格栅式地下连续墙的研究现状*

胡浩东 郭清石 吴九江,3

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；2.江西省交通设计研究院有限责任公司，南昌 330052；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川绵阳 621010)

0 引 言

格栅式地下连续墙基础(LSDW)，是指将相邻的地下连续墙墙体刚性连接在一起，形成闭合的框架并设置顶板的基础形式。如图1所示，单室型地下连续墙是指基础横断面中仅有单个闭合室，而格栅式地下连续墙是指横断面中有两个或两个以上闭合室的基础形式。在日本，格栅式地下连续墙也被称为“地中连续壁井筒基础”“连壁刚体基础”[1]。在我国的一些船坞基坑及水电工程中，格栅式地下连续墙作为围护和防渗结构也得到了初步的应用，被称为“格形(型)地下连续墙”“框格式地下连续墙”。

作为一种大跨径桥梁基础形式，格栅式地下连续墙桥梁基础具有以下特点[2-4]：

1)可用于狭窄、周围有建筑物的场地施工，对周围环境影响较小，噪声低。

2)适用于各种类型的地基，适应范围广泛。

3)与沉井基础相比，同等条件下，地下连续墙基础的施工较为简单，节省工时、节省钢材、造价较低，安全性和承载力比沉井基础高许多[5]。

4)地下连续墙基础与大埋深的明挖基础相比，地下连续墙基础可省2/3以上的土方量，省1/3左右的混凝土用量，同时地下连续墙基础的抗洪能力更强。

5)与桩基础相比，地下连续墙基础的刚度大，水平承载力高，抗震性能好，同时钢筋用量要比桩基础更少。

a—格栅式地下连续墙；b—墙段施工顺序(以单室墙为例)；c—格栅式地下连续墙构造要求。图1 格栅式地下连续墙Fig.1 Lattice-shaped diaphragm walls

在调研国内外大量相关文献的基础上，通过对格栅式地下连续墙在桥梁基础中的研究及应用现状的分析，重点阐述格栅式地下连续墙基础试验、理论计算和数值模拟方面的研究进展，并进行相关的总结和分析，以期对格栅式地下连续墙桥梁基础的下一步应用和研究提供一定的参考。

1 国外地下连续墙桥梁基础研究现状

国外有关地下连续墙基础应用到桥梁工程中的文献相对较少，主要集中在日本，欧美国家鲜有将地下连续墙基础直接应用于桥梁工程的相关报道。

1986年，日本30家拥有地下连续墙施工技术的企业成立了“地下连续墙基础协会”，并已逐渐衍生出“地下连续墙施工协会”和“钢制地下连续墙协会”。自1979年以来，地下连续墙桥梁基础在日本飞速发展，截至2018年，日本将地下连续墙基础用作桥梁主体承重结构的工程已有80余处[6]，其中部分案例如表1所示。

表1 日本地下连续墙桥梁基础工程Table 1 Bridge foundations of diaphragm walls in Japan

地下连续墙基础首次作为桥梁主体承重结构的案例是在1979年日本饭坂彻高架桥工程中，该工程没有采用传统的沉井基础，而是选择了单室型地下连续墙基础(图2)，开创了地下连续墙桥梁基础的先河[7]。

图2 饭坂彻高架桥地下连续墙桥梁基础[7] mFig.2 A bridge foundation with diaphragm walls in Japan[7]

1986年开工建设的青森大桥，为中跨240 m的双塔柱斜拉桥，其主塔采用了六室型地下连续墙基础(图3)，该基础的选择是在对比了沉井、大直径桩及钢管围堰井筒之后做出的，该工程采用的六室型格栅式地下连续墙基础，直至今天，在已建成的格栅式地下连续墙桥梁基础中依然是格室数目最多的[8]。

a—实拍；b—平面；c—立面；d—正面。图3 青森大桥地下连续墙桥梁基础[6] mFig.3 Illustrations of underground diaphragm foundation in Aomori Bridge[6]

由于日本是一个多震的国家，因此日本学者更加关注地下连续墙的水平极限荷载及荷载传递机理，文献[9-10]报道了对饭坂彻高架桥及王子南部高架的现场水平荷载试验，得出了地下连续墙基础承载性能优良、抗震性能良好等结论。在室内模型试验方面，中村兵次等研究了矩形闭合地下连续墙与井筒基础承载特性的不同，试验结果表明：当荷载较小时，两者水平位移基本相同；当荷载较大时，矩形闭合地下连续墙上端的水平位移要小于井筒基础[11]。小林胜己等通过室内模型试验发现，地下连续墙基础在水平荷载作用下，内摩阻力所能提供的承载力约为外摩阻力的70%[12]。藤森健史提出了地下连续墙箱型基础抗震设计法，此方法可有效降低地震中剪力对基础的破坏[13]。

在计算方面的研究，日本开展得较早且较系统。1987年海野隆哉等就依靠实际工程，研究了地下连续墙基础在地震时的响应特性，通过与观测结果一致性的对比，表明了分析结果可靠性，明确了基础的响应特性，验证了简易设计方法集中质点系统模型的分析精度[14]。1989年，冈原美知夫等为了研究地下连续墙基础的作用机制，利用二维有限元方法分析明确了水平及竖向的作用机制，并提出了地基反力系数[15]。1993年，菊地敏男等对地下连续墙基础多点地震观测和二维有限元模型进行了分析，明确了基础在地震中的位移，验证了响应位移法的合理性[16]。经过多年的发展，日本逐渐形成了以下几种主流计算方法[4,17-18]：

1)将地基通过8种不同的的弹簧代替，把基础看作刚体计算，如图4所示。

a—竖剖面；b—水平剖面。图4 刚体计算模型[19]Fig.4 The calculation model for the rigid body[19]

2)用4种不同弹簧代替，把基础看作弹性体来计算，如图5所示。

a—竖剖面；b—水平剖面。图5 弹性体计算模型[19]Fig.5 The calculation model for the elastic body[19]

3)按照桩基础的计算方法，在考虑基础正面被动土抗力和侧摩阻力之后，同样将基础看作弹性体来计算。

数值模拟方面，2017年，蔡飞等对2011年日本东北地区太平洋近海地震所引发的地基大面积液化进行了研究，探讨了格栅式地下连续墙改良工法和排水工法对地基液化的抑制机理及抑制效果[20]。

日本作为多震的岛国，在河海地区有大量跨越河海桥梁的建设需求，而拥有巨大刚度和较强抗震性能的格栅式地下连续墙基础已在日本大型桥梁的基础建设中取得了大量成功的应用。我国广袤的江海湖泊地区同样有着建设跨越江海大桥的需求，若能充分利用格栅式地下连续墙基础的优良性能，在我国桥梁基础工程建设中，其经济效益将十分显著。

2 国内地下连续墙桥梁基础研究现状

2.1 国内地下连续墙桥梁基础应用现状

国内格栅式地下连续墙基础技术及研究起步较晚，但随着我国经济和科技的不断发展，格栅式地下连续墙基础的应用及理论研究发展迅速。1992年开工建设的虎门大桥西锚碇采用了地下连续墙进行围水开挖浇筑混凝土施工，是我国首次将地下连续墙基础应用到桥梁基础工程中[21-22]。1995年建成通车的宝鸡—中卫铁路169 km处一座栈桥的三号桥墩，采用了圆形地下连续墙基础，是我国首次将地下连续墙基础应用到桥梁主体承重结构中[23]。

目前，随着施工技术及研究的不断发展，格栅式地下连续墙基础在超深超大基础中有逐渐取代沉井基础、桩基础的趋势。如国道209线河津至临猗段K23+385处的一座跨线天桥，该桥采用单室型地下连续墙桥梁基础，同时承受上部竖向荷载和支座处的水平荷载，是我国首次将格栅式地下连续墙基础运用到高等级、大跨度的公路桥梁中[24]。在陕西西峰长庆桥凤祥路口高速公路工程项目中[25]，部分桥梁同样采式用了小型格栅地下连续墙基础。

在我国桥梁工程中，地下连续墙经常被用作桥梁锚碇基础，如江苏润扬大桥、武汉阳逻长江大桥、南京长江四桥、武汉杨泗港长江大桥及平南三桥，以上桥梁都采用了地下连续墙锚碇基础。2018年，崔立川等结合实际工程，提出了一种新型的井筒式地下连续墙锚碇基础，该基础同时具有免开孔、无排土及无需止水等优点[26]。

在施工标准方面，广东省1995年首先颁布了DBJ/T 75-13—95《地下连续墙设计规程》[27]，规定了地下连续墙及三合一地下连续墙等结构的设计方法。2003年，交通部针对港口地区地下连续墙的施工颁布了JTJ 303—2003《港口工程地下连续墙设计与施工规程》[28]。2007年颁布的JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[29]，则对地下连续墙的单室尺寸进行了规定。但国内地下连续墙基础标准的制定，相较于地下连续墙的发展仍然存在相当程度的滞后。

总之，随着地下连续墙施工技术及相关研究的不断进步，地下连续墙在大跨度、超深工程中的应用在不断增多，但地下连续墙桥梁基础在工程中取代沉井基础及群桩基础，直接用作桥梁基础的主体构件还不多见[5]。

2.2 格栅式地下连续墙基础试验研究现状

在现场试验方面，1991年李桂花等进行了单片地下连续墙的首次现场静载试验，对单片地下连续墙的荷载传递机理及竖向承载力进行了研究[30]。此后几年间，孙学先等在黄土地区进行了两个单片地下连续墙基础的水平承载力及侧摩阻力的现场试验，分析了横向承载力、不同墙面的水平摩阻力和土抗力的发挥特性[31]。文献[32-33]报道了地下连续墙基础在黄土地区的现场试验:陈晓东等对井筒式地下连续墙基础进行了静载试验，得出地下连续墙基础的承载力主要由侧摩阻力提供，并且适合在黄土地区用作桥梁基础的结论[32];宋章等则从现场试验中得出了各级荷载作用下墙身的水平位移、弯矩、剪力、转角及墙侧土抗力沿墙深的变化规律[33]。2012年，张瑞琪通过现场试验等方式对矩形闭合地下连续墙的荷载-沉降特性、水平荷载作用机理等进行了研究，发现矩形闭合地下连续墙的极限摩阻力较大，水平受力的破坏形式主要是转动破坏或平动破坏[34]。2020年，霍少磊等通过自平衡法对实际工程的三片地下连续墙进行了现场试验，通过试验给出了侧摩阻力和端阻力对极限承载力的贡献比例[35]。

在室内模型试验方面，不少学者开展了较为系统的研究[36-43]:2011—2012年，龚维明团队进行了三种不同尺寸的单室型、四室型地下连续墙基础的模型试验，通过试验得出了单室型井筒地下连续墙基础的破坏呈整体倾斜破坏特征；四室型井筒地下连续墙在破坏时呈刚性破坏特征[36-38]。2014年，程恭谦团队利用1∶30的室内模型，模拟了单室、两室、四室格栅式地下连续墙基础(图6)在软土地基中的承载特性，并与群桩基础进行了比较，根据试验证明了格栅式地下连续墙基础的承载力及沉降量都要优于群桩基础的结论，同时随着格室的增加，地下连续墙基础的极限承载能力也不断增大[39-40]。次年，程谦恭团队在软土地区对桥梁基础的沉降问题展开了研究，根据研究可知，在软土地区采用格栅式地下连续墙基础代替群桩基础，可有效降低沉降并提高承载力[41]。2019年，程谦恭团队采用离心机振动台研究了格栅式地下连续墙基础在可液化场地中地震时的抗震及抗液化能力。根据试验结果，证明了格栅式地下连续墙基础在抗液化方面的优良性能，同时抗震性能也较为出色[42-43]。图7为离心机振动台试验模型。

图6 格栅式地下连续墙模型[39]Fig.6 The models of lattice-shaped diaphragm walls[39]

图7 离心机实验模型[42]Fig.7 The models for centrifuge experiments[42]

对地下连续墙基础的试验研究，其他学者也作出了重大的贡献。2018年，张延杰等对地下连续墙基础在湿陷性黄土地基中的竖向承载特性及浸水后的负摩阻力进行了研究，由于地下连续墙基础有着良好的整体性和防渗性，因此土芯不会受到浸水的影响，内摩阻力和端阻力发挥正常[44]。2021年，左玉柱等利用离心机对格栅式地下连续墙基础在砂土中的性能进行了模型试验，根据试验结果可知，由于格栅式地下连续墙的整体性较好，因此在试验过程中前、后墙间的土压力并无明显变化规律[45]。

2.3 格栅式地下连续墙基础计算研究现状

在地下连续墙基础的计算研究中，1991年孙学先对刚性地下闭合墙基础的计算做了初步研究，提出了地基处于弹塑性状态下基础变位及内力的一种计算方法[46]。同年，孙学先在借鉴日本学者研究的基础上，结合我国的桥梁设计标准，给出了剪切地基系数Ks的取值方法[47]。

1992年至今，我国学者对格栅式地下连续墙基础计算方法进行着不懈的研究。2000年，张贵寿依托地下连续墙主流计算方法，提出了一种四结点梁单元，此方法能够更好地对地下连续墙结构特点及受力性能进行模拟[48]。2012年，侯永茂在静载试验等的基础上，对格栅式地下连续墙基础竖向承载机理进行研究，并提出了格栅式地下连续墙基础竖向承载力的简化算式[49]。2013年，龚维明等根据地下连续墙基础的受力特性，按照弹性、刚性基础的分析方法，提出了与日本主流计算方法类似的4弹簧及8弹簧计算方法[50]。

2015年，文华等借鉴群桩基础沉降的计算方法，针对格栅式地下连续墙基础的沉降，提出了用分层总和法来进行计算[51]。两年后，文华等又对变截面井筒式地下连续墙基础提了计算竖向承载能力的方法，同时确定了计算方法中的安全系数[52]。

2016年，Wu等基于荷载传递方法建立了格栅式地下连续墙基础简化分析模型，实现了格栅式地下连续墙基础的沉降预估；根据试验结果，该方式预测的沉降与实测数据吻合[53]。2020年，Wu等同样基于荷载传递方法，对格栅式地下连续墙基础沉降提出了新的预测方法，并提出了一种新的分析方法和荷载传递模型[54]，见图8。

2020年，Cao等建立了矩形闭合地下连续墙基础土体稳态响应的竖向连续位移模型，给出了位于均质介质岩土中矩形闭合地下连续墙基础的竖向动力阻抗和轴向阻力的近似解析解[55]。

2.4 格栅式地下连续墙基础数值模拟研究现状

2007年，孟凡超等对地下连续墙基础在黄土地区的沉降进行了分析，利用Drucker-Prager模型进行了三维有限元模拟，分析结果显示：土芯在墙顶附近的竖向变形最为明显，竖向变形和沉降的主要部分位于墙端下1.5倍基础宽度范围内[56]。2010年，左玉柱等通过数值模型，探讨了大型地下连续墙基础墙土互相作用的机理，并研究了墙体不同部位土压力的情况[57]。

a—内墙和外墙部分；b—土芯部分；c—本构关系。图8 格栅式地下连续墙基础荷载传递简化分析模型[54]Fig.8 A simplified analysis model for load transfer of lattice-shaped diaphragm wall foundations[54]

2011年，宋章等根据数值计算法，研究了闭合地下连续墙基础考虑土芯的承载作用之后的沉降特性，得出了闭合型地下连续墙基础整体呈沉降形式，土芯与墙体沉降基本同步等结论[58]。同年，宋章等采用FLAC3D软件研究了闭合型地下连续墙基础内土芯的沉降及承载特性[59]。

Cheng等利用FLAC3D软件对矩形闭合地下连续墙基础的变形特性、土抗力、摩阻力及沉降等进行了研究[60]。2014年，刘博利用FLAC3D软件对井筒式地下连续墙基础进行了静力及动力研究，得出了基础承载力会随墙体深度的增长而增大等结论[61]。2016年，Wu等对格栅式地下连续墙基础与群桩基础进行了静力加载和地震反应的数值对比分析，得出格栅式地下连续墙基础在软土地基中比群桩基础有着更加优秀的水平承载能力和抗震能力[62]。次年，Wu等又通过PFC2D对格栅式地下连续墙基础的土拱效应进行研究，得出了在一般情况下格室数目越多土拱效应越明显等结论[63]。

2021年，Zhang等基于OpenSees建立三维数值模型(图9)，研究了矩形闭合地下连续墙基础的抗液化机理及可液化场地中地震对其的影响。根据试验结果，矩形闭合地下连续墙基础对地基液化有着明显的减缓作用，同时格栅式地下连续墙基础在近断层地震作用下较容易破坏[64-65]。

图9 OpenSees有限元模型[65]Fig.9 The finite element model in OpenSees[65]

2.5 格栅式地下连续墙基础在其他领域的应用和研究

格栅式地下连续墙以其强大的刚度和对地基致密性等优势，已在我国的一些水利水电工程以及船坞工程中取得了相关应用。2004年，桐子林水电站首次将格栅式地下连续墙基础应用到水电工程中，从施工结果来看，所选择的格栅式地下连续墙基础完全满足工程的要求[66]。2008年开工建设的天津海河沉管隧道护堤工程采用了超深格栅式地下连续墙结构，当时国内超深地下连续墙的应用还较为少见，该工程的成功为后来国内超深地下连续墙施工提供了宝贵的经验[67]。

在上海高桥造船有限公司在船坞扩建工程中，坞室西侧的围护结构采用了格栅式地下连续墙，该工程在后续的施工中通过加固等措施保证了施工质量，并且降低了工程成本，应用效果良好[68]。中船长兴造船基地三号船坞作为我国最大的船坞，同样采用了格栅式地下连续墙，该工程通过在不良地质条件下施工，获得了大量宝贵的经验[69]。

2018年，邵耳东根据PLAXIS 3D软件，研究了作为支护结构的格栅式地下连续墙的受力特性及变形机理，研究结果表明，格栅式地下连续墙结构不同剖面的侧向变形基本一致，轴力分布基本呈前纵墙受压，后纵墙受拉的状态[70]。2020年，Xie等提出了用格栅式地下连续墙对软土地基中涵洞进行处理，并在实际应用中取得成功[71]。2021年，Xia等针对格栅式地下连续墙在西安地铁施工过程中黄土地层出现负摩阻力等问题进行了研究，其研究成果在实际工程中得以应用[72]。

3 结束语

日本作为多震的岛国，在沿海地区有大量跨江、跨海桥梁的需求，而拥有巨大刚度和较强抗震性能的格栅式地下连续墙基础已在日本大型桥梁的基础建设中取得了大量应用。同时，日本已在格栅式地下连续墙基础的水平荷载传递机理和地震动力响应方面取得了大量的研究成果，并提出了相应的刚体和弹性体的简化计算方法，值得深入学习和借鉴。

自20世纪90年代引入我国以来，格栅式地下连续墙已在我国的桥梁工程、水利水电工程和船坞工程中取得了应用，但目前格栅式地下连续墙用于桥梁主体基础的应用实例仍不多，尚处于发展阶段。我国广袤的沿海地区同样有着建设跨江、跨海大桥的需求，若能充分利用格栅式地下连续墙桥梁基础的优良性能，在我国桥梁基础工程中进一步推广使用，其社会经济效益将会十分显著。

近年来，国内的相关学者利用现场试验、模型试验和数值模拟等研究手段，对格栅式地下连续墙基础的墙-土静、动力相互作用机理和荷载传递特性开展了深入的研究，考察了地下连续墙基础应用于湿陷性黄土、软土以及可液化地层等复杂地区的相关问题，对基础的受力分析、位移和变形控制提出了系列的设计和计算方法，并已初步形成了相应的设计和施工标准，大有后来居上之势。

但值得注意的是，目前格栅式地下连续墙的研究还存在着许多值得进一步探讨的地方，如：格栅式地下连续墙的设计计算理论尚不完善，还缺少其在循环荷载和地震土体液化等复杂条件下的设计计算方法。