| 桩基奥氏法静载荷试验探讨
陈绪禄 桂业琨
摘 要:本文阐述了Osterberg
Cell Load Test（中译称"奥氏法"）的基本原理、
操作要点和实测资料的整理方法，介绍了近期在国内进行的二个大直径钻孔灌注桩的试桩实例，对运用该方法常见的一些技术问题进行了探讨。
关键词:Osterberg Cell，桩顶加载试验
1. 前言
随着大直径、超长桩不断被很多大型工程所采用，这类桩的荷载试验所需的费用和周期都急剧增加。对高承载力桩(高于10000KN)，因加载设备所限，用传统的顶部加荷的静荷载试验方法，有时无法实施。故而Osterberg
Cell Load Test，常称为桩基奥氏法载荷试验，近几年来在国内外得以应用。Osterberg
Cell Load Test（简称为"O-Cell试验" ），是美国西北大学教授Jorj
O. Osterberg于1991年创导的，10多年来由他创建的Load Test公司先后在世界20多个国家进行了近千项O-Cell试验。
近几年来，先后有一些国内工程采用自制的O-Cell进行试桩，并冠之以"桩基自平衡法荷载试验"的名称。但实际上在试验时无法做到完全的"自平衡"的，所以笔者认为采用"奥氏法"的中文名称较妥。
上海辉固岩土工程技术有限公司（Shanghai Fugro
Geotechnique Co., Ltd.）作为美国Load Test公司在国内的承包商，承担了国内二个大型桥梁工程的O-Cell法试桩项目，采用Load
Test公司的全套设施进行了直径2.5m、长120m和直径1.5m、长90m的钻孔灌注桩的O-Cell试验。
2. 基本原理和资料转换
2.1 基本原理
如图2-1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O-Cell（国内通常称之为"荷载箱"或"压力盒"
），实际上O-Cell是一只类似大吨位液压千斤顶的设 |
备。试桩时通常采用荷载箱在桩底部产生向上、向下二个方向的荷载P0，向上的荷载P0=W+F，向下的荷载与桩端的桩身自重反力及由加载产生的端部反力增量Q之和平衡，即P0=W+Q，受力机理和桩顶加载相同。于是该二种试桩方法的荷载换算如下：P=F+Q=（P0
-W）+（P0 -W）=2 P0 -2W （其中O-Cell加荷量P0 =液压表读数×标定常数）。
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图2-1 奥氏法和桩顶加载试验原理
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2.2 由实测资料转换成桩顶加载试验曲线
O-Cell试验获得典型双向加载位移曲线，如图2-2所示。现行的设计规范均需要由桩顶加载试验确定的极限承载力，因此需将O-Cell试验资料进行转换。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，暂不计压缩量。
当实测双向加载位移曲线不是同时达到极限状态时，通常需采用双曲线外推法，将未达极限状态的加载位移曲线延伸至极限状态，转换按等位移法则进行，即取同一位移量时的桩向上位移的侧摩阻力F′和向下端承力Q，在曲 |
图2-2A O-Cell测试结果的等效桩顶加载曲线实例
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| 线上标出各序列编号的点， 如图2-2A所示。由于绘制向上位移曲线时，已取F′为O-Cell加载量减去桩体自重（地下水位以下取浮容重），因此在转换至桩顶加载时，桩顶荷载P=F′+
Q－W。以图2-2A中的第4点位移1.0mm为例，该位移量对应侧摩阻为10.4MN，向下端承力为21.4MN，
转换至图2-2B中的顶加载位移曲线中的第4点，沉降位移量为10mm，W=2MN，
加载量为10.4+21.4-2=31.8-2=29.8MN。第6-12点采用端承力曲线延伸线和实测的侧摩阻曲线合成。 |
图2-2B O-Cell测试结果的等效桩顶加载曲线实例
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3.
常见的一些问题的探讨
3.1关于荷载箱的形式
目前国内试桩项目中使用的的荷载箱大致是两种型式，图3-1A及B示其外形，分别是圆柱形及环形。圆柱形的加载缸体即是一个圆柱形，类似一个扁平的千斤顶，根据桩的直径及所加荷载，放置1至2个，圆洞供混凝土浇灌用。环形荷载箱加载时，通过几个千斤顶，中间孔洞供混凝土浇灌用，上海辉固及Load
Test 公司用的是圆柱形。
环形荷载箱受力部位在外圈，一般灌注桩外圈的混凝土质量不如中间部位，一旦加载，容易被压碎，致使试桩失败；而且多个加载缸体在设备与管路的安装及维护、试压时的可靠性总不如一个缸体，有些试桩中途失败或数据不准，大都是这类荷载箱的缺陷所致。 |
图3-1A圆柱形荷载箱
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图3-1B环形荷载箱
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3.2
桩身自重问题
桩顶加载的传统方法不计桩自重的作用，然而自重是客观存在的。奥氏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。国内常见有仅减去一次自重的转换方式[1]，
这对中、小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。
3.3 端承力、侧摩阻的极限值和变形
Load Test公司总结O-Cell试验结果，发现当侧摩阻进入极限状态时，土体剪切力变形产生的位移量较小，对粘性土大概在5～10mm，对砂性土略有增加；而端承力极限状态时的沉降则常为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，但因影响因素很多，要找准是极其困难。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的[1]。我们认为先将O-Cell试验曲线按前述方法转换成桩顶加载曲线[2]，然后再确定极限承载力比较合理。而转换成桩顶加载曲线的方法，目前国内采用理论分析与前述Load
Test公司的方法有所差异，其结果亦会不同，也是值得进一步探讨的。
3.4 侧摩阻方向问题
O-Cell加载产生的桩侧摩阻方向向下，桩顶加载产生的桩侧摩阻方向向上，O-Cell试验获得典型双向加载位移曲线，如图2-2A所示。国内外有一些对中小型桩的不同对比试验结果的报导，有的还对O-Cell试验资料用某一修正系数加以处理[1]。笔者认为：
（1）目前尚缺乏大直径长桩O-Cell和桩顶加载试验的对比资料。只有在这类对比资料累积到一定程度时方可能总结出两者的相关性，Load
Test公司[2]曾做了一些小型打入桩的对比试验，先用底部O-Cell加载到侧摩阻极限值，然后打开O-Cell液压管，桩顶加载，在端部无阻力的情况下测得侧摩阻极限值，结果表明二者无明显差异。
（2）土体各向同性是土力学理论的基本假设之一，因此从理论上很难分析方向不同的极限剪切力大小的差别。但是假设水平沉积成因的土层各向同性显然是不确切的，垂直面上的土层向上、向下极限剪切力有差异，这种差异随着土性的不同而有变化，但在这方 |
| 面理论上的研究成果离实用尚远。目前大都着眼于实例测试与分析。文献[3]中的实测结果如图3-2所示。实例为处于同一地区的两根试桩，一根用顶部加载试验，一根用奥氏法试验。图中给出了沿桩长度的不同区段(也即不同的土层)所测得的两根桩同一区段的摩阻力，从中可看出在区段A，两根桩的摩阻基本接近，但在区段B和C却有差异，而且奥氏法测得的数值都要大于顶部加载法的数值，由此看来，如何正确估价奥氏法与常规方法试桩所测得的摩阻力，确是今后工程界值得花精力作深刻研究探讨的。 |
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（3）国内常用的钻孔灌注桩，不可避免有扩孔和缩颈现象，加载时有部分土体受压，造成向下加载的极限值大于向上加载，其差别大小在很大程度上取决于成桩工艺。
（4）对以粘性土为主的地基，Load Test公司通常以向上、向下摩阻等同的假设来确定桩顶加载曲线，这对国内常用的钻孔灌注桩可能偏保守。然而即使偏保守，除少量因施工不良的试桩之外，在该公司至今所做的大量试桩所得结论均显著超过设计预估的极限值，图3-3
为该公司[2]统计的25个试桩资料。试验与预估极限承载力的比值M/E
随持力土层强度的增加而提高。上海辉固公司在国内已做的二个大直径试桩工程的比值M/E为1.8和2.2。 |
图3-3 试验极限承载力M与设计预估值E的比值（M/E） |
3.5桩身压缩问题
对大量中小型桩，桩身压缩量大都为1～3mm；前述转换的第3条假设尚不至造成很大误差。但对直径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
2～3cm，因此这条假设需加以修正和完善。桩顶加载的桩顶沉降量包含了桩身压缩，因此应将桩身压缩加在前述的转换曲线上，可以参考下文的图4-2和图4-4。
国内试桩规范有的取4cm桩顶沉降作为试桩终止加荷载或极限荷载选取标准，这对桩身压缩量达2～3cm的大型桩显然是不适合的，还是以加载曲线出现拐点作为判断标准为宜。在无明显拐点时，可考虑选用国内现有的规范建议的3～5%D（桩径）的沉降标准。
3.6 测试仪器设备
除了荷载箱加载量之外，试验基本测试项目为：桩顶位移，O-Cell上承压板位移和O-Cell张开量。除了桩顶位移测试的可靠精度不成问题之外，其它二项位移测试的可靠度是需有良好的仪器设备来确保的。Load
Test公司采用下述设备测试：
（1）O-Cell的二块承压钢板的张开量S0采用位移传感器测试，一般沿周边均布3~4个钢弦式位移计，其量程应和O-Cell活塞行程相匹配，通常需达15cm。由于目前钻孔桩大都孔底清淤不彻底，试压时沉降量较大，大量程对确保试桩成功，也是有利的。
（2）上钢板向上位移量Su由一根位移杆传递到桩顶高程，在杆顶由电传百分表测读其变化。这根位移杆外有一套护套管和润滑、对中装置。在灌注桩施工时钢筋笼必须分节，因此这套传统机械方法测读的位移杆的对接安装难度随桩长的增加而提高。对于长桩，Load
Test公司将采用更加先进的电测方法来进行位移的测试。
（3）桩身压缩变形
在桩顶采用电传百分表测读桩顶上升量St，整根桩的压缩变形Sp= Su- St。
4.工程实例
近几年来国内一些大型桥梁工程先后采用了大直径灌注桩，并用O-Cell法进行了桩基承载力试验，现将Load
Test公司和上海辉固公司具体操作的两个试验工程概要介绍如下。
4.1 实例一
该工程灌注桩桩径为1.5m，桩长90m，桩底持力层为灰绿色粘土，设计极限承载力为19.4MN。试桩布置上、下2层O-Cell，测试仪器和土层分布如图4-1所示。试验前桩底已进行注浆加固。
4.1.1 测试步骤
（1）下层O-Cell加载至最大值6.9MN，相应O-Cell张开量为109.8mm，然后分级卸载。 |
图4-1 试桩布置和土层分布图
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（2）上层O-Cell加载时，先打开下层O-Cell的加压管路，使其呈自由状态，当加载量近16.5MN时，O-Cell张开量为12.5mm，两层O-Cell之间的桩身侧摩阻已进入极限状态。然后关闭下层O-Cell加压管路，继续加载至19.2MN时，下部桩身急剧下沉，加载终止。
4.1.2 等效桩顶加载试验曲线
由试验资料转换至桩顶加载的试验曲线如图4-2所示。取60mm（4％桩径）的沉降量对应的荷载41.3MN为桩基极限承载力标准值。
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图4-2 等效桩顶加载试验曲线 |
4.2
实例二
该工程灌注桩桩径为2.5～2.8m，桩长126m，桩尖持力层为灰色细砂，设计极限承载力为54MN。试桩布置上、下二层O-Cell，测试仪器布置和土层分布如图4-3所示。
4.2.1 测试步骤
（1） 在桩底注浆加固前先进行下层O-Cell加载试验。最大加载量达16.5MN，相应的O-Cell张开量达93mm，然后分级卸载。
（2）注浆加固后先进行下层O-Cell加载对比试验，后进行上层O-Cell加载试验。下层O-Cell最大加载量为27MN，相应的O-Cell张开量变化值为44mm。上层O-Cell加载时下层O-Cell的加压管路打开，呈自由状态。最大加载量达33.7MN，O-Cell张开量为106mm以上，桩身侧摩阻达极限而终止加载。
4.2.2 等效顶部加载试验曲线
由试验资料转换至桩顶加载的试验曲线如图4-4所示，极限加载量为96.8MN，沉降量100mm（4％桩径）。当桩顶施加52.2MN荷载时，桩顶沉降量约25mm，其中18.2mm为桩身弹性压缩。
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图4-3 试桩布置和土层分布图
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图4-4 等效顶部加载曲线
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参考文献
[1] 桩承载力自平衡测试技术规程（DB32/T291-1999）.江苏省地方标准，江苏省技术监督局和江苏省建设委员会联合发布。
[2] Jorj O. Osterberg. "The Osterberg Load Test Method for Bored
and Driven Piles the First Ten Years". Proceedings of the Seventh International
Conference on Piling and Deep Foundations, Vienna, Austria, June 1998. Published by the
Deep Foundations Institute.
[3] 小椋 仁志，吉福 司等，"同一地盘で押込み試験と比較した場所打ち杭の先端载荷試験"，基礎工，2002，8
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