李凡 郭紅兵

摘 要：通過建立模型，用室內(nèi)豎向載荷試驗對混凝土方量3種基礎(chǔ)形式的承載機(jī)理及沉降特性進(jìn)行對比。分析相近基礎(chǔ)方量的承載力，群樁基礎(chǔ)的控制特性和承載力小于單室墻和兩室墻基礎(chǔ)，且隨著沉降量的增加，載荷差也在不斷增加。通過對比樁（墻）之間的摩阻力分布，得出格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)與群樁基礎(chǔ)的摩阻力分布形狀圖。最后得出結(jié)論，軟土地基中，格柵式連續(xù)墻基礎(chǔ)優(yōu)于群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，具有提高基礎(chǔ)承載力，減少沉降及降低混凝土用量等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：群樁基礎(chǔ);單室墻基礎(chǔ);兩室墻基礎(chǔ);沉降量;內(nèi)摩阻力

中圖分類號：U443.1?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0135-05

Study on vertical bearing behavior of geogrid diaphragm wall bridge foundation in soft soil foundation

LI Fan，GUO Hongbing

（Shaanxi Communications Vocational and Technical College，Xi′an 710061，China）

Abstract：In this paper，the bearing mechanism and settlement characteristics of three types of foundation with similar concrete volume were compared by building models and conducting indoor vertical load tests.Through the analysis of the bearing capacity of three kinds of foundation structures in the similar foundation volume，it could be seen that the settlement control characteristics and bearing capacity of single room wall and two room wall foundation were similar，which were better than group pile foundation，and with the increase of settlement，the load difference was also increasing.By comparing the distribution of frictional resistance between piles（walls），the distribution of friction resistance between Geogrid diaphragm wall foundation and group pile foundation was obtained.Finally，it was concluded that in soft soil foundation，grid continuous wall foundation was better than group pile foundation structure，which had the advantages of improving foundation bearing capacity，reducing settlement and decreased concrete dosage.

Key words：pile group foundation;single chamber wall foundation;two room wall foundation;settlement;internal frictionresistance

高速鐵路因其快速、安全、舒適的特性被廣泛使用。但受到我國特殊地形的影響，修建高鐵軌道時，軟土地基橋梁基礎(chǔ)工程沉降不均勻，會導(dǎo)致列車在行駛過程中產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而引起列車輪軌動力作用增大，進(jìn)而帶來極大安全隱患。因此，解決軟土地基橋梁基礎(chǔ)工程沉降不均勻的問題，是現(xiàn)代高速鐵路發(fā)展的一個重點，也是一個難點。格柵式地下連墻因為其工序簡單，適用范圍廣受到了很多專家的關(guān)注，如通過對比格柵式地下連續(xù)墻與群樁橋梁基礎(chǔ)動力，證實了格柵式地下連續(xù)墻具有更強(qiáng)的抵抗土體側(cè)向擴(kuò)展的能力[1]。但目前對格柵式地下連續(xù)墻的研究還存在很多局域性，特別在軟土地基的應(yīng)用還不夠深入。在此背景下，本文通過室內(nèi)豎向荷載試驗對近視混凝土方量的3種基礎(chǔ)形式的承載機(jī)理及沉降特性進(jìn)行對比，進(jìn)而評判格柵式地下連續(xù)墻橋梁基礎(chǔ)在軟土地基中的豎向承載性能。

1 現(xiàn)場地質(zhì)原型情況確定

研究格柵式地下連續(xù)墻橋梁基礎(chǔ)，最直接的方式是現(xiàn)場試驗，但現(xiàn)場工程過于巨大，故通過建立模型得到數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果的可行性。本文采用某大橋作為參考，基于某大橋基礎(chǔ)工程的特征建立地質(zhì)原型。

地質(zhì)原型從上到下依次為：Q4al、Q3alQ4mc，受地形影響，地層在空間中的延伸受到限制，且有大量透鏡體夾層。為簡化試驗過程，本試驗選擇中跨斷所在地層作為地質(zhì)原型。中跨段現(xiàn)場地質(zhì)原型簡化圖如圖1所示;選定地質(zhì)原型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

由表1可看出，本次試驗采用的地質(zhì)原型的軟土地層為：淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)黏土。經(jīng)過測試，軟土深度為27 m，為上硬殼層、中軟土層、下持力層的典型場地。

2 實驗方案

2.1 試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

本試驗的大橋原始的基礎(chǔ)設(shè)計為群樁設(shè)計。為滿足設(shè)計需求，將群樁基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換為成格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)（單室或兩室），并以此作為試驗?zāi)Ｐ?，該試驗?zāi)Ｐ徒⒌囊罁?jù)是53號橋墩群樁基礎(chǔ)。群樁與單室、兩室墻基礎(chǔ)采用的尺寸如圖2所示。

其中，橋墩群樁基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度為C30，樁徑為1.5 m。通過查詢大橋設(shè)計方案，53號橋墩群樁基礎(chǔ)樁長為72 m，如果同比設(shè)計模型，會對模型試驗開展帶來困難。所以在構(gòu)建模型的時候，縮短深度，改變樁入持力層深度，并以原型的兩倍樁身直徑作為模型結(jié)構(gòu)，從而滿足設(shè)計試驗的規(guī)范要求。

表2為按照用量相近原則確定的格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ偷慕孛娉叽纭槭够炷练搅颗c原型相同，解決持力層對承載力的影響，本試驗將單室、兩室格柵式地下連續(xù)墻的墻深設(shè)立為33 m，墻身進(jìn)入持力層深度與原型相同。此設(shè)立符合叢藹森關(guān)于受豎向力的地下連續(xù)墻進(jìn)入粘性土和砂性土持力層的要求[4-6]。

2.2 材料參數(shù)確定

墻體材料選擇C30混凝土，彈性模為Eq=3.0×104 MPa。根據(jù)表1的土體參數(shù)，計算基礎(chǔ)入土深度和墻體厚度，分別為33/30=1.1 m、0.80/30≈0.002 7 m，彈性模量Em=1.0×103 MPa。表3為幾種常用模型材料的彈性模量和泊松比[7-9]。

從表3可看出，與原土體彈性模量最接近的材料是石膏，但石膏防水性能差，需要整體澆筑。格柵式地下連續(xù)墻的格室空間較小，在石膏整體澆筑以后，使得應(yīng)變片的粘貼變得十分困難。而本次試驗涉及大量的軟土，軟土含水量較大，所以石膏材料不適合作為本次模型材料;最后通過反復(fù)比較，使用有機(jī)玻璃作為模型墻體材料。

在解決模型墻體材料的同時，還需要解決模型土體問題。對于本次試驗來說，砂性土與軟土的特性差異較大，所以采取的是與工程現(xiàn)場軟土性質(zhì)相近的軟土，與工程現(xiàn)場軟土各項基本物理參數(shù)近似滿足相似比為1。淤泥質(zhì)砂土樣本則是由細(xì)砂摻雜淤泥質(zhì)黏土按一定比例混合，均勻攪拌而成。

通過以上的概述，本次模型試驗的墻體模型材料為有機(jī)玻璃板，模型土材料為相近土樣。但有機(jī)玻璃材料與推導(dǎo)出來的相似比CE=Cy·Cl=30不滿足，為了試驗的目的，將本次試驗定位為“小結(jié)構(gòu)試驗”。

2.3 群樁數(shù)據(jù)處理

2.3.1 樁身軸力計算

利用公式（1）對樁身軸力進(jìn)行計算[10]。

σ=ε×E

式中：σ代表樁身應(yīng)力，kPa;ε代表樁身應(yīng)變，με;E代表模型彈性模量，kPa。

則樁身軸力P為

P=σ×A

式中：A代表樁身截面有效面積，m2。

2.3.2 樁身側(cè)摩阻力計算

樁的側(cè)摩阻力計算：

qs=P1-P12πrL

式中：qs代表樁側(cè)摩阻力的平均值，kPa;r為樁身半徑，m;L為摩阻力測量段長度，m。

3 結(jié)果及分析

3.1 基礎(chǔ)承載力與位移關(guān)系

圖3為基礎(chǔ)荷載-沉降關(guān)系對比曲線。從圖3可看出，（1）加載初期，沉降曲線重合度較高，在9.2 kN時，單室墻和兩室墻才開始出現(xiàn)偏移，但最后偏移量并未超過0.1 mm。相對于單室和兩室墻的沉降量來說，在同等載荷下，群樁數(shù)據(jù)明顯比單室和兩室大，沉降差最大可達(dá)0.4 mm，這說明在相同的載荷下，單室墻和兩室墻的抗沉降性能都優(yōu)于群樁基礎(chǔ)，且沉降量增加，荷載差異隨之增加;（2）針對極限承載力的要求，群樁基礎(chǔ)最終極載為10.8 kN，單室墻和兩室墻極載分別為12.6、13 kN，相較群樁分別可提高至116.7%和120.4%。

3.2 摩阻力分布

圖4為群樁樁身單位摩阻力分布情況，其中①、②、③、④分別為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)黏土與中砂層。從圖4可知，群樁側(cè)摩阻力與荷載呈正比，荷載不同，地基土層差異較大，表現(xiàn)為非線性狀態(tài)。摩阻力沿深部變化呈“L”形分布。由于中砂層的土性特質(zhì)相較于軟土層土性特質(zhì)更好，所以在樁-土相對位移較小時，也能產(chǎn)生較大的摩阻力，即摩阻力從下到上，依次遞減。群樁的側(cè)摩阻力與荷載呈正比，荷載不同，在不同地基土層表現(xiàn)為非線性分布。由于中砂層的土性特質(zhì)相較于軟土層土性特質(zhì)更好，所以在樁-土相對位移較小時，也能產(chǎn)生較大的摩阻力，即摩阻力從下到上，依次遞減。

圖5和圖6分別為格柵式地下墻中的單室墻與兩室墻外摩阻力受地基土層分布影響變化圖。在同級載荷下，格柵式地下連續(xù)墻外摩阻力整體呈現(xiàn)的是“M”型不對稱分布。單室墻和兩室墻在0.7～0.9 m內(nèi)，外摩阻力都減小，這是受地下連續(xù)墻的空間差異分布特性影響。在深度0.7～0.9 m內(nèi)，應(yīng)力相對較集中，外摩阻力在墻身外側(cè)和邊角處發(fā)揮，故出現(xiàn)外摩阻力數(shù)據(jù)減小的情況。

綜上所述，不管是單室墻還是兩室墻，基礎(chǔ)摩阻力的發(fā)揮與土層的性質(zhì)以及墻（樁）-土相對位移量有極大的關(guān)系。群樁摩阻力圖為“L”，格柵式地下連續(xù)墻外摩阻力圖為“M”。土芯主要在墻體頂部發(fā)揮側(cè)摩阻力，占墻體深度的四分之一部位。

3.3 單位端阻力與基礎(chǔ)沉降的關(guān)系

為了更準(zhǔn)確的比較群樁基礎(chǔ)、單室墻基礎(chǔ)及兩室墻基礎(chǔ)在軟土地中的沉降特性，在相同單位端阻力的條件下，得到沉降臺頂部沉降與單位端阻力的關(guān)系，具體如圖7所示。由圖7可知，端阻力相同時，群樁沉降量比單室和兩室的格柵式地連墻基礎(chǔ)大，但整體變化趨勢相同。這是“群樁效應(yīng)”和“群墻效應(yīng)”較強(qiáng)造成的，也使得墻（樁）端阻力對土體的作用產(chǎn)生重疊，因此端阻力相同。但群樁基礎(chǔ)與兩室墻基礎(chǔ)的沉降量比單室墻基礎(chǔ)更大。

通過上述分析可知，在材料用量相近的3種墻樁下，群樁的優(yōu)勢并不明顯;但在相同荷載下，單位端阻力仍大于單室墻和兩室墻，沉降量也大于單室墻和兩室墻基礎(chǔ)。故在橋梁工程設(shè)計中，單室和兩室的格柵式地連墻基礎(chǔ)可提高基礎(chǔ)承載力，減少沉降及降低混凝土用量。

4 結(jié)語

本試驗通過構(gòu)建試驗?zāi)Ｐ?，分析在相同材料用量下群樁和格柵式地連墻的沉降問題。結(jié)果表明：群樁摩阻力在中砂層中最大，在軟土層中最小。隨著深度的增加，群樁摩阻力呈現(xiàn)“L”形分布;格柵式地連墻摩阻力呈現(xiàn)“M”形分布;在相同載荷下，群樁單位端阻力相對于格柵式地連墻基礎(chǔ)較大，沉降量也較大。故在軟土地基中，格柵式地連墻可提高基礎(chǔ)承載力，減少沉降，降低混凝土，可用于高速鐵路的軌道修建。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王川.液化場地格柵式地下連續(xù)墻與群樁橋梁基礎(chǔ)動力響應(yīng)對比研究[J].四川建筑，2019，39（6）：173-175.

[2] 李艷，程謙恭，張建磊，等.傾斜可液化場地中矩形閉合型地下連續(xù)墻橋梁基礎(chǔ)動力特性研究[J].巖土工程學(xué)報，2019，41（5）：959-966.

[3] 杜建安，李騰，楊松松，等.深大基坑開挖過程中地下連續(xù)墻位移與應(yīng)力監(jiān)測研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2020，51（6）：900-905.

[4] 李鏡培，張凌翔，肖建莊，等.黏土地基中新舊混合群樁承載和變形的非線性分析方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2019，40（12）：113-118.

[5] 史吏，王慧萍，孫宏磊，等.群樁基礎(chǔ)引發(fā)飽和地基振動的近似解析解[J].巖土力學(xué)，2019，40（5）：1 750-1 760.

[6] 張治國，張瑞，黃茂松，等.基于差異沉降和軸向剛度控制的豎向荷載作用下群樁基礎(chǔ)優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué)，2019，40（6）：2 354-2 368.

[7] 王旭東，郝憲武，吳文濤.黃土地區(qū)斜陡坡對群樁基礎(chǔ)承載力的影響[J].沈陽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，31（4）：331-337.

[8] 高廣運，謝偉，陳娟，等.高鐵運行引起的高架橋群樁基礎(chǔ)地面振動衰減分析[J].巖土力學(xué)，2019，40（8）：3 197-3 206.

[9] 劉苗，夏修身.群樁基礎(chǔ)對自復(fù)位高墩地震反應(yīng)的影響[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2019，40（12）：2 000-2 004.

[10] 雷華陽，張磊，許英剛，等.快速地鐵列車荷載下軟土地基沉降數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學(xué)報，2019，41（S1）：45-48.