（岩土工程专业论文）黄土地区地下连续墙基础承载特性试验研究.pdf

摘要 黄土地区地下连续墙基础承载特性试验研究 硕士研究生：李涛导师：龚维明 东南大学土木工程学院 摘要 地下连续墙基础是指地下连续墙直接作为建筑物或构筑物的基础，同时承受上部结构传来的竖 向荷载和水平荷载并传给地基。它是一种较新颖的深基础形式，具有许多优点，可以代替传统深基 础。但地下连续墙基础出现较晚，理论研究不深入，应用实例不多。我国黄土地区面积较广阔。而黄 土地区土层直立性好，原始含水量小，地下水位低，垂直开挖方便，易于施工成槽，无需泥浆护壁和水下 灌注混凝土，造价较低，故很适合采用地下连续墙基础。但由于目前我国尚没有套系统、可靠、简便的 应用方案和设计方法，地下连续墙基础在我国黄土地区应用极少。 针对这种情况，本文总结了国内外关于地下连续墙基础承载特性的试验研究成果，归纳了重要 的影响因素和需解决的关键问题；在此基础上，结合交通部西部交通建设科技项目，依托我国黄土 地区一在建拱桥工程，通过现场竖向和水平载荷试验，深入研究了地下连续墙基础的竖向和水平承 载特性。最后，本文还阐述了与地下连续墙基础承载特性相关的设计计算方法，并结合试验墙基础， 提出了相关设计建议和改进。 试验前先将试验仪器设备针对黄土地区地下连续墙基础进行了适应性改进。现场竖向载荷试验 是采用自平衡法对一井筒式地下连续墙基础进行的。根据试验情况及数据，分析了墙身轴力分布情 况和墙侧摩阻力、墙端阻力各自的发挥状况，并将试验o - s 曲线向传统方法进行了等效转化，估算 了基础的竖向抗压极限承载力。现场水平载荷试验是对一单片地下连续墙进行的。根据试验情况及 数据，确定了其水平临界及极限荷载的大小，分析了墙身内力及墙周土抗力的分布情况，推得了不 同土层深度处土抗力和水平位移的关系图，并结合我国工程界常用的m 法进行了相关推算。 本次试验既是国内首次采用自平衡法对井筒式地下连续墙基础进行的现场静载试验，也是国内 首次在黄土地区对井筒式地下连续墙基础进行的现场大尺寸模型静载试验。 关键词：地下连续墙基础，黄土，承载特性，侧摩阻力，端阻力，载荷试验，自平衡法，地基反力， 计算模型 a b s t r a c t t e s ta n dr e s e a r c ho nb e a r i n gb e h a v i o ro f d i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni nl o e s sa r e a g r a d u a t es t u d e n t ：l it a n s u p e r v i s o r ：g o n gw e i m i n g d e p a r t m e n to f c i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t n ed i a p h r a g mw a l l b ed i r e c t l yu s e df o rt h ef o u n d a t i o no fb u i l d i n g s b e a r i n gt h ev e r t i c a le n d l a t e r a ll o a df r o mt h es u p e r s t r u c t u r es i m u l t a n e o u s l ya n dt r a n s f e r r i n gt h e mt ot h eg r o u n db a s e n i sk i n do f f o u n d a t i o ni sc a l l e dd i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o n i ti san e wk i n do f d e e pf o u n d a t i o nf o r mw h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e s ，e n dc a l ls u b s t i t u t ot r a d i t i o n a ld e e pf o u n d a t i o n h o w e v e r , r e s e a r c ho nt h ed i a p h r a g mw a l l f o u n d a t i o nw h i c ha p p e a r e dl a t e l yi sn o ts u 舾c i e n t , e n de x a m p l e sa 坤n o ta b u n d a n t t h e r ea r ee x t e n s i v e l o e s sa r e a si no wc o u n t r y i nl o e s sa r e a , t h es o i lh a sb e t t e ro r t h o s t a t i cc a p a c i t y 。f e w e rm o i s t u r ec o n t e n ta n d l o w e rg r o u n d w a t e rl e v e l , e n dc o n s t r u c t i o ni ss i m p l ew i t h o u ts l u r r yp r o t e c t i o ne n du n d e r w a t e rc o n c r e t e p o u r i n g s ot h ed i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni sf i tt ob ea p p l i e d b u tt h e r ea r ev e r yf e wa p p l i c a t i o ni no u r l o e s sa r e a s ，b e c a u s ew eh a v en os y s t e m a t i c , c r e d i b l ee n dc o n v e n i e n ta p p l i c a t i o np r o g r a m sa n dd e s i g n m e a n s f o rt h e s em a s o t e s ta n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，i m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r se n dk e yp r o b l e m s b e i n gs o l v e da b o u tb e a r i n gb e h a v i o ro f d i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o na r cc o n c l u d e di nt h i sp a p e r b yo n - s i t e v e r t i c u le n dl a t e r a l1 0 a dt e s t s ，t h ev e r t i c a le n dl a t e r a lb e a r i n gb e h a v i o ro fd i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o na r e s t u d i e d , a s s o c i a t i n gt h es c i e n c ee n dt e c h n o l o g yp r o g r a mo f m i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n sa n dd e p e n d i n go n s o m eu n d e rc o n s t r u c t i o na r c h e db r i d g ei no u rl o e s sa r e a s a tl a s t , d e s i g nm e a n sr e l a t e dt ot h eb e a r i n g b e h a v i o ro fd i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o na r ee x p o u n d e d ，a n ds o m es u g g e s t i o na n di m p r o v e m e n ta l e p r e s e n t e da s s o c i a t i n gt e s t i n gd i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o n t e s ti n s t r u m e n th a v eb e e ni m p r o v e db e f o r et e s t i n g o n es h a f td i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni st e s t e d u n d e rv e r t i e a l l o a di ns e l f - b a l e n c e dm e t h o d a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na n dd a t ao f t a s t ，d i s t r i b u d o no f a x i a l f o r c e ，s i d er e s i s t a n c ee n dt i pr e s i s t a n c eo f w a l la r ea n a l y z e d q - sc u r v ei nt e s ti se q u i v a l e n t l yt r a n s f o r m e d , e n dt h ev e r t i c a lu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yi se s t i m a t e d o n es i n g l ed i a p h r a g mw a l li st e s t e du n d e rl a t e r a l l o a d a c c o r d i n g 协t h es i t u a t i o ne n dd a t ao ft e s t , l a t e r a lc r i t i c a la n du l t i m a t el o a d sa r ef i x e d ，a n d d i s t r i b u t i o no fi n t e m a lf o r c ei nt h ew a l le n ds o l lr e s i s t a n c ei sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l l r e s i s t a n c ee n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n ti nd i f f e r e n td e p t he n dt h ev a l u eo f mw h i c hi su s e di no u rc o u n t r y c a l c u l a t e d t h i st e s ti sn o to n l yt h ef i r s to n - s i t el o a dt e s tt os h a f td i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni ns e l f - b a l a n c e d m e t h o d , b u ta l s ot h ef i r s to n s i t el a r g es i z em o d e ll o a dt e s tt os h a f td i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni nt h el o e s s a r g ai no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：d i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o n , l o e s s ，b e a r i n gb e h a v i o r , s i d er e s i s t a n c e ，t i pr e s i s t a n c e , l o a dt e s t , s e l f - b a l a n c e dm e t h o d ，s o i lr e s i s t a n c e ，c a l c u l a t e dm o d e l n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：垄望日期：丝：! 垒! 里翌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：凼导师签名：熏丝晓1 日期：业，均 第一章绪论 第一章绪论 1 1 地下连续墙基础概述【1 2 1 1 3 4 1 2 0 世纪上半叶出现的地下连续墙技术是基础工程界的一项重大创新。利用各种挖槽机械，在地 下挖出窄而深的沟槽，并在其内部浇注适当的材料而形成的具有防渗、挡土、承重等功能的连续的 地下墙体，即称为地下连续墙，在我国亦称为地下防渗墙。欧美国家称之为混凝土地下墙( c o n t i n u o u s d i a p h r a g mw a l l ) 或泥浆墙( s l u r r yw a l l ) ，日本称之为地下连续壁、地中连续壁或连续地中壁本 文以地下连续墙统称。 地下连续墙最初出现于工程中是用来防渗或挡 土，这也是其应用于工程领域以来的主要作用。随着 设计方法和施工技术的不断改进，地下连续墙开始逐 渐发挥承重的作用，从兼作建筑物地下结构的外墙发 _ 展到直接作为建筑物或构筑物的基础，即地下连续墙 基础( 日本亦称为连壁基础) 。它承受上部结构的荷载 并传给地基，大部分情况下同时承受竖向荷载和水平 荷载。地下连续墙基础是利用构造接头把地下连续墙 的各墙段连结成一个外形为矩形、多边形或圆形且其 内部可分为一个或多个空格的整体结构，并在其顶部 窑羹? 墨誓i 芏霎嚣篙蓄臀嘉票芋缸宰霆基墨 卧t 地下连续墙基础 有土芯，也可将土清除，如图1 1 所示。地下连续墙 基础突破了地下连续墙作为防渗墙或挡土墙的常规用法，是一种较为新颖的深基础形式。它不仅可 以代替桩基础，也可以代替沉井基础。 地下连续培基础的断面形式比较灵活，可以是闭合的井筒式、多边形或圆形，也可以是非闭合 的壁式，如图1 2 所示。其中，井筒式断面的地下连续墙基础又分为单室和多室两种，壁式断面的 地下连续墙基础通常又称为壁桩、壁板桩、墙桩或条桩。地下连续墙基础的刚度不仅取决于基础几 何尺寸，而且取决于各墙段之间的接头形式，因此地下连续墙基础有时属于刚性基础，有时则类似 于弹性桩，相应的有不同的设计计算方法。 回画 ( a ) 单室井筒式( b ) 多室井筒式( c ) 多边形( d ) 圆形 ( c ) 壁式 图1 2 地下连续墙基础的断面形式 地下连续墙基础与桩基础、沉井基础等传统深基础形式相比，有以下一些优点： 地下连续墙基础能与地基牢固地连接在一起，基础的侧摩阻力大； 由于能形成井筒式的闭合断面结构，因而基础的刚性比较大； 可以修建从小型到超大型任意规模的深基础工程，断面形式也比较多样； 几乎可以在任何地基中施工，也可以在水中施工； 施工机械化程度较高，比较安全，噪音和振动均较小，并可以缩短工期，缩小基础工程规模 整体上来说具有较好的社会效益和经济效益。 目前，地下连续墙主要用作于大型桥梁、高耸建筑物、超高层楼房的基础形式。 东南大学硕士学位论文 1 2 地下连续墙基础的发展及工程应用 1 2 1 地下连续墙技术的起源及发展 地下连续培技术起源于欧洲，它是根据打井和石油钻井使用泥浆护壁和水下浇注混凝土的方法 而发展起来的。1 9 2 0 年，德国首先提出地下连续墙专利。而在泥浆支护的深槽中建造地下连续墙的 施工方法则是1 9 3 8 年意大利米兰的c 维得( c v e d e r ) 开发的。1 9 5 0 年，在修建意大利圣玛丽 亚水库坝基的过程中，地下连续培首次运用于工程实际。在随后的2 0 世纪5 0 年代，地下连续墙在 意大利和法国得到了充分利用【1 1 2 1 。2 0 世纪5 0 年代末，地下连续墙技术传入我国和日本，并先后开 始在世界各国迅速发展。 目前，地下连续墙技术最发达的国家当属日本，在设计和施工方面均处于世界领先水平，已累 计建成地下连续墙1 5 0 0 万m 2 以上，近年来每年平均建成6 0 8 0 万m 2 。意大利、法国、德国、加 拿大、英国、墨西哥等国，也都位于地下连续墙技术发展的前列。最初的地下连续墙厚度不超过6 0 c m ， 深度不超过2 0 m 。1 9 8 0 年以后，墙厚超过1 2 m 、深度超过l o o m 的地下连续墙不断涌现出来。至 2 0 世纪9 0 年代，日本已经进行了超厚( 3 2 0 m ) 和超深( 1 7 0 m ) 的地下连续墙的试验性施工，并 已建成墙厚达2 8 m 、深达1 4 0 m 的地下连续墙l ，j 。 1 2 2 地下连续墙基础的出现及在日本的发展应用 世界各国都是首先在水利水电工程基础中开始将地下连续墙用作防水防渗用临时结构、挡土墙 护壁等，然后才扩大到作为高层建筑地下室、地下停车场、地下街道、地铁等地下建筑的外墙结构。 日本自1 9 5 9 年引入地下连续墙技术后，进行了大量的现场试验和理论研究，在设计和施工方面都有 独特的创造，尤其是在原有地下连续墙的基础上，将墙段用“接头”的形式在平面上连接成一个封 闭的矩形、多边形或圆形等不同形式的地下连续墙基础作为特殊的桥梁基础形式，并于1 9 7 5 年在首 都高速公路5 号线工程中首先采用。1 9 7 9 年，日本在东北新干线高架桥工程中采用闭合断面的地下 连续墙基础，代替了惯用的沉井基础。随后，阪神高速公路、东京湾跨海大桥、青森大桥、北浦港 大桥、白鸟大桥等重大工程中均采用了地下连续墙基础。据统计，至1 9 9 3 年7 月，日本已在2 2 0 项工程中使用了地下连续墙基础 6 1 。地下连续墙基础在日本得到了充分、迅速的发展。 日本施工地下连续墙基础的主要机械设备为矩形抓斗或水平多轴铣槽机，如图1 3 所示。下面 以3 个工程实例具体说明一下地下连续墙基础在日本的工程应用”1 。 ( a ) 矩形抓斗( b ) 带水平双钻头的地下连续墙钻机 图1 3 地下连续墙基础施工机械 2 第一章绪论 1 日本青森大桥主塔墩地下连续墙基础 日本青森大桥为中跨2 4 0 m 的预应力混凝土双塔斜拉桥，其两个主塔墩都采用了地下连续墙基 础。根据结构特征、经济性、旌工便易性等方面的比较，基础采用大平面浅埋方案，平面尺寸为 3 0 m 2 0 5 m ，深4 2 0 m ，为单箱6 室式。由于是在深水中进行施工，故先在水中筑岛围堰，然后在 里面进行地下连续墙基础的施工。施工中采用了有缺口的钢管和圆钢插头的新型接头。安捧施工顺 序的原则为：先内后外；新开工的单元要尽量远离刚完工的单元；尽早灌注待完成接头的井 壁混凝土工程概况如图1 4 所示。 3 0 伽0 x 2 0 ，0 0 ( a ) 全桥概况 虎卿i j l髂自目 ( b ) 地下连续墙基础 图1 4 日本青森大桥主塔墩地下连续墙基础概况 2 日本白鸟大桥主塔墩地下连续墙基础 日本白鸟大桥为跨度7 2 0 m 的悬索桥，其3 p 主塔墩采用圆形断面地下连续培基础，直径3 7 0 m ， 墙厚1 5 m ，深1 0 6 o m 。施工方法是利用地下连续墙作为防水及抵抗土压力的围堰，在围堰内进行 挖掘工作，到达设计标高后就地灌注像沉井基础一样的深置基础。具体步骤如下；首先在水深1 3 m 的墩位处，以直径1 0 m 的锁口钢管桩1 6 8 根( 长度4 0 m ) 修筑或筑岛围堰，其直径为6 7 m ，填土 到水面以上+ 3 o m 标高；然后在筑岛面上进行地下连续墙围堰的施工，其直径为3 7 0 m ，墙底标高 达1 0 3 0 m ；围堰完成后，即以挖掘机在围堰内挖土直到7 3 0 m ：在挖土过程中，逐层在围堰内部墙 壁上灌注环状支撑，以加强地下连续培的强度；最后由标高一7 3 o m 开始修筑基础及塔身。工程概况 如图1 5 所示。白鸟大桥和青森大桥的施工方法是日本施工地下连续墙基础主要采用的两种方法。 t p , , 4 3 0 0 0 l害， ：产弋卜幺薪莉胁胁陛“沁 t p 5 oit p 7 , 0 0 0 n h h w i , t q 0 9 5 0 。u u u l j ( a ) 全桥概况 3 东南大学硕士学位论文 彻地下连续堵基础施工步骤 图1 5 日本白乌大桥主塔墩地下连续墙基础概况 3 日本明石海峡大桥锚墩地下连续墙基础 明石海峡大桥连接神户与淡路岛，为主跨1 9 9 0 m 的钢桁架悬索桥，桥长3 9 1 0 m 。i a 号锚墩， 包括基础部分全高约1 1 5 m ，沿桥梁纵轴方向长8 4 5 m ，宽6 3 m 。基础部分混凝土约3 8 0 0 0 0 m ，属 特大型桥梁基础，承受主缆悬索水平拉力达1 2 0 0 m n 。基础结构为外径8 5 m 、高7 5 5 m 、壁厚2 2 m 、 周长2 6 0 m 的圆形断面地下连续墙。在地下连续墙围堰内清除内部土6 4 m 后，大部分填筑碾压混凝 土直到顶面，其上继续修筑长8 4 5 m 、宽6 3 0 m 、高约5 2 m 的锚墩。工程概况如图1 6 所示。 图1 6 日本明石海峡大桥锚墩地下连续墙基础概况 1 9 8 6 年，日本的3 5 家专业公司成立了“地下连续壁基础协会”，对地下连续墙基础的技术难题 进行了深入研究，提出了相关的施工方法手册、设计指导等技术文件，推进了地下连续墙深基础技 术的进展。1 9 9 2 年7 月，日本道路协会提出了地下连续墙基础设计施工指针，1 9 9 6 年又进行了 修订，由此确定了地下连续墙基础的标准设计方法h 。 1 2 3 地下连续墙基础在我国的发展应用 我国自2 0 世纪5 0 年代末开始在工程中使用地下连续墙。1 9 5 8 年在北京市密云水库的白河主坝 粘土铺盖下进行了槽板式地下连续墙试验性施工，并于1 9 6 0 年5 月建成了长7 5 5 m 、深4 4 m 的地下 防渗墙，这是真正意义上的地下连续培在国内的首次工程应用。地下连续墙应用成功后，为解决当 时我国水利水电工程中存在的渗漏和稳定问题提供了安全、实用、经济的技术手段，该技术也在国 4 第一章绪论 内得到了广泛的应用和一定程度的发展，尤其是在我国沿海软土地区应用较为成熟。广东省在1 9 9 5 年 还专门编制了地下连续墙结构设计规程( d b j ，r 1 5 - 1 3 - 9 5 ) 1 1 0 1 在上海特种基础研究所办公楼、上海电信大楼等工程中，地下连续墙逐渐开始作为箱形基础或 地下室的外墙，承担部分上部荷载i i ”。广东虎f x - 桥、武汉阳逻长江公路大桥、江阴长江公路大桥、 江苏润扬长江公路大桥等工程采用了地下连续墙基础，均是作为桥粱锚碇的基础。地下连续墙基础 在我国应用不多，在我国黄土地区应用则更少，只有极个别的工程实例。下面先以具体的工程实例 说明地下连续墙基础在我国的应用情况。 1 广东虎门大桥西锚碇基础地下连续墙基础在国内的首次应用i ，且1 4 国内首次将地下连续墙作为深基础使用是在1 9 9 2 年的广东虎门大桥中，是作为大桥西锚碇的基础。 虎门大桥是广深珠高速公路上的一座钢箱悬索桥，主跨8 8 8 m 。其西锚碇为重力式锚碇，位于珠江 口上、下横挡岛之间的有水暗礁区上，经多方研究，最终采用圆形断面地下连续墙基础。基础外径6 1 m ， 内径5 9 4 m ，墙厚0 8 m ，平均深度1 4 m ，嵌八风化岩1 9 5 - 3 5 0 1 。墙体由3 5 个单元槽段的圆形折线墙 组成，墙段之间采用人字形钢板接头，使墙段之间相互楔合。墙内设有三道内衬圈梁和一道顶圈梁， 以增强地下连续墙的整体性和刚度。工程概况如图1 7 所示。 ( a ) 锚碇和地下连续墙基础 ( b ) 地下连续墙的单元槽段 ( c ) 地下连续墙支撑圈粱和顶圈粱 图1 7 广东虎门大桥锚碇地下连续墙基础概况 2 武汉阳逻长江公路大桥南锚碇基础哪! 3 】1 1 q 武汉阳逻长江公路大桥主桥采用布跨为2 5 0 m + 1 2 8 0 m + 4 4 0 m 的悬索桥，南锚碇采用外径7 3 m 、 壁厚1 5 m ，深6 1 5 m 的圆形地下连续墙作为锚体开挖的水土支挡结构物，于2 0 0 3 年1 0 月开始施工。 同年1 2 月完成地下连续墙的浇筑。 1 3 地下连续墙基础在我国黄土地区的应用 1 3 1 黄土的基本特性及分布 黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部形态的特征，不同于同时期的其他 沉积物。黄土具有以下全部特征：颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；颗粒组成以粉 粒( o 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量一般在6 0 以上，几乎没有粒径大于o 2 5 r a m 的颗粒；孔隙比 较大。一般在1 0 左右；富含碳酸钙盐类； 垂直节理发育； 般有肉眼可见的大孔隙。缺 少以上一项或几项特征的称为黄土状土。黄土按其成因分为原生( 或典型) 黄土和次生黄土。一般 东南大学硕士学位论文 认为不具层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过流水冲刷、搬运和重新沉积而形成的为次生黄 土，具有层理，并含有较多的砂粒以至细砾。次生黄土的结构强度一般比原生黄土低，而湿陷性较 高。地质界常将原生黄土称为黄土，而将次生黄土称为黄土状土。从建筑工程角度来看，主要是根 据土的物理、力学性质来评价其工程特性，对区分黄土或黄土状土的必要性不大，因此常将黄土和 黄土状土统称为黄土1 。 黄土在世界上分布很广，面积达1 3 0 0 万平方公里，约占陆地总面积的9 3 。我国黄土地区面积 广阔，约为6 4 万平方公里，占世界黄土分布总面积的4 9 左右。我国黄土分布自西向东有三大地区：西 北干燥内陆盆地、中部黄土高原、东部山前丘陵及平原。 1 3 2 地下连续墙基础在黄土地区的工程适用性及应用情况 黄土地区土层直立性好，地下水位低，原始含水量小，垂直开挖方便，易于舡成槽，且无需泥浆护 壁，无需水下灌注混凝土，适合使用地下连续墙基础。西安公路交通大学公路工程学院的于书翰曾对陕北 黄土地区一座跨度8 0 m 的钢筋混凝土拱桥的桥台进行了人工开挖地下连续墙基础和组合式桥台桩基础的 设计方案比较。通过实际分析计算，认为地下连续墙能克服钻( 挖) 孔桩刚度小，沉井因下沉过程中扰动 大不能计侧摩阻力的缺点，将钻( 挖) 孔桩和沉井的优势均发挥出来成为承载力大，刚度也大的新型基 础，且在黄土地区可采用人工开挖，舡简单，造价较低，与组合式桥台桩基础相比具有明显的优势，很 适合作为拱桥的桥台基础【“。但由于目前我国尚没有系统有效的、严密可靠的，工程界乐于接受的、具有 理论价值目简便实用的地下连续墙基础的应用方案和分析计算方法，地下连续墙基础在我国黄土地区应用 极少。 宝中铁路建设中，地下连续墙基础首次在我国黄土地区得到应用。宝中铁路是国家。八五”重点建设 项目，连接陕西宝鸡和宁夏中卫，线路位于西北黄土地区。其勘测设计工作始于2 0 世纪5 0 年代后期，9 0 年代初开工建设，1 9 9 4 年6 月1 0 日全线贯通。线路全长4 9 8 1 9 公里，共有隧道6 8 条，特大桥和中大桥 2 3 7 座，小桥涵1 7 2 6 座，土石方3 5 3 0 万立方米。在线路建设中，为充分利用前文所述黄土地区土层特点， 以达到节省工程数量、降低造价的目的，使用了地下连续墙基础，并直接用作为桥梁的墩台基础。由铁道 部建设司立项，铁道部第一勘测设计院负责进行了工程试验研究，并探讨地下连续墙作为桥梁基础的合理 设计方法。基础为直径5 m 、深l o m 的圆形断面地下连续墙，上部封顶，下部开口，内部土保留。宝中铁 路应用了这种基础并取得了较明显的经济效型“且j 。 铁道部第一勘测设计院、兰州铁道学院土木工程系等单位还在黄土地区进行过与地下连续墙基础相关 的现场载荷试魁，将在下文相关章节详述。 1 4 论文的主要研究工作和内容 本文主要依托我国黄土地区一在建拱桥的基础部分进行。针对深厚层的黄土地层中没有良好的 桩端持力层，只能作摩擦桩设计( 而摩擦桩的桩长往往会很长) 的特殊地质条件，采用相对埋深较 浅的地下连续培基础代替现有的深大基础。但地下连续墙基础在我国黄土地区应用极少，承载特性 不甚明确，本文通过现场竖向和水平载荷试验，深入研究了井筒式地下连续墙基础的竖向和水平承 载特性。本次试验既是国内首次采用自平衡法对井简式地下连续墙基础进行的现场静载试验，也是 国内首次在黄土地区对井筒式地下连续墙基础进行的现场足尺静载试验。本文主要的研究工作和内 容有以下几点： 总结了国内外针对地下连续墙基础承载特性进行的试验研究成果。 归纳了影响地下连续墙基础承载特性的重要因素和需解决的关键问题。 考虑到依托工程、试验场地、试验墙等相关情况，对试验所采用的自平衡法在设备、仪器等 方面针对黄土地区的地下连续墙基础进行了适应性改进。 在黄土地基中采用自平衡法对一井筒式地下连续墙基础进行了现场竖向载荷试验，根据试验 情况及数据，分析了墙身轴力及培侧摩阻力的分布情况，并将试验得到的q - s 曲线等效转化为与传 统堆载法得到的墙项q - s 曲线，分析了墙侧摩阻力和墙端阻力各自的发挥状况，估算了基础的竖向 6 第一章绪论 抗压极限承载力。 在黄土地基中对一单片地下连续墙进行了现场水平载荷试验，以间接研究井筒式地下连续墙 基础的水平承载特性。根据试验情况及数据，确定了其水平l 临界及极限荷载的大小。分析了墙身内 力及培周土抗力的分布情况，推得了不同土层深度处土抗力和水平位移的关系图，并结合我国工程 界常用的m 法进行了相关的推算。 阐述了针对典型的井筒式地下连续墙基础的设计计算方法，并结合试验地下连续墙基础，提 出了相关设计建议和改进。 参考文献 【l 】丛蔼森编著地下连续墙的设计施工与应用【m 】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 1 3 2 3 3 2 6 【2 】陆震铨，祝国荣编译地下连续墙的理论与实践【m 】北京：中国铁道出版社，1 9 8 7 1 7 【3 】日本建设机械化协会编地下连续墙设计与施工手册【m 】祝国荣等译北京：中国建筑工业 出版社，1 9 8 3 1 - 5 4 】许黎明一种新的桥梁基础型式地下连续墙基础阴国外桥梁，1 9 9 5 ( 3 ) ：2 3 0 - 2 3 4 【5 】孟凡超，陈晓东黄土地区大跨径桥梁地下连续墙和箱形基础应用研究的思路和技术路线【j 】公 路，2 0 0 4 ( 6 ) ：5 2 - 5 8 【6 】鹿岛建设编基础构造物和地基构造物( 日文) m 】，1 9 9 3 f 7 】刘自明主编桥梁深水基础f m 】北京：人民交通出版社，2 0 0 3 2 1 7 - 2 4 9 【8 】地中连续壁基础协会，连壁基础施工检讨委员会基础连续壁基础工法，、y1 o ，( 设计编) m 日本东京：株式会社综合土木研究所，1 9 9 3 【9 】日本土木工程手册基础及土工结构 m 】唐业清等译北京：中国铁道出版杜，1 9 8 4 【1 0 】广东省工程建设标准化协会d b j t 1 5 1 3 - 9 5 地下连续墙结构设计规程i s ，1 9 9 5 【1 l 】常红异型地下连续墙基础沉降预测及群墙效应研究【d 】 硕士学位论文 上海：同济大 学地下建筑与工程系，1 9 9 8 【1 2 】王化勤，王力兵地下连续墙在桥梁基础工程上的应用叨中南公路工程，1 9 9 8 ，2 3 ( 4 ) ：3 8 - 4 1 【1 3 】徐国平，刘明虎。刘化图阳逻长江大桥南锚碇圆形地下连续墙设计叫公路，2 0 0 4 ( 1 0 ) ：1 1 1 4 【1 4 】刘明虎，徐国平。刘化图武汉阳逻长江大桥锚碇设计明公路，2 0 0 4 ( 1 2 ) 3 94 7 【1 5 】钱鸿缙，王继唐罗宇生等编湿陷性黄土地基【m 】北京：中国建筑工业出版社，1 9 8 5 1 - 8 【1 6 】于书翰黄土地区拱桥桥台人工开挖地下连续墙基础们西安公路交通大学学报，2 0 0 0 ，2 0 ( 4 ) ： 3 2 3 5 【l7 李涛黄土地区桥粱挖井基础设计方法研究【j 】岩土工程学报，1 9 9 7 ，1 9 ( 3 ) ：4 7 - 5 4 f 1 3 】李涛铁路桥梁连续墙挖井基础设计方法的试验研究晒中国铁道科学，1 9 9 7 1 s ( 2 ) ：4 6 - 5 3 【1 9 】孙学先，崔文监q 4 黄土地基地下连续墙水平承载模型试验研究 j 】兰州铁道学院学报，1 9 9 5 ， 1 4 ( 3 ) ：4 9 - 5 4 东南大学硕士学位论文 第二章地下连续墙基础承载特性研究现状 2 1 国内外对地下连续墙基础承载特性进行的试验研究 2 1 1 国外相关试验研究成果 地下连续墙基础的相关试验较少，国外的研究机构和学者( 以日本为主) 为了研究其承载特性， 主要做了如下一些试验，尚未达到完善的程度。 1 日本大林组在东京都千代田区( a ) 和千叶县流山市( b ) 对壁式断面的地下连续墙基础进 行了现场载荷试验。两根壁桩断面尺寸均为1 g m x o 6 m ，分别位于砂砾层和细砂层土质中。试验根 据日本土质工学会编制的桩的垂直荷载试验基准与解说的规定进行，采用慢速多循环式加载。 试验概况见图2 1 。试验得到如下结论”j ： 在加载初期的低载荷阶段和后期的高载荷阶段，地下连续墙的承载机理不同。在加载初期， 荷载的大部分由周围摩阻力来承担：在加载后期，周围摩阻力己基本达到极限值，增加的荷载主要 由墙端地基来承担。 地下连续墙的测定结果同灌注桩相比，有同等的或比灌注桩良好的承载性能。 轴力随外荷载的增加而沿深度分布逐渐变得均匀。 周边摩阻力、不同地层的剪应力的最大值对应的变形不同。 n 币f 1 鑫二曼 | 牮 1 门甭n 事一三二 骖生矽i 餐 第二章地下连续墙基础承载特性研究现状 连续墙底端承载力无影响，但对周边摩阻力影响很大，对地下连续墙的竖向承载力可以得出与钻孔 灌注桩相同的评价。另外，试验还发现沿地下连续墙长边方向，墙的两个端头的应变大于墙的中心 部位的应变，这是因为地基反力的分布不同所致“。 4 前苏联白俄罗斯国家建委进行了地下连续墙的竖向承载力试验，得到如下结论：可按钻孔灌 注桩来计算和评价地下连续墙的承载力“。 5 日本东京至名古屋的第二高速公路东海大府高架桥采用了壁式断面的地下连续墙基础。设计 参照一些工程实例及日本道路协会1 9 9 2 年发布的地下连续壁基础设计施工指针进行。由于设计 要求桩底进入硬质粉砂岩内1 0 m ，施工难度较大，且经济性不好。另外，基础桩的平面形状也存在 一些问题。为了解决这些问题，在正式施工前进行了壁桩的竖向和水平静载试验。竖向静载试验采 用o c e l l 法( 试验原理参见后续章节) 进行。试桩为两根，断面尺寸均为2 a m x i 2 m 。试桩a 用于 测量桩端承载力，长2 8 0 m ；试桩b 用于测量桩侧摩阻力，长2 6 0 m 。试桩a 荷载箱容量为3 4 5 0 k n ， 试桩b 荷载箱容量为3 0 0 0 k n ，行程均为4 0 0 m m ，以2 行4 列的方式安装于钢筋笼上。水平加载试 验分面内和面外两个方向进行，施加最大水平力为1 2 0 0 0 k n 。试验概况见图2 2 。试验中，试桩a 中荷载箱下方出现较大位移，而试桩b 中荷载箱上方则出现较大位移。试验结果在以往试验结果的 范围内，在砂土中比设计值略大，在粘土中比设计值略小”。 g m ” 矿 矿 矿 ( a ) 试桩布置和结构图 ( ”竖向试验仪器布置( c ) 水平试验仪器布置 ( d ) 竖向荷载一位移曲线 ( e ) 实测轴向力和侧面摩阻力( o 桩底荷载一沉降比曲线( g ) 水平荷载一位移曲线 图2 2 国外试验5 概况 6 u r k k a d a t e c h n o l o g y 公司的b e n g t h f e l l e n i u s 等在菲律宾马尼拉也曾对一根2 8 m 长的壁板桩 9 蔺 具h川钒儿 一睡盖一謇。 臻翻翻翻囹 东南大学硕士学位论文 采用o - c e l l 法进行了竖向静载试验【6 1 。 2 1 2 国内相关试验研究成果 1 1 9 8 7 年，同济大学地下建筑与工程系进行了地下连续墙竖向承载力的室内大型模型试验， 得出如下结论l 3 j ： 地下连续墙的侧壁摩阻力与端阻力不是同时达到最大值的，当侧摩阻力达到最大值时，端阻 力只发挥了极限值的7 0 确定地下连续墙的承载力，应考虑位移因素的影响。 在设计承重地下连续墙基础时，应允许基础产生一定的竖向位移，只有这个位移，基础的承 载力才能发挥出来。 2 1 9 9 1 年，同济大学地下建筑与工程系与上海市基础工程公司在同济大学校园内进行了单片 地下连续墙竖向静载现场试验。试验墙断面尺寸为2 5 m x o 6 m ，埋深2 l m ，主要穿过土层为中压缩 性砂质粉土。试验概况见图2 3 ，采用锚桩法加载，并采用慢速维持荷载法和快速维持荷载法两种方 法进行。通过对试验墙荷载、位移、轴向力等数据的研究，得出如下结论： 侧摩阻力的大小取决于周围土性参数及墙土相对位移，而端阻力的发挥需要较大的位移，因 次侧摩阻力和端阻力不是同时得到充分发挥。加载初期，荷载大部分由侧摩阻力承担，传递到墙底 的荷载很小，当侧摩阻力达到极限值后，墙项荷载的增量主要由端阻力承担。当墙体达到极限荷载 时，端阻力占竖向荷载的2 0 4 0 ，侧摩阻力占6 0 0 8 0 。 地下连续墙竖向承载力可参照钻孔灌注桩的设计规范进行计算，并应考虑尺寸效应。墙侧摩 阻力和端阻力与钻孔灌注桩有相同性质，可取同类性质承载力的平均值。 地下连续墙竖向承载力计算时不能忽略位移的影响，端阻力和侧摩阻力均需根据位移大小进 行修正。端阻力和侧摩阻力在承载力计算中可采用不同的安全系数。 侧摩阻力还与端阻力之间存在相互影响关系，端阻力的大小影响侧摩阻力的分布和发挥。 可用一个位移函数删划分侧摩阻力和端阻力。用于补偿基础时应乘以修正系数”。 1 9 9 3 年李桂花、周生华等发表的( 地下连续墙垂直承载力试验研究一文，对此试验进行了系 统的总结( 7 1 _ 屠 ：j 碍一“ 一孵 t 一溺 割“ l 豢i 纛鏊滋；i 邈邈就嚣 ( a ) 土质柱状土和试验墙设置情况 矗 舟青曩涪 舞砖摊抟倚 格 荷载一沉降曲线 嬉a 跨 州4 自t ( c ) 轴向力分布图 ( d ) 侧摩阻力一位移曲线( e ) 墙端应力一墙端位移曲线 图2 3 国内试验2 概况 1 0 罗一一彭一 。 豳隧勉溺滋豳。 o；8j，-1 黼幽豳锈溺窗 气；罅|j1；i，；吐 第二章地下连续墙基础承载特性研究现状 3 1 9 9 5 年，同济大学硕士研究生常红在同济大学地下建筑实验室进行了异型地下连续培基础 竖向静载的室内模拟试验，用以研究异型地下连续培基础沉降及群墙效应，得出了一字型地下连续 墙基础的沉降预测公式。相应的现场载荷试验在上海杨高路地铁车站场地进行，但试验内容有限【5 l 。 4 1 9 9 5 年，兰卅1 铁道学院土木工程系的孙学先和崔文监在国内首次进行了黄土地基中单片地 下连续墙的水平承载和侧墙面摩阻力的现场模拟试验研究，分析和研究了两种受力性状下地下连续 培水平承载力、不同墙面上水平摩阻力及土抗力随位移发展而发挥作用的特性，并提出了土抗力与 摩阻力的相关计算模式试验在兰州铁道学院校园内进行，地基土为原状q 4 新黄土，采用尺寸相同 的两片单片墙，并呈t 型布置。两墙断面尺寸均为1 6 m x 0 5 m ，高2 0 m 。施工中采取各种措施，使 得对两试验墙进行水平对顶加载时，墙a 为纯水平摩阻力试验墙，墙b 为不受摩阻力的纯土抗力试 验墙，两墙互为加载的反力体。试验概况见图2 a 。试验得到如下结论1 9 j ： 地下连续墙在水平荷载作用下，培体受力的性状可分为墙a 、b 两种情况。略去一些次要因 素，分别计算地基对墙体的极限摩阻力和土抗力，再除以不同的安全系数，然后叠加即为基础的容 许水平承载力。 地下连续培基础顶面水平极限承载力约为基础中部水平极限承载力的6 5 。估算地下墙水 平极限承载力可按全墙周面地基反力全部达到极限值进行计算，然后乘6 5 1 1 f l 可。 侧墙壁摩阻力和正墙面土抗力有内在关系。顺墙面的最大摩阻力约等于地基土的抗剪强度， 可用抗剪强度的计算公式计算最大摩阻力。 0 囊# 髓- f - 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