O-CELL试桩法的若干基本问题

摘要

O-cell试桩法作为一种新的试桩技术已在国内外许多重大工程中得到应用，但是该法在理论上存在的问题还没有得到系统的归纳和解决。其中，如何由O-cell试桩结果确定整桩竖向承载性能是有关O-cell试桩法研究的根本问题，这也是O-cell试桩法研究中的热点和难点。解决该问题涉及O-cell试桩法若干基础性问题的研究：如何分析和应用O-cell试桩结果，进而确定桩侧阻力和桩端阻力参数；O-cell试桩中上桩与下桩之间相互作用的程度，如何分析上、下桩之间的相互作用；上桩在O-cell试桩时受桩底上顶作用，而在传统静荷试验时相应上桩段受桩顶下压作用，加载方式对上桩桩侧阻力性能的影响机制和考虑方法；最后，如何利用O-cell试桩结果合理确定在竖向荷载下整桩的荷载沉降曲线。
　　为研究以上问题，本文建立了O-cell试桩桩土体系和传统静荷试桩桩土体系的模拟分析模型，模型由桩、桩周土和桩土接触面三部分组成，采用有限元法对桩土体系受力进行分析，桩采用线弹性力学模型，桩周土采用邓肯-张力学模型,桩土接触面采用无厚度的Goodman单元，并采用双曲线型剪应力-切向位移差的力学模型。O-cell试桩桩土体系中荷载箱顶面与底面以荷载边界模拟。
　　本文提出了通过拟合 O-cell荷载位移曲线和各级桩轴力曲线确定桩土接触面和桩周土力学模型参数的方案，并给出了拟合过程中调整模型参数的原则和细节。通过对一个实际工程O-cell试桩结果的拟合分析验证了本文提出的确定桩侧阻力和桩端阻力参数方案的可行性。
　　本文利用O-cell试桩体系模型模拟分析了上桩桩底单独加载、下桩桩顶单独加载、上下桩同时加载三种加载方式下上下桩的性能，通过比较三种加载方式下桩土的变形和受力差异研究了上下桩之间的相互作用及影响程度。结果表明，如果载荷箱位于较好的土层中，在O-cell试桩中上下桩的相互作用影响通常很小，可以忽视不计。实际上，在工程实践中，载荷箱通常都放置在较好的土层中。同时研究表明，场地土层条件、桩长、桩径对O-cell试桩中上下桩相互作用影响程度很小，可以忽略。
　　本文不考虑桩端阻力模拟分析了在桩顶下压、桩底上顶、桩顶上拉三种加载方式下桩的性能，研究了加载方式对桩侧阻性能的影响机制。比较三种加载方式的分析结果发现，在桩顶上拔和桩底上顶两种加载方式下，竖向荷载引起的附加桩侧向应力比为负，使总的桩侧向压应力减小，而在桩顶下压加载方式下，竖向荷载引起的附加桩侧向应力比为正，使总的桩侧向压应力增加。另外，研究了土的类型、桩长、桩径对不同加载方式下附加桩侧向应力比的影响。基于上述结果，本文认为不同加载方式的附加桩侧向应力的不同应是其侧阻力不同的根本原因。
　　基于上述关于不同加载方式下桩侧阻力不同的机制研究，建立了一个可以考虑接触面侧向压应力对接触面力学参数影响的模型，该模型给出了在加载过程中接触面的最终剪应力值 ult、最大切向刚度K与桩侧向压应力比之间的关,max系，并基于破坏时桩土相对位移等效原则给出了确定该模型中的关键参数——等效侧压力比的方法。利用所建立的模型可以由桩底上顶加载时接触面力学参数确定桩顶下压时接触面力学参数。反之，也是适用的。采用所建立的模型考虑加载方式对桩侧阻力的影响，利用桩底上顶的测桩资料对桩顶下压时桩的性能进行了模拟分析。分析结果表明，桩顶下压加载方式下的桩承载力比桩底上顶加载方式下桩的承载力有明显的提高，其提高的程度与工程经验相一致。
　　本文考虑加载方式对上桩侧阻力的影响，建立了两个由O-cell试桩结果确定整桩P-S曲线的途径。对一个O-cell试桩实例的分析表明，本文所提供的方法是可行的。本文方法能提供一条包含直线段、过渡段和破坏段的整桩完整的荷载沉降曲线，完全适用于按有关规范规定的准则确定整桩的极限承载力，与现有其他方法所确定的整桩荷载沉降曲线比较表明：等位移法和等荷载法由于没有考虑上桩的压缩量，所确定的荷载沉降曲线显著地低估了桩顶沉降；简化法和精确法所给出整桩荷载沉降曲线与本文方法 A和方法 B确定的整桩荷载沉降曲线的相应段较为接近，但这一点还需进一步验证，然而这两种方法只能提供仅包括直线段和部分过渡段的不完整的整桩荷载沉降曲线；本文提出的方法B比方法 A在理论上更合理，在由 O-cell试桩资料确定整桩荷载沉降曲线时还可以考虑场地土层、桩径和桩长的影响。由方法 B荷载沉降曲线确定的整桩极限承载力比由方法 A确定的约高10％；由O-cell试桩结果确定整桩极限荷载的流行公式低估了整桩的极限荷载，大约20～30%。