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目前,确定桩的承载力的最直接、最有效的方法是桩的竖直静载试验。桩的静载荷试验通常有两种加载方式。当单桩竖直承载力较小时,采用堆载方法。当单桩竖直承载力较大,堆载难以实施时,就采用锚桩法。有时联合采用两种方法完成载荷试验。随着重大建构筑物桩基的增加(尤其是荷载很大的柱下单桩、大直径桥梁桩基等),采用传统的静载荷方式进行桩的静载荷试验,往往带了困难。这些困难主要体现在以下两个方面。在狭小场地情况下,堆载与锚桩无法实施。单桩竖直承载力过高,采用传统静载试验不安全不经济时。工程师们在孜孜不倦地寻求一种新的测桩方法,它能弥补由于传统静载试验不便或不能使用而带来的不足。这种新的桩基测试手段,就是后来被人们所知的O-Cell试桩法。
O-cell试桩法中,上段桩的运动趋势向上,摩阻力向下,这与桩在实际工作状态的力学性状相反。现有研究表明,O-cell试桩法可能存在桩侧摩阻力降低、桩尖端阻力降低的现象。对于拔桩和顶桩,桩体向上运动,必将带动桩周土体隆起,桩周土的质点有向上向外运动的趋势,甚至桩带动上部分锥形土体上拉、地面发生一系列的裂缝。由于土体隆起,桩周土体积膨胀,密度变小,以及上部土体与桩身一起移动,二者不发生相对运动,桩侧摩阻力(尤其是上部)减小。另外,由于载荷箱将上部桩段与桩尖上下顶离,桩边周围产生伞形裂缝。在此种情况下,由于上段桩体上抬,带动土体向上运动,对桩尖持力层有卸载作用。此时,桩尖持力层极限整体剪切滑动,不仅不受摩阻力扩散下传的约束作用(传统静载试验),桩周围土柱重量的约束作用也可能受到一定程度的减少,使得桩尖端阻力变小。
针对O-cell试桩工艺特性,研究报告主要完成了三项关键工作。
一是计算分析了桩顶受压和桩底受托两种受力模型时,桩侧摩阻力的变化,以及桩周土模量(软硬)对压托侧阻比的影响程度。
二是计算分析了桩尖周围土卸载范围对桩尖承载力降低的定量影响。
三是寻找符合静载试验曲线规律的Q-s曲线转换方法。
采用ANSYS有限元通用结构计算分析软件,系统地进行了上述分析和对比。计算条件下,发现桩受托的极限摩阻力仅为受压的0.42左右。极限时,桩受托的变形仅为受压的0.40左右。桩尖周围土卸载半径100mm以内时,桩尖承载力下降不到10%。基于系统的分析和比较,本文提出了双换法概念。经可贵的现场试验资料对比,通过双换法转换O-cell试桩资料获得的Q-s曲线,可能是目前最接近传统静载试验的Q-s曲线。