桩基奥氏法静载荷试验

什么是桩基静载荷试验~

(Osterberg Cell Load Test，简称为“O-Cell试验”)

一、奥氏法静载荷试验简介

随着大直径、超长桩不断被许多大型工程所采用，这类桩的荷载试验所需的费用和周期都急剧增加。对高承载力(＞10000kN)桩，载荷试验方法，是将千斤顶放置在桩的底部，千斤顶的作用是，在向上顶起桩身的同时，也向下挤压桩端土，使形成的桩的摩阻力和端阻力互为反力，可测得一条与桩顶施加荷载反方向的荷载—位移曲线，通过适当换算后得到相当于桩顶加荷的承载力和位移关系的Q—S曲线，这样就解决了大吨位桩竖向承载力现场试验问题，它既有利于指导设计，还可以解决受场地和设备条件限制无法进行大型、超大型单桩竖向承载力原位试验问题。

这种方法在国外被冠名为Osterberg试桩法，在国内有叫做自平衡试桩。

Osterberg法已成功地应用到钻孔桩、壁板桩、打入式钢管桩及预制混凝土桩等桩型中，最大可提供多达220 MN的试验载荷，测试深度达100m以上，桩径可达3m。

二、Osterberg试桩法的试验装置

试验装置的主要设备是经特别设计的液压千斤顶式的荷载箱(也称为压力单元)。根据测试目的不同，荷载箱既可以安置到桩底，也可安置到桩的中间部位。荷载箱可回收，也可是一次性的。可回收的荷载箱一般放置在空心预制桩离桩底不远的内部，用一对精细加工的卡口，事先浇筑、固定在试验桩内部桩端。试验时，将荷载箱放到卡口的位置，顺时针旋转90°将荷载箱锁住；试验后，再逆时针旋转90°将其卸下供重复使用。

现以钢管打入桩为例，说明Osterberg试桩法的试验装置。

图2-29为荷载箱被焊于钢管桩的底端，荷载箱由活塞、顶盖、箱壁三部分组成。箱壁由较厚的钢板制成，其外径与桩的外径相同，活塞底的承压板外径略大于桩外径。顶盖与活塞均用钢材制成，顶盖呈漏斗状，漏斗口内有螺纹以安装输压竖管；活塞顶面有锥形孔，孔内有螺纹与测位移的芯棒连接。当荷载箱随桩打入设计标高后，将输压竖管与荷载箱顶盖拧紧连接，再在输压竖管中插入芯棒与千斤顶活塞拧紧连接。芯棒的外径小于输压竖管的内径，以便从输压竖管和芯棒的间隙中为千斤顶输油。输压竖管的顶部装有密封圈来定位芯棒和密封油路，密封圈应不影响芯棒上下自由位移。试验时，油压通过液压输入口后经输压竖管与芯棒之间的环状空隙传至荷载箱内，随着压力增大，活塞与顶盖被推开，推动桩体向上移动和通过承压板压缩桩端土；此时，桩侧阻力与桩端阻力随之发挥作用。用输油压力表可控制、监测、换算施加的压力大小。一只千分表支承在基准梁上，与芯棒相连，测量活塞向下的位移；一只千分表与输压竖管相，连测量顶盖向上的位移；另一只千分表与桩顶相连，测量桩顶向上的位移。桩顶向上的位移与桩底向上的位移之差，就是加荷时桩身摩阻力所引起的桩身弹性压缩。

图2-29 Osterberg试验装置示意图

图2-30 灌注桩Osterberg试验示意图

图2-31 Osterberg试验现场(from LOADTEST International Inc)

对于大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩的Osterberg试验法，应首先清孔底、注混凝土浆、找平、使荷载箱能受力均匀；将Osterberg法的荷载箱焊接于钢筋笼底部，做好输压竖管与顶盖、芯棒与活塞之间的连接工作；然后下放至孔底后灌注混凝土，待混凝土强度等级达到设计要求后，进行试桩。

对于预制混凝土打入桩，早期的一般做法是：在桩预制时将输压竖管预埋于桩身中，并将桩底做成平底，预埋一块桩底钢板，然后将桩起吊就位，用4只大螺栓将荷载箱迅速安装于桩底钢板上。近年的做法是：将荷载箱的箱盖直接浇注在桩身底部。Osterberg静载试验现场情况见图2-30、图2-31所示。

三、基本原理

如图2-32所示，常规桩顶加载试验的桩顶荷载P等于桩侧摩阻力F和桩端阻力Q之和，即：P=F+Q(不计试桩前桩身自重W在桩端的反力)。奥氏法通常在桩底端预埋一个荷载箱，试桩时通常采用荷载箱在桩底部产生向上、向下两个方向的荷载P₀，向上的荷载P₀=W+F，向下的荷载为桩身自重与由加载产生的端部反力增量Q之和，即：P₀=W+Q，受力机理和桩顶加载相同。该两种试桩方法的荷载换算如下：

P=F+Q=(P₀-W)+(P₀-W)；P=2(P₀-W) (2-43)

式中：荷载箱加荷量P₀=液压表读数×荷载箱标定常数。

四、试验结果分析

确定单桩极限承载力一般应绘制Q—S_上，Q—S_下曲线和S_上—lgt，S_下—lgt，S_上—lgQ，S_下—lgQ等曲线。

根据位移随荷载的变化特征确定极限承载力对于陡降型Q—S曲线，取Q—S曲线发生明显陡降的起始点；对于缓变形Q—S曲线，按位移值确定极限值，即：极限侧阻Q_u上取S_上=40～60mm 对应的荷载；极限端阻Q_u下取S_下=40～60mm对应的荷载。当S—lgt尾部有明显弯曲时，取其前一级荷载为极限荷载。

图2-32 Osterberg载荷试验原理

分别求出上、下段桩的极限承载力Q_u上和Q_u下，然后考虑桩自重影响，求出单桩竖向抗压极限承载力，如式(2-44)所示：

Q_u=(Q_u上-W)/γ+Q_u下 (2-44)

式中：γ为桩端体土的重度(kN/m³)，对于粘性土、粉土取0.8；对于砂土取0.7；W为荷载箱上部桩的自重(kN)。

五、问题探讨

现行的设计规范，均需由桩顶加载试验所确定的极限承载力，因此，需将O-Cell试验资料进行转换，才能获得与现行规范相应的测试指标。转换建立在下列三个假设基础之上：

(1)桩体向上产生的土体剪切力和顶部加载时桩体向下产生的土体剪切力是相等的；

(2)O-Cell试验加载时桩端支承力变化和顶部加载时完全相同；

(3)桩体为刚性，暂不计其压缩量。

显然，这些假设肯定会对试验结果产生影响：

1.首先是桩身自重问题

传统载荷试验方法不计桩自重的作用，Osterberg试桩法在计算土向下侧摩阻力时，将荷载箱向上顶力减去桩自重W；转换到桩顶加载模式时，为了不计自重影响，还应再次减去这段桩自重。这对中、小力型桩不会有显著的误差，但对自重近千吨的大型桩，显然是不适宜的。

2.端承力、侧摩阻的极限值和变形问题

当侧摩阻力进入极限状态时，土体剪切变形产生的位移量较小——粘性土一般在5～10mm左右，而砂性土则略有增加；而端承力极限状态时的沉降，则多为50～100mm。在某一极限沉降量时，桩侧和桩端承载力不可能同时进入极限状态。为了解决此问题，必须找准平衡点位置，使O-Cell向上及向下加载都达到极限或至少相近，但要找准它是极其困难的。因此，将桩侧和桩端极限承载力之和作为桩顶加载试验的极限承载力，需要进一步探讨。

3.桩身压缩问题

桩顶加载时桩顶沉降量包含了桩身压缩。而Osterberg试桩法不计桩身的压缩量，这是一个较大问题。对大量中、小型桩，桩身压缩量大都为1～3mm；误差尚可接受；但对桩直径2m以上、长达百余米的大型桩，其桩身压缩量随荷载增加而增大，实测的桩身压缩量常达20～30mm。因此，桩体为刚性、暂不计压缩量这条假设亟需修正。

国内试桩规范有的取40mm桩顶沉降量作为试桩终止加荷载判据或极限荷载选取标准，这对桩身压缩量达20～30mm的大型桩是不适合的，应以加载曲线出现拐点作为判断标准为宜。若在无明显拐点时，可考虑选用国内现有的规范所建议的3%～5%D(桩径)的沉降标准。

4.载荷试验后对试验桩的补强处理

工程桩在进行承载力自平衡法深层载荷试验后，试验将会使桩端载荷箱部位与持力层之间形成一个小的缝隙，该缝隙对桩的承载能力有一定影响。为了消除这种不良影响，应采取如下两种办法处理，以使试验桩的竖向承载力能达到原设计指标：

(1)利用位移棒护管(图2-32)，直接用M₁₀高强度水泥浆对试桩桩底进行注浆补强处理，使试验产生的缝隙用高强度水泥浆充实，并对载荷箱起到防止渗水锈蚀作用；

(2)试验桩施工时应将试验桩的桩端直径适当放大，以抵消试验部位对桩端阻力的影响。

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