O-Cell试验的荷载沉降曲线与使用Tz曲线的桩分析的比较

介绍

双向轴向压缩载荷测试BDSLT传统上成为O-Cell测试，它通过在桩内嵌入液压千斤顶（O-Cell）对钻孔桩进行分析。该测试通常配备有指示器和应变仪，以测量沿桩长的位移和应变，通过记录不同荷载水平下的应变和位移，可以方便地估计桩容量对荷载的响应。

本文致力于展示如何使用从测试中获得的Tz曲线来确定工作桩的预期沉降，然后将使用O-Cell测试数据的传统顶部负载测试TLT结构和使用RSPile等软件估计的沉降响应进行比较，并应用从测试结果的解释中推导出的Tz曲线。

在嵌入砂岩的桩上进行实际的BDSLT分析中，测试结果可靠并应用于研究中。消除了端部的支撑阻力，并将O-Cell安装在桩的中间位置，从获得的记录中选择砂岩的Tz曲线并应用于RSPile轴向桩分析。

地层

地层由中密砂覆盖一层很深很脆弱的砂岩层组成。根据当地的参考水平，地面为+3m。从19个钻孔中获得的SPT打击数表明砂层可能的最深高度为-12m。在试验区，发现岩石的平均岩石质量为RQD为65%，岩石的无侧限抗压强度与深度关系绘制在图1中，平均为1.74MPa，根据这些数字，可以使用RSPile“Bored”模式计算最终的桩摩擦力。应用的方法显示了以下的结果：

      Williams和Pells方法得出504KPa，而Kulhawy和Phoon方法得出的单位极限分别为295KPa、589KPa和885KPa，C值分别为1、2、3。详情请参阅https://www.rocscience.com/software/rspile中的RSPile理论手册。模拟桩的直径为1m，长度为12m，嵌入具有上述特性的砂岩中，混凝土的强度为40MPa。我们可以轻松地对土壤和桩进行建模以便于获得这些结果，见图2。

图1 砂岩无侧限强度随深度分布

图2：RSPile砂岩和钻孔模式下的桩模型

测试桩详情

如图3所示，12m的桩被O-Cell在中间分开，顶部和底部各有6m长，顶部对底部应该没有负载阻力，因为孔中没有任何填充物，桩的底部浇筑在泡沫上是为了确保没有端部承载阻力。顶桩和底桩在所示的水平上装有应变计，桩和单元顶板、底板连接到指示器以测量这些点的运动。当测试开始时，荷载将会被平均施加到两个部分，将顶桩向上推，底桩向下推。

试验期间允许的最大平均应力应使桩保持在弹性范围内，试验期间施加的最大载荷约为13000kN，这相当于16.56MPa平均应力（约为试验期间混凝土强度的40%），这个值仍然比较高，故在最大测试荷载下的混凝土行为可能存在一些非线性。

测试结果与传统TLT载荷沉降曲线

该测试是按照ICE SPERW测试计划进行的，用于试验桩的静荷载测试。O-Cell测试程序现已在ASTM D8169-2018中标准化。表1列出了测试期间的应变值，单元顶部和底部的应变是根据施加的荷载和上面给出的复合材料的截面的等效模量计算的。

表2中，列出了每个加载阶段结束时测试期间的位移。

使用表1中的可用应变，很容易计算出每个载荷步骤中桩的每个部分表面摩擦值。表3列出来表面摩擦值。图4中绘制了这些值与绝对位移的关系，而绝对位移又是根据表2中给出的位移和应变差计算得出的。

图3：测试桩细节

表1：测试期间的应变值

表2：每个加载阶段结束时测试期间的位移（未列出卸载）

表3：在每个荷载步单位表面摩擦

从BDSLT结果中为砂岩选择合适的Tz曲线

找到合适的Tz曲线并将其用到特定的项目中并不简单，需要对土体或岩桩相互作用的试验环境、经验、行为进行多方面的判断和理解，最后需要通过与现场的试验数据对比来检验曲线的充分性，可以看出图4中有好几条Tz曲线。

在O-Cell测试中，单元附近的表面摩擦值通常比较高，其并不代表土壤和岩石的平均行为。工程师可以将该段的结果与单元下方或上方的另一段的结果进行平均，另一种方法是手动绘制一条平均曲线来表示整组可用曲线，如果桩没有破坏，表面摩擦显然会接近一条曲线，但如果桩失效并超过表面极限值就会随着荷载从较弱的区域传递到其他区域。在这项研究中，将采用形状与底桩曲线相似且表面摩擦值接近于“钻孔”模式计算得出的曲线，并对其整体行为进行测试并根据需要进行调整，使用Kulhawy和Phoon方法计算的最终表面摩擦虽然不够保守，但C值介于2和3之间似乎更接近于现实，650KPa的最终表面摩擦值似乎是合理的。因此，底部桩的曲线可以在SG5-SG6区域的的曲线附近取平均值，要使用和检查的曲线可以通过图中选取的一些点来确定，并以现成的形式制成表格，以应用于表4中的RSPile用户定义的Tz曲线的选择，这些值可以输入到RSPile，如图7所示，该程序还需要桩截面钢筋和混凝土强度。

表4：采用RSPile分析的初始Tz曲线

图4：Tz曲线

图5：在BDSLT中测量的桩位移

图6：TLT的估计荷载沉降曲线

 图7：砂岩“轴向”选项卡的土壤属性

图8：估计的TLT载荷沉降曲线之间的对比

RSPile结果分析与讨论

在建立RSPile模型后，桩被赋予一个载荷，如表中给出的阶段。从图8可以看出，RSPile是一种有效的工具，可以对所选的Tz曲线进行测试，程序将准备好分析该砂岩中的直径或长度、任意荷载作用下的任意桩。

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