软土地基中格栅式地下连续墙桥梁基础承载研究

李凡 郭红兵

摘 要：通过建立模型，用室内竖向载荷试验对混凝土方量3种基础形式的承载机理及沉降特性进行对比。分析相近基础方量的承载力，群桩基础的控制特性和承载力小于单室墙和两室墙基础，且随着沉降量的增加，载荷差也在不断增加。通过对比桩（墙）之间的摩阻力分布，得出格栅式地下连续墙基础与群桩基础的摩阻力分布形状图。最后得出结论，软土地基中，格栅式连续墙基础优于群桩基础结构，具有提高基础承载力，减少沉降及降低混凝土用量等优点。

关键词：群桩基础;单室墙基础;两室墙基础;沉降量;内摩阻力

中图分类号：U443.1       文献标识码：A文章编号：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、舒适的特性被广泛使用。但受到我国特殊地形的影响，修建高铁轨道时，软土地基桥梁基础工程沉降不均匀，会导致列车在行驶过程中产生巨大的冲击力，从而引起列车轮轨动力作用增大，进而带来极大安全隐患。因此，解决软土地基桥梁基础工程沉降不均匀的问题，是现代高速铁路发展的一个重点，也是一个难点。格栅式地下连墙因为其工序简单，适用范围广受到了很多专家的关注，如通过对比格栅式地下连续墙与群桩桥梁基础动力，证实了格栅式地下连续墙具有更强的抵抗土体侧向扩展的能力[1]。但目前对格栅式地下连续墙的研究还存在很多局域性，特别在软土地基的应用还不够深入。在此背景下，本文通过室内竖向荷载试验对近视混凝土方量的3种基础形式的承载机理及沉降特性进行对比，进而评判格栅式地下连续墙桥梁基础在软土地基中的竖向承载性能。

1 现场地质原型情况确定

研究格栅式地下连续墙桥梁基础，最直接的方式是现场试验，但现场工程过于巨大，故通过建立模型得到数据，验证结果的可行性。本文采用某大桥作为参考，基于某大桥基础工程的特征建立地质原型。

地质原型从上到下依次为：Q4al、Q3alQ4mc，受地形影响，地层在空间中的延伸受到限制，且有大量透镜体夹层。为简化试验过程，本试验选择中跨断所在地层作为地质原型。中跨段现场地质原型简化图如图1所示;选定地质原型的物理力学参数如表1所示。

由表1可看出，本次试验采用的地质原型的软土地层为：淤泥质砂、淤泥质黏土。经过测试，软土深度为27 m，为上硬壳层、中软土层、下持力层的典型场地。

2 实验方案

2.1 试验模型构建

本试验的大桥原始的基础设计为群桩设计。为满足设计需求，将群桩基础转换为成格栅式地下连续墙基础（单室或两室），并以此作为试验模型，该试验模型建立的依据是53号桥墩群桩基础。群桩与单室、两室墙基础采用的尺寸如图2所示。

其中，桥墩群桩基础混凝土强度为C30，桩径为1.5 m。通过查询大桥设计方案，53号桥墩群桩基础桩长为72 m，如果同比设计模型，会对模型试验开展带来困难。所以在构建模型的时候，缩短深度，改变桩入持力层深度，并以原型的两倍桩身直径作为模型结构，从而满足设计试验的规范要求。

表2为按照用量相近原则确定的格栅式地下连续墙基础结构试验模型的截面尺寸。为使混凝土方量与原型相同，解决持力层对承载力的影响，本试验将单室、两室格栅式地下连续墙的墙深设立为33 m，墙身进入持力层深度与原型相同。此设立符合丛蔼森关于受竖向力的地下连续墙进入粘性土和砂性土持力层的要求[4-6]。

2.2 材料参数确定

墙体材料选择C30混凝土，弹性模为Eq=3.0×104 MPa。根据表1的土体参数，计算基础入土深度和墙体厚度，分别为33/30=1.1 m、0.80/30≈0.002 7 m，弹性模量Em=1.0×103 MPa。表3为几种常用模型材料的弹性模量和泊松比[7-9]。

从表3可看出，与原土体弹性模量最接近的材料是石膏，但石膏防水性能差，需要整体浇筑。格栅式地下连续墙的格室空间较小，在石膏整体浇筑以后，使得应变片的粘贴变得十分困难。而本次试验涉及大量的软土，软土含水量较大，所以石膏材料不适合作为本次模型材料;最后通过反复比较，使用有机玻璃作为模型墙体材料。

在解决模型墙体材料的同时，还需要解决模型土体问题。对于本次试验来说，砂性土与软土的特性差异较大，所以采取的是与工程现场软土性质相近的软土，与工程现场软土各项基本物理参数近似满足相似比为1。淤泥质砂土样本则是由细砂掺杂淤泥质黏土按一定比例混合，均匀搅拌而成。

通过以上的概述，本次模型试验的墙体模型材料为有机玻璃板，模型土材料为相近土样。但有机玻璃材料与推导出来的相似比CE=Cy·Cl=30不满足，为了试验的目的，将本次试验定位为“小结构试验”。

2.3 群桩数据处理

2.3.1 桩身轴力计算

利用公式（1）对桩身轴力进行计算[10]。

σ=ε×E

式中：σ代表桩身应力，kPa;ε代表桩身应变，με;E代表模型弹性模量，kPa。

则桩身轴力P为

P=σ×A

式中：A代表桩身截面有效面积，m2。

2.3.2 桩身侧摩阻力计算

桩的侧摩阻力计算：

qs=P1-P12πrL

式中：qs代表桩侧摩阻力的平均值，kPa;r为桩身半径，m;L为摩阻力测量段长度，m。

3 結果及分析

3.1 基础承载力与位移关系

图3为基础荷载-沉降关系对比曲线。从图3可看出，（1）加载初期，沉降曲线重合度较高，在9.2 kN时，单室墙和两室墙才开始出现偏移，但最后偏移量并未超过0.1 mm。相对于单室和两室墙的沉降量来说，在同等载荷下，群桩数据明显比单室和两室大，沉降差最大可达0.4 mm，这说明在相同的载荷下，单室墙和两室墙的抗沉降性能都优于群桩基础，且沉降量增加，荷载差异随之增加;（2）针对极限承载力的要求，群桩基础最终极载为10.8 kN，单室墙和两室墙极载分别为12.6、13 kN，相较群桩分别可提高至116.7%和120.4%。

3.2 摩阻力分布

图4为群桩桩身单位摩阻力分布情况，其中①、②、③、④分别为粉质黏土、淤泥质砂、淤泥质黏土与中砂层。从图4可知，群桩侧摩阻力与荷载呈正比，荷载不同，地基土层差异较大，表现为非线性状态。摩阻力沿深部变化呈“L”形分布。由于中砂层的土性特质相较于软土层土性特质更好，所以在桩-土相对位移较小时，也能产生较大的摩阻力，即摩阻力从下到上，依次递减。群桩的侧摩阻力与荷载呈正比，荷载不同，在不同地基土层表现为非线性分布。由于中砂层的土性特质相较于软土层土性特质更好，所以在桩-土相对位移较小时，也能产生较大的摩阻力，即摩阻力从下到上，依次递减。

图5和图6分别为格栅式地下墙中的单室墙与两室墙外摩阻力受地基土层分布影响变化图。在同级载荷下，格栅式地下连续墙外摩阻力整体呈现的是“M”型不对称分布。单室墙和两室墙在0.7～0.9 m内，外摩阻力都减小，这是受地下连续墙的空间差异分布特性影响。在深度0.7～0.9 m内，应力相对较集中，外摩阻力在墙身外侧和边角处发挥，故出现外摩阻力数据减小的情况。

综上所述，不管是单室墙还是两室墙，基础摩阻力的发挥与土层的性质以及墙（桩）-土相对位移量有极大的关系。群桩摩阻力图为“L”，格栅式地下连续墙外摩阻力图为“M”。土芯主要在墙体顶部发挥侧摩阻力，占墙体深度的四分之一部位。

3.3 单位端阻力与基础沉降的关系

为了更准确的比较群桩基础、单室墙基础及两室墙基础在软土地中的沉降特性，在相同单位端阻力的条件下，得到沉降台顶部沉降与单位端阻力的关系，具体如图7所示。由图7可知，端阻力相同时，群桩沉降量比单室和两室的格栅式地连墙基础大，但整体变化趋势相同。这是“群桩效应”和“群墙效应”较强造成的，也使得墙（桩）端阻力对土体的作用产生重叠，因此端阻力相同。但群桩基础与两室墙基础的沉降量比单室墙基础更大。

通过上述分析可知，在材料用量相近的3种墙桩下，群桩的优势并不明显;但在相同荷载下，单位端阻力仍大于单室墙和两室墙，沉降量也大于单室墙和两室墙基础。故在桥梁工程设计中，单室和两室的格栅式地连墙基础可提高基础承载力，减少沉降及降低混凝土用量。

4 结语

本试验通过构建试验模型，分析在相同材料用量下群桩和格栅式地连墙的沉降问题。结果表明：群桩摩阻力在中砂层中最大，在软土层中最小。随着深度的增加，群桩摩阻力呈现“L”形分布;格栅式地连墙摩阻力呈现“M”形分布;在相同载荷下，群桩单位端阻力相对于格栅式地连墙基础较大，沉降量也较大。故在软土地基中，格栅式地连墙可提高基础承载力，减少沉降，降低混凝土，可用于高速铁路的轨道修建。

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