黄土地基地下连续墙基础竖向抗压特性试验研究

2018-11-08李建东张延杰罗浩洋

水利水运工程学报 2018年5期

李建东，王旭，张延杰，李凡，李盛，罗浩洋

(1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070； 2. 陕西交通职业技术学院，陕西西安 710018)

我国黄土分布广泛、成因类型复杂。天然原状黄土具有较强的结构性，在采样、运输、制样过程中，不可避免地都会对试样产生扰动，使土的结构性释放，造成天然原状黄土与重塑黄土之间存在显著差异。地质力学模型试验已成为岩土工程中最常用的手段。在黄土与构筑物相互作用的模型试验中，大部分都采用重塑黄土填筑试验模型，因此破坏了天然原状黄土的结构性。

正确选择模型试验相似材料是原型模拟的关键，模型材料选择的正确与否直接决定着模拟原型的正确与否。风成黄土是一种典型的空中下落沉积物，在自由下落过程中产生亚稳定的开放结构[1]。参考岩石类模型试验相似材料的选材和制备方法，选用高岭石、石英粉、工业盐、石膏、膨润土等材料，基于蒙特卡罗原理，采用空中自由下落法，模拟材料颗粒随机自由选择堆积位置；然后在一定的恒温条件下烘干，模拟风成黄土的沉积方式和干旱与半干旱环境，形成多孔隙与大孔隙的疏松亚稳定结构[2]。土样的制备和养护过程能模拟风成黄土的形成过程和沉积环境，试验结果具有较好的可控性和重复性，满足相似定理和相似条件的人工制备黄土，能为黄土地区模型试验的开展提供技术支撑。

随着我国中西部黄土地区铁路、公路等大规模基础设施的建设，桥梁基础不可避免要穿越大厚度的黄土地层，而巨厚的黄土地层中没有良好的持力层。地下连续墙基础是一种埋深相对较浅的摩擦性基础，在桥梁设计中，如果充分利用地下连续墙基础的摩擦特性，将会降低施工难度、减少造价，带来可观的经济效益[3-4]。同时，黄土具有壁立性好、垂直开挖方便、易于进行连续墙基础施工等特点。地下连续墙在我国多用于沿海软土地区高层建筑的深基础、地下室外墙等基坑围护结构和防渗结构[5-8]。20世纪90年代初，圆形地下连续墙基础在我国宝中铁路中作为一种新型桥基首次被试用，由于其造价低、承载力大等优点，取得了较明显的经济效益[9-10]。2006年，高等级公路桥梁中首次采用了矩形地下连续墙作为桥梁基础，程谦恭[3]、吴九江[5,11]、孟凡超[10]等通过室内模型试验，结合数值分析，对闭合型地下连续墙基础的荷载传递机理和承载特性等开展了研究。虽然地下连续墙基础在国外已应用广泛，但在我国桥梁工程、高层与超高层建筑基础方面的应用还不多见，将会是今后深基础工程的发展方向[12-14]。

本文以高等级公路桥梁基础中首次采用的矩形闭合型地下连续墙作为模型结构[3]，采用黄土模型试验相似材料来填筑模型，对矩形地下连续墙基础在黄土地基中的荷载传递机理和承载特性进行研究。

1 模型试验

1.1 地下连续墙基础模型制作

图1 地下连续墙模型Fig.1 Underground diaphragm wall model

本试验依托实际工程矩形地下连续墙桥梁基础，边长为3.4 m，埋深为15.0 m，墙厚0.8 m[1]。几何相似比为17∶1，试验矩形地下连续墙外侧尺寸20 cm×20 cm，厚2.5 cm，墙高57 cm，承台高4 cm。选取有机玻璃为地下连续墙材料，试验实测弹性模量为2.18 GPa，模型墙弹性模量与墙周土压缩模量之比为1 305。实际采用C20混凝土地下连续墙基时，根据关文章[15]对甘肃地区原状黄土压缩模量的实测，当IL<0时，黄土的压缩模量平均值为14.9 MPa，地连墙与土弹性模量比为1 342，模型试验中地连墙与土弹性模量比值与实际工程基本一致。将裁剪好的有机玻璃板用亚克力专业黏合剂拼接，使其成为一个整体，再贴应变片、接线。最后，为了模拟墙土之间的摩擦力，在有机玻璃地下连续墙表面均匀粘一层细砂粒，砂径控制在1～2 mm(见图1)。

1.2 模型填筑及测试原件布置

试验采用模型箱尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m(见图2)。模型箱底部铺设20 cm厚碎石，然后铺设30 cm厚中粗砂作为墙底持力层，密度为1.75 g/cm3。地下连续墙进入砂层2 cm，高出填土层1 cm。墙周土体选取压实度为0.82，含水率为12%，即密度为1.60 g/cm3的黄土模型试验相似材料；配比选用：砂：石英粉：膨润土：石膏=0.25∶0.3∶0.35∶0.1(质量比)，物理力学参数见表1。

表1 黄土模型试验相似材料物理性质指标Tab.1 Physical parameters of similar materials for loess model testing

在地下连续墙内外表面粘贴24个应变片(长10 mm，宽4.5 mm)，用于墙身轴力测试，具体布置如图3所示。

在承台下和墙端埋设8个微型土压力盒(外径28 mm，高10 mm)，用于测量墙端阻力和承台底土反力。在地下连续墙墙顶对称布置2个百分表测量墙顶位移，具体布置见图2。

参考《建筑桩基检测技术规范(JGJ106—2014)》[16]，进行矩形地下连续墙竖向抗压静载试验，相对稳定标准为连续2 h内墙顶沉降量小于0.1 mm/h。

图2 土压力盒与百分表布置(单位：mm)Fig.2 Layout of pressure box and dial indicator (unit: mm)

图3 地下连续墙应变片布置(单位：mm)Fig.3 Layout of strain gauges on underground diaphragm wall (unit: mm)

图4 Q-s关系曲线Fig.4 Q-s Relationship curves

2 试验结果分析

2.1 荷载-沉降关系曲线

地下连续墙基础Q-s关系曲线为陡降型，破坏特征点明显(见图4)。当墙顶荷载为0～27 kN时，荷载与沉降基本按线性规律变化；当荷载大于30 kN后，墙体沉降突然增大，地下连续墙产生较大沉降而破坏，确定地下连续墙基础的极限承载力为30 kN。

图5 地下连续墙轴力分布曲线Fig.5 Axial force distribution curves of underground diaphragm wall

2.2 墙身轴力

由图5可见，地下连续墙受竖向荷载后，墙身向下位移，墙侧摩阻力开始发挥；当荷载小于12 kN时，墙侧摩阻力均匀发挥，轴力分布曲线几乎平行。当荷载大于12 kN后，墙身上部侧阻力率先发挥，轴力衰减较快，墙身25 cm以下轴力递减程度降低，当荷载达到极限承载力后，墙身下部侧阻力发挥显著。

2.3 侧摩阻力分布

地下连续墙外墙侧摩阻力分布如图6所示。由于地下连续墙尺寸相对较小，加载时墙端嵌入中砂层，则该地下连续墙受力特性类似于嵌岩桩[17]。侧摩阻力沿深度自上而下发挥，在埋深18 cm附近，上部侧摩阻力达到最大值96 kPa。随着荷载的增大，下部侧摩阻力开始迅速增加。

地下连续墙内墙侧摩阻力分布见图7，由于芯土被刚性墙体所包裹，类似于一维压缩，在竖向荷载作用下，主要以竖向压缩变形为主。当芯土底部承受较大反力时，芯土与内墙之间产生向上的相对位移，使内墙侧摩阻力由下向上发挥。随墙顶荷载的增大，内墙侧摩阻力沿深度逐渐发挥，在墙体埋深38 cm范围内，芯土受到承台的“削弱效应”，侧摩阻力作用很小。随竖向荷载的增大，墙端刺入砂层的发展使得部分墙底砂土挤入闭合墙内部，受竖向压缩的土芯在底部砂土的挤压作用下，在距墙端1倍墙宽的深度范围内，芯土压缩变形与墙体相对增大，使内墙侧摩阻力得到充分发挥。

图6 地下连续墙外侧墙摩阻力分布曲线Fig.6 Side friction distribution curves of exterior model wall

图7 地下连续墙内侧墙摩阻力分布曲线Fig.7 Side friction distribution curves of interior model wall

2.4 墙土荷载分配

图8为黄土地基地下连续墙荷载分配曲线，当墙顶荷载小于18 kN时，外墙侧摩阻力发挥很快，内墙侧摩阻力和墙端阻力逐渐发挥，承台土反力发挥较小。当荷载大于18 kN后，外墙侧摩阻力的增幅减小，内墙侧摩阻力和墙端阻力较大发挥，承台土反力始终发挥较小，说明外墙侧摩阻力、内墙侧摩阻力、墙端阻力、承台土反力呈异步发挥。初始加载3 kN时，外墙侧摩阻力分担荷载所占比例最大，为65%，内墙侧摩阻力和墙端阻力次之，承台土反力最小。随着荷载增加，外墙侧摩阻力、内墙侧摩阻力的荷载占比逐渐下降，墙端阻力和承台土反力的占比逐渐增大，荷载为15 kN时，内墙侧摩阻力和墙端阻力的荷载占比相等。当达到极限荷载30 kN时，外墙侧摩阻力的占比降至45%。与初始时刻相比，内墙侧摩阻力、外墙侧摩阻力的荷载占比分别降低了10%和20%，墙端阻力则增加了15%，承台土反力增加了9.6%。