黃土地基地下連續(xù)墻基礎(chǔ)豎向抗壓特性試驗(yàn)研究

李建東，王 旭，張延杰，李 凡，李 盛，羅浩洋

(1. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2. 陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710018)

我國(guó)黃土分布廣泛、成因類型復(fù)雜。天然原狀黃土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，在采樣、運(yùn)輸、制樣過程中，不可避免地都會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生擾動(dòng)，使土的結(jié)構(gòu)性釋放，造成天然原狀黃土與重塑黃土之間存在顯著差異。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)已成為巖土工程中最常用的手段。在黃土與構(gòu)筑物相互作用的模型試驗(yàn)中，大部分都采用重塑黃土填筑試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此破壞了天然原狀黃土的結(jié)構(gòu)性。

正確選擇模型試驗(yàn)相似材料是原型模擬的關(guān)鍵，模型材料選擇的正確與否直接決定著模擬原型的正確與否。風(fēng)成黃土是一種典型的空中下落沉積物，在自由下落過程中產(chǎn)生亞穩(wěn)定的開放結(jié)構(gòu)[1]。參考巖石類模型試驗(yàn)相似材料的選材和制備方法，選用高嶺石、石英粉、工業(yè)鹽、石膏、膨潤(rùn)土等材料，基于蒙特卡羅原理，采用空中自由下落法，模擬材料顆粒隨機(jī)自由選擇堆積位置；然后在一定的恒溫條件下烘干，模擬風(fēng)成黃土的沉積方式和干旱與半干旱環(huán)境，形成多孔隙與大孔隙的疏松亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[2]。土樣的制備和養(yǎng)護(hù)過程能模擬風(fēng)成黃土的形成過程和沉積環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果具有較好的可控性和重復(fù)性，滿足相似定理和相似條件的人工制備黃土，能為黃土地區(qū)模型試驗(yàn)的開展提供技術(shù)支撐。

隨著我國(guó)中西部黃土地區(qū)鐵路、公路等大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，橋梁基礎(chǔ)不可避免要穿越大厚度的黃土地層，而巨厚的黃土地層中沒有良好的持力層。地下連續(xù)墻基礎(chǔ)是一種埋深相對(duì)較淺的摩擦性基礎(chǔ)，在橋梁設(shè)計(jì)中，如果充分利用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的摩擦特性，將會(huì)降低施工難度、減少造價(jià)，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。同時(shí)，黃土具有壁立性好、垂直開挖方便、易于進(jìn)行連續(xù)墻基礎(chǔ)施工等特點(diǎn)。地下連續(xù)墻在我國(guó)多用于沿海軟土地區(qū)高層建筑的深基礎(chǔ)、地下室外墻等基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和防滲結(jié)構(gòu)[5-8]。20世紀(jì)90年代初，圓形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)在我國(guó)寶中鐵路中作為一種新型橋基首次被試用，由于其造價(jià)低、承載力大等優(yōu)點(diǎn)，取得了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。2006年，高等級(jí)公路橋梁中首次采用了矩形地下連續(xù)墻作為橋梁基礎(chǔ)，程謙恭[3]、吳九江[5,11]、孟凡超[10]等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)閉合型地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的荷載傳遞機(jī)理和承載特性等開展了研究。雖然地下連續(xù)墻基礎(chǔ)在國(guó)外已應(yīng)用廣泛，但在我國(guó)橋梁工程、高層與超高層建筑基礎(chǔ)方面的應(yīng)用還不多見，將會(huì)是今后深基礎(chǔ)工程的發(fā)展方向[12-14]。

本文以高等級(jí)公路橋梁基礎(chǔ)中首次采用的矩形閉合型地下連續(xù)墻作為模型結(jié)構(gòu)[3]，采用黃土模型試驗(yàn)相似材料來填筑模型，對(duì)矩形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)在黃土地基中的荷載傳遞機(jī)理和承載特性進(jìn)行研究。

1 模型試驗(yàn)

1.1 地下連續(xù)墻基礎(chǔ)模型制作

圖1 地下連續(xù)墻模型Fig.1 Underground diaphragm wall model

本試驗(yàn)依托實(shí)際工程矩形地下連續(xù)墻橋梁基礎(chǔ)，邊長(zhǎng)為3.4 m，埋深為15.0 m，墻厚0.8 m[1]。幾何相似比為17∶1，試驗(yàn)矩形地下連續(xù)墻外側(cè)尺寸20 cm×20 cm，厚2.5 cm，墻高57 cm，承臺(tái)高4 cm。選取有機(jī)玻璃為地下連續(xù)墻材料，試驗(yàn)實(shí)測(cè)彈性模量為2.18 GPa，模型墻彈性模量與墻周土壓縮模量之比為1 305。實(shí)際采用C20混凝土地下連續(xù)墻基時(shí)，根據(jù)關(guān)文章[15]對(duì)甘肅地區(qū)原狀黃土壓縮模量的實(shí)測(cè)，當(dāng)IL<0時(shí)，黃土的壓縮模量平均值為14.9 MPa，地連墻與土彈性模量比為1 342，模型試驗(yàn)中地連墻與土彈性模量比值與實(shí)際工程基本一致。將裁剪好的有機(jī)玻璃板用亞克力專業(yè)黏合劑拼接，使其成為一個(gè)整體，再貼應(yīng)變片、接線。最后，為了模擬墻土之間的摩擦力，在有機(jī)玻璃地下連續(xù)墻表面均勻粘一層細(xì)砂粒，砂徑控制在1～2 mm(見圖1)。

1.2 模型填筑及測(cè)試原件布置

試驗(yàn)采用模型箱尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m(見圖2)。模型箱底部鋪設(shè)20 cm厚碎石，然后鋪設(shè)30 cm厚中粗砂作為墻底持力層，密度為1.75 g/cm3。地下連續(xù)墻進(jìn)入砂層2 cm，高出填土層1 cm。墻周土體選取壓實(shí)度為0.82，含水率為12%，即密度為1.60 g/cm3的黃土模型試驗(yàn)相似材料；配比選用：砂：石英粉：膨潤(rùn)土：石膏=0.25∶0.3∶0.35∶0.1(質(zhì)量比)，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 黃土模型試驗(yàn)相似材料物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical parameters of similar materials for loess model testing

在地下連續(xù)墻內(nèi)外表面粘貼24個(gè)應(yīng)變片(長(zhǎng)10 mm，寬4.5 mm)，用于墻身軸力測(cè)試，具體布置如圖3所示。

在承臺(tái)下和墻端埋設(shè)8個(gè)微型土壓力盒(外徑28 mm，高10 mm)，用于測(cè)量墻端阻力和承臺(tái)底土反力。在地下連續(xù)墻墻頂對(duì)稱布置2個(gè)百分表測(cè)量墻頂位移，具體布置見圖2。

參考《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(JGJ106—2014)》[16]，進(jìn)行矩形地下連續(xù)墻豎向抗壓靜載試驗(yàn)，相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)2 h內(nèi)墻頂沉降量小于0.1 mm/h。

圖2 土壓力盒與百分表布置(單位：mm)Fig.2 Layout of pressure box and dial indicator (unit: mm)

圖3 地下連續(xù)墻應(yīng)變片布置(單位：mm)Fig.3 Layout of strain gauges on underground diaphragm wall (unit: mm)

圖4 Q-s關(guān)系曲線Fig.4 Q-s Relationship curves

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-沉降關(guān)系曲線

地下連續(xù)墻基礎(chǔ)Q-s關(guān)系曲線為陡降型，破壞特征點(diǎn)明顯(見圖4)。當(dāng)墻頂荷載為0～27 kN時(shí)，荷載與沉降基本按線性規(guī)律變化；當(dāng)荷載大于30 kN后，墻體沉降突然增大，地下連續(xù)墻產(chǎn)生較大沉降而破壞，確定地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的極限承載力為30 kN。

圖5 地下連續(xù)墻軸力分布曲線Fig.5 Axial force distribution curves of underground diaphragm wall

2.2 墻身軸力

由圖5可見，地下連續(xù)墻受豎向荷載后，墻身向下位移，墻側(cè)摩阻力開始發(fā)揮；當(dāng)荷載小于12 kN時(shí)，墻側(cè)摩阻力均勻發(fā)揮，軸力分布曲線幾乎平行。當(dāng)荷載大于12 kN后，墻身上部側(cè)阻力率先發(fā)揮，軸力衰減較快，墻身25 cm以下軸力遞減程度降低，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力后，墻身下部側(cè)阻力發(fā)揮顯著。

2.3 側(cè)摩阻力分布

地下連續(xù)墻外墻側(cè)摩阻力分布如圖6所示。由于地下連續(xù)墻尺寸相對(duì)較小，加載時(shí)墻端嵌入中砂層，則該地下連續(xù)墻受力特性類似于嵌巖樁[17]。側(cè)摩阻力沿深度自上而下發(fā)揮，在埋深18 cm附近，上部側(cè)摩阻力達(dá)到最大值96 kPa。隨著荷載的增大，下部側(cè)摩阻力開始迅速增加。

地下連續(xù)墻內(nèi)墻側(cè)摩阻力分布見圖7，由于芯土被剛性墻體所包裹，類似于一維壓縮，在豎向荷載作用下，主要以豎向壓縮變形為主。當(dāng)芯土底部承受較大反力時(shí)，芯土與內(nèi)墻之間產(chǎn)生向上的相對(duì)位移，使內(nèi)墻側(cè)摩阻力由下向上發(fā)揮。隨墻頂荷載的增大，內(nèi)墻側(cè)摩阻力沿深度逐漸發(fā)揮，在墻體埋深38 cm范圍內(nèi)，芯土受到承臺(tái)的“削弱效應(yīng)”，側(cè)摩阻力作用很小。隨豎向荷載的增大，墻端刺入砂層的發(fā)展使得部分墻底砂土擠入閉合墻內(nèi)部，受豎向壓縮的土芯在底部砂土的擠壓作用下，在距墻端1倍墻寬的深度范圍內(nèi)，芯土壓縮變形與墻體相對(duì)增大，使內(nèi)墻側(cè)摩阻力得到充分發(fā)揮。

圖6 地下連續(xù)墻外側(cè)墻摩阻力分布曲線Fig.6 Side friction distribution curves of exterior model wall

圖7 地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)墻摩阻力分布曲線Fig.7 Side friction distribution curves of interior model wall

2.4 墻土荷載分配

圖8為黃土地基地下連續(xù)墻荷載分配曲線，當(dāng)墻頂荷載小于18 kN時(shí)，外墻側(cè)摩阻力發(fā)揮很快，內(nèi)墻側(cè)摩阻力和墻端阻力逐漸發(fā)揮，承臺(tái)土反力發(fā)揮較小。當(dāng)荷載大于18 kN后，外墻側(cè)摩阻力的增幅減小，內(nèi)墻側(cè)摩阻力和墻端阻力較大發(fā)揮，承臺(tái)土反力始終發(fā)揮較小，說明外墻側(cè)摩阻力、內(nèi)墻側(cè)摩阻力、墻端阻力、承臺(tái)土反力呈異步發(fā)揮。初始加載3 kN時(shí)，外墻側(cè)摩阻力分擔(dān)荷載所占比例最大，為65%，內(nèi)墻側(cè)摩阻力和墻端阻力次之，承臺(tái)土反力最小。隨著荷載增加，外墻側(cè)摩阻力、內(nèi)墻側(cè)摩阻力的荷載占比逐漸下降，墻端阻力和承臺(tái)土反力的占比逐漸增大，荷載為15 kN時(shí)，內(nèi)墻側(cè)摩阻力和墻端阻力的荷載占比相等。當(dāng)達(dá)到極限荷載30 kN時(shí)，外墻側(cè)摩阻力的占比降至45%。與初始時(shí)刻相比，內(nèi)墻側(cè)摩阻力、外墻側(cè)摩阻力的荷載占比分別降低了10%和20%，墻端阻力則增加了15%，承臺(tái)土反力增加了9.6%。

圖8 荷載分配曲線Fig.8 Relationship curves of load sharing ratio

3 結(jié) 語

(1)選用石英粉、砂、石膏和膨潤(rùn)土制備的人工黃土模型試驗(yàn)材料，其物理力學(xué)參數(shù)滿足黃河中游地區(qū)天然黃土的參數(shù)范圍，可用于黃土與構(gòu)筑物相互作用模型試驗(yàn)相似材料。

(2)地下連續(xù)墻豎向承載力由外墻側(cè)摩阻力、內(nèi)墻側(cè)摩阻力、墻端阻力和承臺(tái)土反力四部分組成，四者呈異步發(fā)揮。當(dāng)達(dá)到其極限承載力時(shí)，側(cè)摩阻力荷載占比為62%，承擔(dān)了大部分荷載，地下連續(xù)墻為端承摩擦型基礎(chǔ)。

(3)地下連續(xù)墻由于保留了芯土，隨著荷載的增大，內(nèi)墻側(cè)摩阻力和承臺(tái)土反力能較大發(fā)揮，可有效減小地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的沉降。