根式基础发展综述★

崔金鹏 王 敏,2

(1.南京工业大学土木工程学院,江苏 南京 210096； 2.淮阴工学院建筑工程学院，江苏 淮安 223001)



根式基础发展综述★

崔金鹏1王 敏1,2

(1.南京工业大学土木工程学院,江苏 南京 210096； 2.淮阴工学院建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

从理论研究、原位测试、数值模拟和施工工艺等方面,介绍了根式沉井基础的特性与研究现状，分析了根式沉井基础的优缺点，并探讨了其全面推广应用的可行性，最后针对根式沉井基础的缺点，提出了一种新型的根式灌注桩。

根式基础，数值模拟，承载机理，施工工艺

0 引言

基础，即将建筑物自身及其所承受的荷载传递到地基上的下部结构。自人类文明出现，基础便伴随出现，随着人类文明的进步，基础的理论和种类越来越多、越来越丰富。尤其在建国之后，随着城市化进程的加快推进，大量高层甚至是超高层建筑物犹如雨后春笋般涌出，导致上部结构荷载越来越大，进而对基础的要求也越来越高，为解决这一问题，出现了许多新型基础，根式基础就是其中之一。

1 根式沉井基础承载特性研究进展

1.1 根式基础的起源

殷永高等[1]于2006年发明了根式基础及施工方法(见图1)，并对其进行更进一步的研发，开发出新型的根式锚碇基础[2](见图2)，同时成功应用到马鞍山长江大桥中[3]。

1.2 根式基础的理论研究

由于根式沉井基础提出来的时间较晚，其理论研究相对较少。目前的理论研究主要是基于原位测试推导出的一些关于根键的公式。胡丰等[4]通过Winkler地基梁理论和荷载传递法推导出根式(沉井)基础的位移方程(见式(1))式和根键受的土反力方程(见式(2))。陈志忠等[5]分析了合肥—阜阳高速公路跨淮河大桥中的根式沉井基础的后期沉降监测结果，结合剪切位移法等理论，更进一步给出根键总的承载反力的方程式(见式(3))。

(1)

其中，EI为井壁抗弯刚度；b0为井壁计算宽度；p(x,y)为单位面积的土反力与沉井深度的关系。

FR=hlsin2φK0kny+hlcos2φK0ksy+bhcos2φK0kny-

bhsinφK0kny+2blksy

(2)

其中，FR为土的反力合力；l,b,h分别为根键的长度、宽度、高度；ks为土切向刚度；k0为土侧压系数。

(3)

其中，Qr为单个根键承载反力；λ为根键层间距修正系数；n为基础所有根键数；Qri为一个的承载反力。

1.3 根式基础的数值模拟

数值模拟即依靠计算机，结合有限单元法来模拟和分析物体在各种外部条件下的力学性能。许多学者利用FLAC3D软件对根式沉井进行了分析。殷永高等[6]结合现场测试和数值模拟初步探索根式沉井的水平和竖向承载性能，总结了根式沉井的承载特征和变形情况。卢元刚等[7]模拟了根式沉井竖向承载机理，绘制出Q—S曲线并与现场测试数据进行对比，结果表明测试值与模拟值相一致。根键作为根式基础的重要组成部分，可带动周围土体集体受力，作用重大，许多学者对其进行了研究和分析。党进谦教授指导研究生对根式锚碇基础进行数值模拟，探究了受力机理、变位机理和根键对其承载力的影响[8]。付守印等[9]模拟并分析了根式沉井的根键角度对其承载力的影响，分析表明：根键与水平荷载的角度在10°～30°时，根式基础的承载性能最高。周广腾[10]通过ANSYS和MIDAS/GTS有限元软件模拟研究了根键排列形式、根键数量、根键布置位置等因素对根式基础承载力的影响。木林隆等[11]基于弹塑性有限单元法对根式沉井进行建模并加载，分析根键的分布对其承载性能的影响。

1.4 根式基础的原位测试

根式沉井基础已经成功应用于国内多座大桥，许多学者对其原位测试进行分析，取得了很多成果。章征等[12]采用自平衡法测试了顶进根键前与顶进根键后的沉井基础的竖向承载力，分析根键对沉井竖向承载力的影响。龚维明、胡丰等[13]更进一步的研究了根式沉井基础的侧摩阻力、轴力、顶部位移以及根键弯矩等，并与普通沉井比较，研究表明：根式沉井基础的竖向承载力较之普通沉井基础可提高85%～115%，同时其沉降反而减少40%～70%。张立奎等[14]采用慢速维持荷载法加载，测试根式沉井的水平承载力，并与普通沉井进行对比分析。黄挺等[15]测试了根式沉井和普通沉井基础的水平荷载—位移关系、井身弯矩，并推算出井侧土拔力，分析结果表明：根式沉井的水平承载力较之普通沉井可提高60%。龚维明等[16]依托马鞍山长江大桥，采用单速循环慢速维持荷载法开展两期根式基础水平静载试验研究，试验结果表明：根式沉井的水平临界荷载和水平极限荷载比普通沉井提高了150%和95%。也有学者研究了根式沉井对周边土体的影响。车承志等[17]通过现场试验，测试并分析了在水平荷载下，根式基础周边土体的位移。以上的各项测试结果均表明：根式沉井基础的水平承载力和竖向承载力都优于普通沉井基础，同时，沉降也小于普通沉井基础，这也验证了数值模拟结果的正确性。

1.5 根式基础的应用及施工工艺

根式沉井基础自问世以来，由于具有良好的经济效益和承载性能，逐渐被应用于实际工程中并摸索出一系列的施工工艺。霰建平、米长江等[18,19]介绍了马鞍山长江大桥根式沉井施工的技术难点及解决方案，并介绍了一种360°回旋可调顶推平台(见图3)和YDT3500-1600防回缩大行程多级千斤顶(见图4)。欧阳祖亮等[20]详细介绍了马鞍山长江大桥中水下顶进根键的技术方案。赵天法等[21]介绍了黄河特大桥中根式沉井的施工关键技术。胡兮等[22]介绍了望东长江公路大桥根式沉井的新工艺及施工中的关键技术方案。龚维明等[23]结合现场试验与工程实例分析在厚覆盖土层地区根式沉井的竖向承载力与承载变形特征，为根式沉井基础在该地区的推广奠定了理论基础。

综上所述，根式沉井基础无论竖向承载力还是水平承载力都大大优于普通沉井基础。同时，在同级荷载下，其沉降也小于普通沉井基础。由此可见，根式沉井基础具有经济效益好、承载性能高、地震效应减小等优点。但由于其本身的基础与土体的关系过于复杂，施工过程与普通沉井相比较麻烦，因而国内对于根式沉井基础的研究主要还停留在现场原位测试和有限元模拟，而理论研究相对较少。比如说在厚覆盖土层地区的受力机理研究比较多，而对于其沉降变形的研究较少，以及对抗震、抗冲刷性能的研究较少。根式沉井基础经过了近几年的工程应用，已经形成了一系列的施工工艺，并研发了相应的施工机械，但仍缺少相应的技术规范。

2 根式灌注桩的研究现状

尽管根式沉井拥有上文所述的诸多优点，但由于沉井自身体积较大，且只适用于淤泥土、砂土、黏土、砂砾等厚覆盖土层，无法在一般建筑物中推广，而桩基础的普适性又正好弥补了这一点，如果将根式沉井的根键与灌注桩相结合，这个问题就迎刃而解。龚成中等[24]结合根式沉井和灌注桩的优点，发明了根式承压灌注桩(见图5)。由于根式灌注桩提出的时间较晚，且受到施工条件的限制，目前对于根式灌注桩的研究相对匮乏。刘彦峰等[25]基于桩基自平衡法来对比根键式桩基础与普通桩基础的承载力，验证了根键能提高基桩承载力和减小桩顶沉降有效性。Chao Yang等[26]进行了根式桩的现场静载试验，并绘制出了根式桩的Q—S曲线。肖向荣等[27]发明了一种根键推顶装置(见图6)，其主要原理是：将根键推顶平台固定在卷扬机上，通过卷扬机在钻孔内上下移动，定位并推顶根键。

3 结语

到目前为止，根式沉井基础已经应用于马鞍山长江大桥、淮河特大桥、望东长江公路大桥等工程中。但由于其提出的时间较晚，目前国内对于它的研究主要是在现场原位测试和数值模拟方面，而对理论研究还有所欠缺。此外，作为根式基础的新衍生物——根式灌注桩，非但具有材料利用率高，经济效益高，承载力高等根式沉井基础的优点，而且与根式沉井基础相比，风险更低，质量更易保证，施工也比较便捷，可适用于一般建筑物中，因而发展前景良好，但由于提出的时间较晚，目前还鲜有学者对此进行研究。

[1] 屠筱北，钱东升，殷永高.根式基础及其施工方法[P].中国专利：ZL200610038147.5，2006-01-26.

[2] 屠筱北，钱东升，殷永高.根式锚碇及其施工方法[P].中国专利：ZL200810004441.3，2006-01-26.

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[5] 陈志忠,殷永高.根式沉井基础在使用阶段的沉降量预估与沉降监测[J].工程与建设,2009(3):383-386.

[6] 殷永高,孙敦华,龚维明.根式基础承载特性的试验与数值模拟研究[J].土木工程学报,2009(12):162-169.

[7] 卢元刚,杨成斌,殷永高.根式沉井基础竖向承载特性数值模拟分析[J].工程与建设,2009(1):5-8.

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The research survey of development in root foundation★

Cui Jinpeng1Wang Min1，2

(1.CivilEngineeringSchool,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210096,China;2.ArchitecturalEngineeringSchool,HuaiyinInstituteofTechnology,Huai’an223001,China)

This paper introduces the research status of open caisson foundation from the aspects of the theoretical research, field tests, numerical simulation, construction craft and so on, analyzes the advantages and disadvantages of root open caisson foundation and explores the feasibility of the comprehensive promotion. At last, aimed at the weakness of root open caisson foundation, this paper introduces a new type of root foundation-root pile.

root foundation, numerical simulation, bearing mechanism, construction craft

1009-6825(2017)15-0051-03

2017-03-13

崔金鹏(1992- )，男，在读硕士

TU473.1

A

★：江苏省高校研究生创新计划项目(编号：SJLX16-0314)；江苏省自然科学基金面上项目(编号：BK20161301)