Osterberg试桩总结

杭州市科技发展计划项目“桩基多功能检测系统高新技术研究”总结报告二〇〇二年六月“桩基多功能检测系统高新技术研究”总结报告项目来源：杭州市科技发展计划项目完成单位：杭州市勘测设计研究院协作单位：浙江泛华工程有限公司杭州市绿城建筑设计有限公司项目负责：周群建报告撰写：虞兴福主要研究人员：张弭、周群建、虞兴福、赵少鹏、厉瑞祥、（杭州市勘测设计研究院）王苗夫、史佩栋、俞成林、张美珍（浙江泛华工程有限公司）王虹斌、曹立勇、姚静翔（杭州市绿城建筑设计有限公司）完成时间：2002.6第一章总论第一节任务来源本世纪以来尤其是最近的几十年，随着高层建筑、市政、交通、水电等大型建设项目如雨后春笋般的涌现，桩基础作为最常见的深基础已得到普遍的应用。

虽然桩的动测法发展迅速，但作为确定单桩承载力最直观、最可靠方法的静载试验，仍起着不可替代的作用。

传统的静载试验始终停留在压重平台或锚桩反力架的基础之上。

由于受试验装置笨重，试验工作费时、费力、费钱，试验条件限制等过多因素的影响。

对大吨位的桩来说，要准确测定其承载力极为困难，因此，安全隐患和潜力发挥间的矛盾始终因缺乏准确的承载力数据而成为桩基础领域面临的一大困惑。

近年来，一种被称为Osterberg试桩法（又称“反向测桩法”、“自平衡测桩法”、“相反载荷试验”等）的新型桩基承载力测试法在美国、日本等国家得到广泛应用。

该试桩方法在场地限制、桩型的适应性及试桩能力等方面具有传统试桩方法不具有的明显优点，近几年的发展速度很快。

国外已有专门应用该方法参加桩基承载力测试的招标信息。

根据浙江省建设厅建科发[2000]23号文“关于组织申报2000年度建设科研和推广项目的通知”精神，以杭州市勘测设计研究院为发起单位，由浙江泛华工程有限公司、杭州市绿城建筑设计有限公司协作，向杭州市建委申报了Osterberg试桩法研究开发本项目，该项目于2000年11月正式立项。

第二节国内外研究现状Osterberg试桩法的思路最早是1969年由日本的中山（Nakayama）和藤关（Fujiseki）提出的。

1973年他们取得了对于钻孔桩的测试专利；1978年Sumii获得了对于预制桩的测试专利。

随后，Gibson与Devenny在1973年用类似的技术方法测定钻孔中混凝土与岩石间的胶结应力。

基于同样的思路，相似的技术也为Cernak等人（1988）和Osterberg（1989）所开发，并且得到了快速和极大的发展。

所以又以Osterberg试桩法闻名于世。

目前，Osterberg试桩法在日本、美国、香港等10余个国家、地区应用广泛，发展较快。

日本已研制成功可回收的荷载箱，大大降低了试验成本。

在美国完成试验的桩型包括钻孔灌注桩打入式钢管桩、打入式预制混凝土桩及矩形（或条形）“壁板桩”（barrette）等。

美国国内使用Osterberg荷载箱的主要为：试验荷载自670kN至27 MN （单向）；直径自133mm至865 mm；行程150 mm。

而在日本，多采用多循环加载法，荷载箱最大行程可达400 mm。

对单方向荷载大于27 MN 时，多采用多油缸联动装置，以增加荷载箱的上下推力。

日本目前单个试验荷载箱使用油缸数最多已超过9个。

最新报道，2001年1月30日在美国亚利桑那州土孙地区某立交桥钻孔桩项目中完成17000吨的桩基承载力检测工作，为目前所完成试桩的最高纪录。

该试验采用三只荷载箱（每只直径为φ860mm(34英寸)，容量达3000吨）的联动结构，通过上下两块钢板，加载至1.7万吨（即8500 吨向上，8500吨向下）。

试验桩径2.03m（8英尺），桩长34.5m(135.5英尺)。

三只荷载箱放置于距桩底7.2m（28.5英尺）的同一水平面。

Osterberg试桩法在国外已能较准确地分清试桩的侧阻力与端阻力。

试验结果也表明，绝大部分试桩的极限侧阻力常大于或远大于设计假定值，这是传统静荷载试验所难以做到的，对分析和利用桩的承载力具有积极的意义。

国内清华大学水利水电工程系及东南大学土木工程学院等单位对Osterberg试桩法的引进开发也做了大量的工作。

清华大学从试验、数值计算、理论解析几个方面已对此进行了系统研究。

1994年的第一阶段工作。

在饱和粉砂土中放置内外直径分别为12 mm和18mm、表面有粉砂的不锈钢空心圆柱模型管柱，通过应变片和特殊的桩身结构，对桩身和桩头进行不同的试验，并进行组合，从而得出不同加载方式下的荷载沉降关系曲线、单位摩阻力沿桩的分布情况、不同断面的单位摩阻力f与断面位移ω间的关系等一系列试验结果。

1999年下半年进行了第二阶段的工作。

在清华大学校内做了2根桩的现场模型试验。

设计桩型为Φ350×4.0m现浇钢筋混凝土桩。

试验主要在粉质粘土中进行。

试验结果对桩的摩阻力分布、负正摩阻力间的关系及桩的极限承载力与粘聚力c和内摩擦角φ的关系有了定量的认识。

清华大学水电系进行了第三阶段的现场试验工作。

选用Φ600×23.0m的钻孔灌注桩为试验桩型，设计荷载为200吨，Osterberg荷载箱直径为Φ325，根据预估的摩阻力与端阻力关系，将荷载箱放置于离孔底一定距离。

试验由于实际的桩端阻力比预估的桩端阻力要小的多，未能获得准确的桩端阻力和桩侧摩阻力等有关桩基参数。

但对认识该试验方法起到了一定的指导作用。

已有文章报导东南大学也已用Osterberg试桩法完成人工挖孔桩、钻孔灌注桩等桩型的现场试验。

在江苏润扬大桥水上钻孔桩的应用及同一工程120000kN大吨位的静载荷试验，据报道在国内均属首次。

试验用钻孔灌注桩桩径为ф2.8m，桩长达55～70m。

人工挖孔桩的试验桩型长约18～19m，荷载箱置于桩身不同位置。

通过试验发现试验结果与规范基本吻合，也从另一面证实了该试桩法的有效性。

第二章Osterberg试桩法基本原理与传统静载荷不同的是，Osterberg试桩法将置于桩身（多数在桩底）的液压千斤顶，受高压液压油作用对桩或地基产生上顶、下推力，分别与桩的摩阻力与端承力相平衡。

通过测定上顶、下推力的大小与液压千斤顶的缸体、柱塞的上下位移，得到桩的荷载位移曲线，经叠加后得到桩的承载力Ｐ～Ｓ曲线，用以确定桩的实际承载力。

㈠、 Osterberg试桩法的试桩装置及操作方法以钢管打入桩为例进行说明。

图1表示Osterberg荷载箱被焊接于钢管桩的底端。

该荷载箱主要由活塞⑴、顶盖⑵及箱壁⑶三部分组成。

当荷载箱随钢管桩打入土中至预定标高后，将输压竖管⑷插入钢管桩，直至荷载箱顶盖⑵的漏斗口而与其拧紧。

再在输压竖管⑷中插入芯棒⑸直至活塞⑴顶面的锥形小孔而与其拧紧。

芯棒的外径适当小于输压竖管⑷的内径。

图2表示钢管桩顶部的装置。

输压竖管⑷伸出桩顶并与输压横管⑾相连。

输压竖管的顶端焊有密封圈⑹，以使芯棒⑸定位。

当试验进行时，对输压横管⑾加入油料并加压，经输压竖管与芯棒之间的环状空隙，而传至荷载箱内（见图3），随着压力增加，活塞与顶盖被推开，桩侧阻力与桩端阻力阻随之发生作用。

再从图2还可看到，输压横管⑾设有压力表⑿，可显示所施加压力的大小。

压力与荷载的关系系事先用专门的试验架在Bliss大功率万能试验机上进行率定。

图2中千分表⒀和⒁分别与芯棒及输压竖管相连，它们均支于基准梁⒃之上，分别量测活塞向下位移及顶盖向上的位移，亦即钢管桩桩底土向下的位移及桩底向上的位移。

若钢管桩内不灌混凝土，桩顶尚可另设千分表⒂，也支于基准梁⒃上，以量测桩顶向上的位移。

桩顶与桩底向上的位移之差即为桩身摩阻力所引起的桩身弹性压缩。

因此，当活塞与顶盖之间的空间（亦即压力室）内的压力逐渐增加时，可根据压力表及各千分表的读数绘出相应的“向上的力与位移关系图”及“向下的力与位移关系图”。

最后，可能是钢管桩与土之间的摩阻力发生破坏，也可能是桩端土的支承力发生破坏。

由于压力室内向上的力在任何时候必等于向下的力，故按传统试桩法在桩顶向下施加直至引起破坏的荷载（包括桩身自重），将至少用Osterberg法所测得的破坏荷载的两倍。

若以此破坏荷载作为桩顶的工作荷载，则桩将具有大于2的抗压安全系数。

图1 钢管打入桩的试验装置Osterberg试桩装置对于预制混凝土打入桩，则应在桩预制时将输压竖管预埋于桩身中，并在桩底预埋一块钢板。

对于大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩，Osterberg荷载箱系焊接于钢筋笼底部，并做好输压紧管与顶盖及芯棒与活塞之间的连接工作，然后一起沉入孔底（如图3）。

㈡、 Osterberg试桩法的特点实践证明，Osterberg试桩法大致有以下特点：1．试验设备简单，占用场地小，适用面广；2．能直接测得侧阻与端阻；3．试桩准备工作省力省时，在美国已有专业公司(如 LOADTEST公司)供应相关的商品及技术服务；4．试验可用快速法也可用慢速法进行(以灌注桩静载试验为例，美国最快仅用约一天时间)；5．试验费用较省,在美国，Osterberg法与传统方法相比可节省试验费（包括直接费及人力、管理费等）约25%～75%；6．可利用同一根桩打至不同深度逐一进行试验，从而选择桩的最佳长度；7．试验后试桩仍可作为工程桩使用,必要时可利用输压管对桩底进行压力灌浆；8．该法目前较多地用于测定嵌岩桩的嵌固力，这是传统方法难以做到的。

第三章测试系统的开发、研制与应用1999年10月由杭州市勘测设计研究院、浙江泛华工程有限公司、杭州市绿城建筑设计有限公司三个单位的工程技术人员组成科研攻关小组，并开始起动研究项目。

2000年得到市建委批准、立项并得到部分经费上的支持。

经过近两年的研制开发知没有经验，没有图纸的条件下，课题组全体人员，不计较个人得失，攻克了一个又一个技术难题，成功开发季O-cell静载测试系统的全套设备，掌握了几十项关键技术，并且在预制预应力管桩、人工挖孔桩及钻孔灌注桩三种不同的桩型上进行Osterberg法静载荷试验的工程应用，取得了比较可观的试验效果，达到了原设计要求。

现分别介绍如下：（一）预制预应力管桩试验最初从预制预应力管桩着手。

预应力管桩中荷载箱的安置类同于钢管桩的安置。

试验设备的安装主要分荷载箱的安置、输油管线的安装及地面仪表的安装三部分。

通过研究分析，充分利用管桩内部的空间，决定将荷载箱同管线在成桩时即一起安装的常规安装方法分解为荷载箱在成桩时安装（荷载箱的上下箱体直接焊接在管桩的接头处），而输油管线在试验时安装的分开安装方法，对该种试验方法的设备安装作出了很好的尝试，并取得了成功。

管桩试验主要在杭州桂花城房地产开发公司的杭州桂花城幼儿园、舟山绿城“丹枫苑”住宅小区、杭州凤起国都房产“凤起-国都花园”、拱西拱宸桥旧城改造指挥部拱西R10组团1#楼和舟山路小学、杭州绿城育华学校等六个预应力管桩桩基工程。