基于O-cell试验的基桩形式优化分析

李 闯

(黑龙江省龙建路桥第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

1 绪 论

PAIRA桥采用钢筋混凝土现浇钻孔桩群作为本项目的基桩形式，根据经过计算的桥梁上部结构荷载，在不同墩位置采用不同直径的现浇钻孔桩。所有引桥墩使用1.5 m直径的现浇钻孔桩，主墩位置P17，主墩位置P18，主墩位置P19，以及过渡墩位置P16，过渡墩位置P20这五个位置分别采用3.5 m直径和2.5 m直径的现浇钻孔桩。

2 O-cell试验

2.1 O-cell试验的应用背景

按照原始设计要求，主桥桩和引桥桩混凝土强度都是C35级，对于桥梁基础3.5 m直径、2.5 m直径、1.5 m直径桩配备的都是高应变钢筋(60级/420 MPa)。不同之处在于：主河道P17，P18，P19(这3个主墩位置均涉水，其中P17&P19在岸边，P18处在河流中央)各采用6根3.5 m直径，130 m长钢筋混凝土现浇钻孔桩，合计18根桩，且采用60 m长，50 mm厚的永久钢护筒，作为桩基冲刷防护。P16&P20(这两个过渡墩位完全处在陆地上)每个过渡墩各有4根2.5 m直径，110 m长钢筋混凝土桩，也采用60 m长，50 mm厚的永久钢护筒，作为桩基冲刷防护。由于在深水中设置护筒时，其定位的准确性较陆地上差，施工难度亦较大，故规定其在平面位置上的偏差可适当放宽。

在该施工区域地质情况主要为粉质黏沙土情况下按照设计文件进行浇筑的基桩承载能力是否达到设计要求是项目成败的关在所在，经过多方商议最后选定通过奥斯托堡法也就是O-cell盒方法对试验桩进行荷载试验。

2.2 O-cell原理

O-cell是液压驱动的大容量一次性加载装置，安装在基桩单元内。当将载荷施加到O-cell时，它开始在两个方向上工作：向上克服上侧剪切力，向下克服底部阻力和下侧剪切力做工。O-cell从土壤或岩石系统以及基础本身获取反映信号，而不受制于悬在上部的梁和系梁作用。

通过施加荷载使O-cell盒子产生向上向下两个方向的力进而使桩本身发生位移，借助预先设置的压力表和传感器可以得到轴向荷载-位移传递曲线(t-z曲线)以及桩端荷载-位移传递曲线(q-z曲线)。

2.3 PAIRA桥试验桩O-cell测试与分析

本项目于2017年2月19日对直径为3 500 mm，长度为132.72 m的试验桩进行了荷载试验。具体方法是采用4个直径均为870 mm的O-cell盒安装在钢筋笼里面距离桩底16.2 m处，安装前O-cell盒都校准至35.00 mN。

通过试验过程中回传的压力数据，经过时间线性关系比对绘制，我们得到O-cell施加荷载与位移图1的位移(mm)与荷载(MN)的曲线图2。

图1 O-cell施加荷载与位移

图2 等效顶部荷载-位移关系

从图1中得到可持续的双向施加最大可持续荷载是34.41 mN，此时O-cell盒的向上位移是1.01 mm，向下位移是190.92 mm。整个试验过程中实际测得的O-cell盒与应力表之间最大滑壁摩擦是121 KPa，在底部产生的位移为183.85 mm时测得最大端部承载力是1 328 KPa。此次试验滑壁摩擦阻力和桩端部承载力和是54.81 mN。通过等效顶部荷载-位移曲线图2分析得出出预测性结果为当顶部施加80 mN荷载时，将发生121.7 mm的位移。值得注意的是由于此次试验中未能充分调动起桩身上部的滑壁摩擦阻力，因此通过等效顶部荷载-位移曲线得出的分析结论可靠性非常保守。在此数据上设计团队进行了分析，认为有必要对直径为2 500 mm，长度为130.30 m的试验桩进行荷载试验，以对该施工区域的基桩形式进行优化有效性验证。

2.4 PAIRA桥优化基桩的O-cell测试与分析

因此本项目于2017年12月21日对直径为2 500 mm，长度为130.30 m的试验桩进行了荷载试验。具体方法是采用4个直径均为690 mm的O-cell盒，两个为一组分两层安装在钢筋笼里，安装前O-cell盒都校准至35.00 mN，试桩布局如图3a，O-cell布局如图3b&3c。

图3 试桩布局图

试验过程中通过压力表和其它一起测定的压力及相关数据，经过时间线性关系比对绘制，得到如下部O-cell荷载与位移图4a，上部O-cell荷载与位移图4b。

图4 上下部O-cell荷载与位移图

此次试验分为两个阶段进行，第一阶段向桩身下部，也就是下部O-cell盒子施加双向荷载压力，从图4中得到测定的最大可持续的施加荷载是36.48 mN，此时测得安装在下部O-cell盒的向上位移是3.16 mm，向下位移是76.76 mm。第二阶段第一步，向桩身中部施加双向荷载压力从图6中得到测定的最大可持续的施加荷载是52.16 mN，此时测得安装在上部O-cell盒的向下位移是14.98 mm。第二阶段第二步，向桩身上部施加双向荷载压力从图7中可得到测定的最大可持续的施加荷载是44.38 mN，此时测得安装在上部O-cell盒的向上位移是7.02 mm。整个试验过程中实际测得滑壁摩擦和桩端部承载力是和是132.70 mN。通过等效顶部荷载-位移曲线分析，如图4我们得出预测性结果那就是当顶部施加32 mN荷载时，将发生14.00 mm的位移，80 mN荷载时，将发生34.00 mm的位移。

图5 等效顶部荷载-位移关系

出于此处的应变析的目的，两次试验中我们假定了O-cell组件在其膨胀力超过其上部桩身浮力后才对上下两个相反方向施加荷载。因此，净载荷(也就是O-cell组件总体施加的荷载减去其上部桩身浮力之后的荷载)被用来确定O-cell组件上部的滑壁摩擦阻力，并绘制等效的顶部载荷位移曲线。第一次Φ3 500 mm桩试验中，O-cell组件上部桩身浮力取14.01 mN；第二次Φ2 500 mm桩试验中，底部O-cell组件以上桩身浮力取9.80 mN，上部O-cell组件以上桩身浮力取7.78 mN。

3 结 论

根据竖向抗压桩的分类，按桩的承载力性状可分为摩擦型桩和端承型桩，结合本项目实际情况，本桥属于摩擦端承桩。基于3.5 m直径和2.5 m直径试验桩的O-cell试验结果分析，结合河床水文冲刷深度计算以及P17，P19位置地勘报告，设计团队审阅包括过渡跨在内的主桥桩基设计后，修改了主桥基础设计。在修改后的设计中使用2.5 m直径的钢筋混凝土现浇钻孔桩代替3.5 m直径的桩作为主桥桩基基础，桩长维持不变，也就是130 m。P17桩数量增至12，P18桩数量增至16，P19桩数量增至12。P18永久钢护筒厚度维持50 mm不变，P17&P19钢护筒厚度从50 mm减小至30 mm。过渡墩P16桩数量由4根增至6根，钢护筒厚度由50 mm减小至30 mm；过渡墩P20桩数量由4根增至6根，钢护筒厚度由50 mm减小至30 mm，这样的基桩形式有利于增强PAIRA河粉质黏沙土地质条件下桥梁的稳定性。

最终的试验结果满足规范和设计要求。