88m長的嵌巖樁在第9級荷載作用下Q-S曲線形態較好，變形量小（為4.81mm），該段樁承載力大于18 187 kN，下段嵌巖樁的極限承載力未能完全激發。

根據試驗結果，該樁極限承載力＞36 111 kN，距離51 000 kN的極限承載力也有一定差距，如繼續激發樁端承載力，直至滿足51 000 kN極限承載力，經計算需在樁頂配載超過15 000 kN，考慮到試驗樁臨近平臺，配載不便以及水上試驗的安全性等因素，最終放棄樁頂配載繼續試驗的方案，采用了靜動法繼續進行試驗。

5.6 樁身分層側摩阻力試驗

在對該試驗樁進行自平衡靜載荷試驗的同時，利用預先布設在鋼筋籠主筋上的鋼弦式特種鋼筋計進行了荷載箱以上部分樁身土層極限側摩阻力、巖層側摩阻力測試。

5.6.1 側阻力測試原理

在樁頂試驗荷載作用下，樁從頂部到底部會產生不同程度的壓縮變形。試驗前在樁內部不同的截面位置，沿長度方向安裝合適的應變測試元件，測量在不同荷載作用下，樁身的應變變化情況。通過分析樁身應變，計算出樁身軸力的變化，進而推算出樁與周圍土層的相互作用力，即樁的側阻力。

5.6.2 應變測試元件

測量樁身應變的元件選用鋼弦式特種鋼筋計，該鋼筋計附加密封測試條件為：水壓1.6MPa/4 h無滲漏，主要技術參數見表3。

表3 鋼筋計主要技術參數

5.6.3 鋼筋計布置

為避免試驗時可能出現的荷載偏心導致樁截面受力不均的影響，在樁身對稱布置4條測量線，如圖6。根據試驗樁所處的地質情況，P25墩鉆孔樁沿高度共選取19個應變測試截面，共計76個鋼筋計。

圖6 測試截面內鋼筋計的布置

5.6.4 試驗結果

試驗各級荷載作用下，根據樁身各個測試截面實測的軸力計算出的摩阻力值及推薦值見表4。

表4 土層摩阻力測試結果及推薦值

6 試樁結果及原因對比分析

該試驗測得的極限承載力距設計極限承載力有不小差距，分層側摩阻力試驗實測結果與當地經驗值也有一定差距。通過對該試驗樁的施工、試驗等進行分析，筆者認為原因在于以下幾方面：

1）成樁時間。該鉆孔灌注樁總長120m，樁身嵌入微風化花崗巖4m，鉆機在微風化花崗巖中鉆進效率低，另外由于同時進行樁身側摩阻力試驗，導線安裝耗時較長，該樁自開鉆至成樁歷時23 d。鉆孔樁為取土樁，成樁時間較長，會引起孔壁應力釋放，應力松弛，從而降低樁側摩阻力。此外，較長的成樁時間也加厚了泥漿護壁形成的泥皮厚度，進一步降低了樁身摩阻力。

2）樁底注漿。成樁后未對樁底進行注漿處理。樁底注漿是提高樁基承載力的一項有效措施，盡管目前很難從理論上計算注漿后樁基承載力提高值，但在一些標準規范中對注漿后的樁基承載力設計有說明，即樁端后注漿的鉆孔樁在沒有靜載試驗時，單樁承載力設計值根據按側摩阻力標準值和樁端土極限端阻力標準值上限乘以1.2調整系數[1]。

3）平衡點位置的選擇。平衡點位置即放置荷載箱的位置。由于對地基承載力認識不足的局限，試樁單位很難較準確地選擇好平衡點，同時激發上、下段樁的極限承載力。該樁嵌巖4m，荷載箱置于距樁底1.5m處。試驗中未加至極限承載力設計值時上段樁身就被頂出，下端樁身及樁端承載力遠未得到充分發揮。本試驗中樁頂未加配重，即使將荷載箱置于樁底也難以激發樁端處于強度超過40MPa的微風化花崗巖的樁端極限承載力。

7 結論及建議

1）O-Cell法可用于超大噸位樁基以及一些不具備堆載和錨樁條件的樁基，由于無需設置錨樁及反力梁，較常規靜載試驗法大幅降低了試驗費用。但在平衡點的選擇以及摩擦力轉換系數的取值上有一定的經驗性，需要有較多實踐經驗的前提下準確把握。如果因為荷載箱位置選擇導致試驗結果不理想，往往會造成設計偏保守，增加工程造價。

2）在成樁的過程中宜優化工序，盡量縮短成樁時間，如無要求，建議不做分層樁身側摩阻力試驗，節省導線安裝時間，減少孔壁應力釋放以及泥皮厚度，增加樁基極限承載力。

3）據國內已有資料顯示，鉆孔灌注樁樁端注漿可提高地基承載力30%～50%以上。對于非嵌巖樁，可通過樁底注漿措施，提高樁端土地基承載力，減少樁長。

4）該試驗未取得完全成功，尚不能做出該樁極限承載力不足的結論。對于端承樁或預估端承力所占比重較大的端承摩擦樁，應當考慮在樁頂施加一定的附加荷載，以確保試驗有可能測得滿足樁的極限承載力要求的結果。

[1] DGJ08-11—2010，上海市工程建設規范地基基礎設計規范[S].

[2] JT/T738—2009，基樁靜載試驗自平衡法[S].

[3] 徐國翔，王婷婷.自平衡法靜載試驗在樁基檢測中的應用[J].浙江建筑，2010，27（3）：23-25.