橋梁地下連續(xù)墻基礎(chǔ)發(fā)展與展望

劉 明 虎

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100088)

0 引 言

地下連續(xù)墻(以下簡(jiǎn)稱“地連墻”)于上世紀(jì)50年代末引入我國(guó)[1]，在我國(guó)橋梁基礎(chǔ)中應(yīng)用相對(duì)較晚。地連墻在功能上主要有兩種方式[2-4]：一是作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，往往可兼作基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一部分；二是作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)并兼作基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的部分地連墻基礎(chǔ)在大跨懸索橋錨碇工程中應(yīng)用日益廣泛且技術(shù)相對(duì)成熟，而作為完全意義上的地連墻基礎(chǔ)卻相對(duì)較少，仍處于發(fā)展過程中。由于完全地連墻基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)、施工、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及與國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展理念更加契合而具有更廣闊的應(yīng)用前景。

筆者概述橋梁地連墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型及其在橋梁工程中的應(yīng)用、探索及發(fā)展情況，分析制約完全地連墻基礎(chǔ)發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵因素，闡述存在的設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展解決之道，展望其在橋梁工程建設(shè)中的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 地連墻基礎(chǔ)類型

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁地連墻基礎(chǔ)的概念、定義和分類較為混淆，此種狀況不利于地連墻基礎(chǔ)的應(yīng)用和發(fā)展。廣義而言，地連墻基礎(chǔ)是指將橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞給地基承載結(jié)構(gòu)的一部分或全部采用地連墻的一種基礎(chǔ)型式。但對(duì)地連墻基礎(chǔ)類型進(jìn)行進(jìn)一步準(zhǔn)確細(xì)分是必要的。筆者在規(guī)范基礎(chǔ)上[2]，根據(jù)地連墻在橋梁基礎(chǔ)中應(yīng)用的實(shí)際情況、典型結(jié)構(gòu)及受力特征，將之予以厘清并細(xì)分，其中條壁式、井筒式以及兩者組合使用的復(fù)合地連墻基礎(chǔ)是完全意義上的地連墻基礎(chǔ)。

1.1 部分地連墻基礎(chǔ)

地連墻作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖后在基坑內(nèi)施工基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[2-4]。根據(jù)地連墻與基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系不同，其參與基礎(chǔ)受力的程度亦不同。實(shí)踐中，雖然地連墻實(shí)際上參與了基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)期受力，但其受力貢獻(xiàn)卻難以準(zhǔn)確把握，因而往往將其作為安全儲(chǔ)備。當(dāng)考慮地連墻參與基礎(chǔ)受力時(shí)，由于其與整體剛性基礎(chǔ)的面積、剛度相比太小，因此對(duì)于基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)受力的貢獻(xiàn)實(shí)際比較小。不過由于地連墻深入基礎(chǔ)底板下較好地層的嵌固作用，其對(duì)基礎(chǔ)整體的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)比較突出[5-7]，此時(shí)可將其整體看作復(fù)合基礎(chǔ)，但不同于典型的復(fù)合基礎(chǔ)。因此，實(shí)際工程中將地連墻作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)使用而最終形成的基礎(chǔ)均可作為部分地連墻基礎(chǔ)。

需要說明的是，部分地連墻基礎(chǔ)的稱謂僅僅抓住了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為“地連墻工藝和結(jié)構(gòu)”典型特征，而非基礎(chǔ)受力模式特點(diǎn)，因此，此種叫法本身不嚴(yán)謹(jǐn)，只不過在實(shí)踐過程中逐漸形成了習(xí)慣而不再刻意糾正。實(shí)際上，從基礎(chǔ)受力模式上定義，部分地連墻基礎(chǔ)一般均作為深埋剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)使用。

根據(jù)地連墻的平面布置形式，可分為矩形、圓形以及靈活布置的異形地連墻基礎(chǔ)。

1.2 條壁式地連墻基礎(chǔ)

根據(jù)墻段單元之間的平面布置和連接組合關(guān)系，可分為單壁式、平行復(fù)壁式、自由復(fù)壁式等類型，其中自由復(fù)壁式又可分為“T、十、H、工、L、Y”字形、角點(diǎn)不連接“口”字形、輻射形等類型。條壁式地連墻單元通常亦稱為條形樁、矩形樁、墻樁或壁板樁[1-3,5,8]。

1.3 井筒式地連墻基礎(chǔ)

地連墻與頂板共同構(gòu)成井筒格室狀構(gòu)造的基礎(chǔ)形式，又稱為格構(gòu)式或閉合式地連墻基礎(chǔ)[1-4,8-9]。其以充分發(fā)揮地連墻井筒內(nèi)、外部地基土體的強(qiáng)度為主要特征。一般要求地連墻所有墻段接頭采用剛性接頭，或外周墻段采用剛性接頭而內(nèi)墻墻段可采用鉸接接頭。對(duì)于不滿足上述接頭要求而形式上是井筒式的基礎(chǔ)仍應(yīng)作為條壁式地連墻基礎(chǔ)。

1.4 地連墻復(fù)合基礎(chǔ)

筆者將條壁式地連墻和井筒式地連墻組合而成的基礎(chǔ)型式、地連墻與樁基或其它型式基礎(chǔ)組合而成的基礎(chǔ)型式統(tǒng)稱為地連墻復(fù)合基礎(chǔ)。確切地，前者應(yīng)稱為復(fù)合地連墻基礎(chǔ)，屬于完全地連墻基礎(chǔ)；后者應(yīng)稱為復(fù)合基礎(chǔ)[1,4-5]。地連墻與其它型式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)關(guān)系、平面立面布置形式、工法工藝等靈活多樣，可根據(jù)具體情況和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2 地連墻基礎(chǔ)工程實(shí)踐、探索與發(fā)展

2.1 部分地連墻基礎(chǔ)

以虎門大橋東錨碇圓形地連墻基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為標(biāo)志拉開了部分地連墻基礎(chǔ)工程實(shí)踐的大幕[10]。潤(rùn)揚(yáng)大橋北錨碇在國(guó)內(nèi)首次實(shí)施了矩形地連墻基礎(chǔ)方案[11]，取得了豐富的成果和經(jīng)驗(yàn)，但由于方案存在一些不足和風(fēng)險(xiǎn)，因此未得到推廣應(yīng)用。武漢陽邏大橋則首次在國(guó)內(nèi)典型厚覆蓋層地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)實(shí)施了深大圓形地連墻基礎(chǔ)方案，取得豐富的成果、經(jīng)驗(yàn)和非常好的效果[12]，從此深大圓形地連墻基礎(chǔ)在國(guó)內(nèi)被大量推廣應(yīng)用。后續(xù)平面葫蘆形或∞形地連墻本質(zhì)上也是為適應(yīng)錨體布置和經(jīng)濟(jì)性需求而采用的考慮結(jié)構(gòu)平面拱效應(yīng)的圓形地連墻[13]。建成時(shí)為世界第一拱橋的平南三橋北拱座基礎(chǔ)采用了圓形地連墻[14]，將地連墻在拱橋基礎(chǔ)中的應(yīng)用提升至巔峰。國(guó)內(nèi)橋梁采用部分地連墻基礎(chǔ)的工程實(shí)例見表1[10-16]。

表1 國(guó)內(nèi)橋梁采用部分地連墻基礎(chǔ)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics table of domestic bridges using partial underground diaphragm wall foundation engineering cases

國(guó)外大跨懸索橋中，日本明石海峽大橋錨碇基礎(chǔ)較早地采用了圓形部分地連墻基礎(chǔ)方案[5]，其直徑為85 m，地連墻厚2.2 m、深75.5 m；土耳其伊茲米特大橋南錨碇基礎(chǔ)采用了“縱向主體∞形+前端加設(shè)矩形”的異形地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)[7]。

2.2 條壁式地連墻基礎(chǔ)

條壁式地連墻比圓形樁具有更大的比表面積，在設(shè)計(jì)上可做到適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)荷載方向進(jìn)行布設(shè)且截面抗彎慣性矩大，因此其在理論上更加合理、經(jīng)濟(jì)。條壁式地連墻在國(guó)內(nèi)外建筑和極少數(shù)城市立交橋(但日本應(yīng)用較多[5])中有所應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)橋梁中罕見被應(yīng)用。某3×18 m預(yù)應(yīng)力混凝土剛架橋，橋?qū)?1 m，上部采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，兩端基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)采用地連墻，采用“逆作法”施工[17]。地連墻不僅作為體結(jié)構(gòu)，還作為下穿道路基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)。但該基礎(chǔ)并不典型。

日本為最先將地連墻技術(shù)應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)領(lǐng)域的國(guó)家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本在 1979—2001年期間，大約340多項(xiàng)工程采用了地連墻技術(shù)，包括許多鐵路和公路的橋梁基礎(chǔ)，其中大部分為條壁式地連墻基礎(chǔ)[8-19]。日本在地連墻技術(shù)應(yīng)用于橋梁基礎(chǔ)領(lǐng)域方面研究成果豐富、經(jīng)驗(yàn)成熟、技術(shù)領(lǐng)先，且建立有專業(yè)的行業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)組織和團(tuán)體，其標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)規(guī)范完善，工法健全，呈多樣化發(fā)展態(tài)勢(shì)，為世界提供了寶貴的參考和借鑒。

在建的世界第一懸索橋——主跨為2 023 m的土耳其恰納卡萊大橋錨碇設(shè)計(jì)方案提出，在錨塊下部縱向布置7排平面長(zhǎng)51.5 m、厚1.2 m、深度超過20 m的條壁式地連墻，與作為直接基礎(chǔ)的錨塊共同組成復(fù)合基礎(chǔ)[7]。因?yàn)槌说剡B墻外未設(shè)計(jì)其它獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，故將其歸為條壁式地連墻基礎(chǔ)。條壁式地連墻應(yīng)用于承受巨大水平力的超大跨懸索橋錨碇基礎(chǔ)，極具挑戰(zhàn)性，其成功實(shí)施必將取得突破性成就和極具示范性效果。

2.3 井筒式地連墻基礎(chǔ)

2.3.1 我國(guó)橋梁工程嘗試性應(yīng)用

1995年建成通車的寶中鐵路中，一座棧橋的3號(hào)墩基礎(chǔ)采用了圓井筒式地連墻基礎(chǔ)，其外徑為7 m、墻厚1.5 m、深7.5 m，此為我國(guó)第一個(gè)井筒式地連墻基礎(chǔ)在橋梁形式上的工程應(yīng)用。由于基礎(chǔ)尺度和地層特性的原因，基于工程開展的試驗(yàn)研究結(jié)論表明，筒內(nèi)土體對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)承載能力的有利影響甚微，相應(yīng)設(shè)計(jì)未考慮內(nèi)側(cè)土體作用。因此該項(xiàng)目并非為本質(zhì)的井筒式地連墻基礎(chǔ)實(shí)踐，也未起到示范作用。但其開創(chuàng)性探索的勇氣和意義值得肯定。

2006年竣工的國(guó)道209線河津至臨猗一級(jí)公路某凈跨徑50 m的剛架拱天橋采用井筒式地連墻作為重力式U型橋臺(tái)的基礎(chǔ)，其基礎(chǔ)平面如圖1(a)，基礎(chǔ)深20 m。圖1(a)中所指“類型”為墻段類型。此為我國(guó)井筒式地連墻基礎(chǔ)在公路橋梁的首次應(yīng)用[18-19]。依托該工程開展了受力機(jī)理、設(shè)計(jì)與施工技術(shù)方面的科研，取得了有益的成果。

延安延河大橋擴(kuò)建新橋3孔凈跨徑30 m空腹式石拱橋的橋臺(tái)采用了橫向2室矩形井筒式地連墻基礎(chǔ)[20]，基礎(chǔ)平面如圖1(b)，基礎(chǔ)深約12.9 m。

圖1 井筒式地連墻基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)例(單位：cm)Fig. 1 Application examples of shaft type diaphragm wall foundation

值得注意的是，上述3座橋均位于黃土地區(qū)。

某高速公路特大橋?yàn)榭鐝?95 m中承式鋼箱提籃拱橋，其主橋拱座基礎(chǔ)采用井筒式地連墻基礎(chǔ)[21]?；A(chǔ)平面尺寸為16 m(順)×12 m(橫)，分為4個(gè)格室，墻深14 m、厚1 m?；A(chǔ)從上到下置于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化片麻巖和中風(fēng)化正長(zhǎng)巖地層。但該基礎(chǔ)工程因施工不順利而進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案變更。國(guó)內(nèi)還有個(gè)別橋梁亦開展了類似的應(yīng)用實(shí)踐。

2.3.2 國(guó)內(nèi)橋梁探索研究

在蘇通大橋研究階段，懸索橋錨碇設(shè)計(jì)方案提出了井筒式地連墻基礎(chǔ)概念[18]。其外輪廓尺寸為72 m×59.6 m，深86 m，墻厚2.0 m(圖2)。該方案從地質(zhì)條件、規(guī)模、受力特征等方面均為典型井筒式地連墻基礎(chǔ)。該橋懸索橋方案未予實(shí)施。

圖2 蘇通大橋錨碇井筒式地連墻基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)方案(單位：cm)Fig. 2 Conceptual design scheme of shaft underground diaphragmwall foundation for anchorage of sutong bridge

清遠(yuǎn)西江特大橋提出了一種分體井筒式地連墻錨碇基礎(chǔ)方案[22]。其采用在順橋向凈距12.3 m前后分體設(shè)置的矩形井筒式地連墻基礎(chǔ)，單個(gè)井筒平面尺寸為42 m(橫)×18.6 m(順)，墻厚均為1.2 m，分成8個(gè)格室。其基礎(chǔ)總深37.2～53.3 m，墻體嵌入中風(fēng)化巖層深度不小于3 m。

建設(shè)中的四川卡哈洛金沙江大橋設(shè)計(jì)采用了類似方案。

2.3.3 日本的工程應(yīng)用實(shí)踐

如2.2節(jié)所述，橋梁地連墻基礎(chǔ)在日本應(yīng)用廣泛且成熟，其中就包括井筒式地連墻基礎(chǔ)，而且是日本開創(chuàng)了井筒式地連墻橋梁基礎(chǔ)工程實(shí)踐的先河。迄今為止，日本已在數(shù)十多座橋梁中采用了井筒式地連墻基礎(chǔ)[5,19]。其中具有代表性的有青森大橋、北浦港橋、幸魂大橋、新河川橋等大跨橋梁。其中青森大橋主塔墩基礎(chǔ)平面尺寸為20.5 m×30 m，為2×3的6格室斷面，墻厚1.5 m，基礎(chǔ)總深42 m。

2.4 地連墻復(fù)合基礎(chǔ)

若將錨塊作為直接基礎(chǔ)，則2.2節(jié)所述土耳其恰納卡萊大橋錨碇基礎(chǔ)亦屬于地連墻復(fù)合基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)尚未有地連墻復(fù)合基礎(chǔ)工程應(yīng)用實(shí)例，但幾座懸索橋做了一定設(shè)計(jì)探索，并有望在最新的工程中付諸實(shí)施。

2.4.1 江陰長(zhǎng)江大橋初步設(shè)計(jì)方案

江陰長(zhǎng)江大橋北錨碇方案初步設(shè)計(jì)曾提出地連墻復(fù)合基礎(chǔ)概念[18]，采用矩形井筒式布置(圖3)。先對(duì)基底一定厚度地基進(jìn)行加固處理，然后在格室內(nèi)開挖21 m，再施工封底底板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該方案盡管墻體均采用地連墻，但對(duì)內(nèi)部土體進(jìn)行了開挖，并設(shè)置了底板，因而并非為井筒式地連墻基礎(chǔ)而為復(fù)合基礎(chǔ)。該方案未予實(shí)施。

圖3 江陰大橋北錨碇地連墻復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案(單位：cm)Fig. 3 Design of composite foundation for underground diaphragmwall for north anchorage of Jiangyin Bridge

2.4.2 南京長(zhǎng)江四橋初步設(shè)計(jì)方案研究

為降低投入及施工風(fēng)險(xiǎn)，早在2006年初步設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)北錨碇研究設(shè)計(jì)了3個(gè)新型地連墻復(fù)合基礎(chǔ)方案[23]。3個(gè)方案均在外圍構(gòu)筑外徑為70 m、厚1.5 m的圓型地連墻，墻底進(jìn)入泥質(zhì)膠結(jié)強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。3個(gè)方案不同之處在于：方案1為條壁式地連墻復(fù)合基礎(chǔ)，其筒內(nèi)上部開挖28 m土體后采用逆筑法施工上半部基礎(chǔ)(由底板、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂板組成)，與恰納卡萊大橋錨碇基礎(chǔ)十分類似，如圖4(a)；方案2為圓形井筒式地連墻復(fù)合基礎(chǔ)，其下半部分屬于典型的井筒式地連墻，上部約一半深度進(jìn)行基坑開挖并施工擴(kuò)大基礎(chǔ)，如圖4(b)；方案3為條壁式地連墻群復(fù)合基礎(chǔ)，其外周為地連墻，下半部?jī)?nèi)部為條壁式地連墻群，上部超過一半深度進(jìn)行基坑開挖并施工擴(kuò)大基礎(chǔ)，如圖4(c)。

圖4 南京長(zhǎng)江四橋錨碇地連墻復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案(單位：cm)Fig. 4 Design scheme of composite foundation for underground diaphragm wall for anchorage of Nanjing Yangtze River No. 4 Bridge

上述3個(gè)方案由于缺乏規(guī)范依據(jù)、設(shè)計(jì)施工技術(shù)不成熟、數(shù)值計(jì)算變形超標(biāo)等原因而均未予推薦。

2.4.3 張皋長(zhǎng)江通道設(shè)計(jì)方案

正處于設(shè)計(jì)階段的世界第一懸索橋——主跨為2 300 m的張皋長(zhǎng)江通道懸索橋錨碇?jǐn)M采用地連墻復(fù)合基礎(chǔ)方案[24]。該方案與2.4.1節(jié)所述江陰大橋初設(shè)方案類似，但在外周地連墻構(gòu)造上存在區(qū)別，且整體規(guī)模更大。地連墻矩形井筒式平面外輪廓尺寸為105 m×70 m，中分18個(gè)隔室，墻厚1.5 m，外墻深70 m，內(nèi)墻深57 m，墻段間采用剛性接頭。先對(duì)基底17 m厚地基進(jìn)行處理，然后在格室內(nèi)開挖40 m，再施工封底底板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為保證整體性及受力需要，外周采用雙層地連墻布設(shè)，墻間凈距3 m，并設(shè)置小格室。在對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)部實(shí)施開挖前，先對(duì)外周雙層地連墻之間的土體進(jìn)行開挖并澆筑封底和填芯混凝土。預(yù)期該橋該方案的成功實(shí)施必將在地連墻復(fù)合基礎(chǔ)方面取得突破性成就和示范性效果。

3 完全地連墻基礎(chǔ)發(fā)展的制約因素及解決路徑

3.1 制約完全地連墻基礎(chǔ)應(yīng)用發(fā)展的主要因素

自上世紀(jì)90年代特別是近15年以來，已有不少學(xué)者和工程師將日本完全地連墻基礎(chǔ)相關(guān)的研究成果和資料引入國(guó)內(nèi)，并結(jié)合科研項(xiàng)目和工程實(shí)踐相繼開展了試驗(yàn)研究、理論分析和設(shè)計(jì)探索，對(duì)計(jì)算分析和設(shè)計(jì)方法做了有益的探討[25-65]，反映出橋梁工程界對(duì)完全地連墻基礎(chǔ)付諸實(shí)踐的極大興趣和積極性。但令人遺憾的是，一直以來特別是在我國(guó)橋梁高速發(fā)展的近20年里，完全地連墻基礎(chǔ)在我國(guó)橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用仍少之又少，原因是多方面的。

3.1.1 直接因素

在受力機(jī)理及設(shè)計(jì)方法方面，基礎(chǔ)研究不足。完全地連墻特別是井筒式地連墻基礎(chǔ)的承載機(jī)制、基礎(chǔ)-地基共同作用機(jī)理和受力規(guī)律尚未研究清楚。盡管一些研究取得了一定成果，但其正確性和準(zhǔn)確性尚缺乏足夠驗(yàn)證，而且此類研究工作樣本和工作量仍十分有限，進(jìn)而還未形成較為成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和規(guī)范指導(dǎo)，直接制約著地連墻作為橋梁基礎(chǔ)的應(yīng)用和發(fā)展。

在施工技術(shù)方面，地連墻剛性接頭特別是大深度剛性接頭的設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)未解決，超高垂直精度的成槽裝備及控制技術(shù)發(fā)展緩慢。

在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面，工程應(yīng)用少且經(jīng)驗(yàn)積累不足。此與設(shè)計(jì)施工方面的不足互為因果，未形成良性循環(huán)。

3.1.2 間接因素

以下間接因素亦均制約著橋梁完全地連墻基礎(chǔ)的應(yīng)用和發(fā)展：建設(shè)者特別是設(shè)計(jì)師的主動(dòng)意識(shí)不強(qiáng)，缺乏足夠的創(chuàng)新勇氣；單個(gè)項(xiàng)目、短期內(nèi)投入產(chǎn)出不平衡；系統(tǒng)性研究的外部資源條件不充分；行業(yè)重視和支持力度不夠等。

3.2 關(guān)鍵問題及解決路徑

3.2.1 試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)方法

1)條壁式地連墻基礎(chǔ)

有關(guān)學(xué)者對(duì)單壁式、“十、L”字復(fù)壁式地連墻基礎(chǔ)開展了一定的試驗(yàn)研究和理論分析工作，取得了初步成果[25-41]，但多未得到重視和應(yīng)用。試驗(yàn)研究主要集中于單片地連墻，且仍十分有限，對(duì)多壁式和復(fù)合條壁式地連墻基礎(chǔ)尚缺乏足夠的理論和試驗(yàn)研究，尚需開展大量深入的研究。

對(duì)泥漿護(hù)壁條件下墻身混凝土與土的接觸面剪切特性、墻身摩阻力的發(fā)揮機(jī)理、地連墻不同于圓形樁的幾何形狀對(duì)其施工(成墻)效應(yīng)和承載特性的影響、復(fù)壁式地連墻的群墻效應(yīng)等方面有必要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)和理論研究。

針對(duì)條壁式地連墻基礎(chǔ)的承載能力和結(jié)構(gòu)受力，目前尚無針對(duì)性成熟計(jì)算方法?？山Y(jié)合試驗(yàn)采用m法、p-y曲線法及能量法等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)研究，在缺乏原型荷載試驗(yàn)的情況下，對(duì)單壁式地連墻可參照鉆孔樁進(jìn)行設(shè)計(jì)并考慮有關(guān)因素影響。有關(guān)學(xué)者理論推導(dǎo)的受力及沉降等計(jì)算公式亦可參考使用。

2)井筒式地連墻基礎(chǔ)

有關(guān)學(xué)者對(duì)井筒式地連墻基礎(chǔ)受力機(jī)理、承載特性和計(jì)算方法開展了一定的現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和理論研究，研究?jī)?nèi)容延伸到地基負(fù)摩阻力、地震液化、結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能等，取得了一定成果[41-65]，但仍然十分有限，且缺乏足夠的驗(yàn)證。針對(duì)土芯對(duì)基礎(chǔ)承載力貢獻(xiàn)情況的實(shí)際測(cè)試十分困難。采用自平衡法進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)豎向載荷試驗(yàn)未研究?jī)?nèi)側(cè)土芯對(duì)承載力的貢獻(xiàn)，未考察頂板的作用。又因其水平受荷機(jī)理復(fù)雜，抗彎剛度大，直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水平荷載試驗(yàn)存在困難，所以往往先對(duì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行一定縮尺，并取其中單片墻進(jìn)行試驗(yàn)。此類間接研究方法會(huì)導(dǎo)致得出結(jié)論的不準(zhǔn)確性。而且水平載荷試驗(yàn)大多局限于對(duì)水平承載力的研究，未對(duì)水平承載特性和機(jī)理作進(jìn)一步的分析和探討。開展的模型試驗(yàn)多為小模型試驗(yàn)，僅得出了基本規(guī)律，尚不能應(yīng)用于實(shí)踐?？傊壳皩?duì)井筒式地連墻基礎(chǔ)的承載特性、墻體-地基共同作用、頂板的荷載承擔(dān)狀況、群墻效應(yīng)、墻端土拱效應(yīng)、地基抗力分布及變化規(guī)律還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和大量深入的研究。

有學(xué)者利用各種理論，初步研究推導(dǎo)了地基在彈、塑性狀態(tài)下彈性和剛性井筒式地連墻基礎(chǔ)內(nèi)力與變位的計(jì)算公式和方法，但均需進(jìn)一步完善和驗(yàn)證。

針對(duì)井筒式地連墻基礎(chǔ)的承載能力和結(jié)構(gòu)受力，目前尚未形成較為成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可初步采用經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)的4種地基彈簧模型、8種地基彈簧模型、樁基礎(chǔ)法等近似方法進(jìn)行計(jì)算。但各地基抗力系數(shù)的準(zhǔn)確模擬計(jì)算成為結(jié)果是否正確的關(guān)鍵，需通過系統(tǒng)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)和理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。有關(guān)學(xué)者理論推導(dǎo)提出的豎向承載力、水平向承載力、沉降和基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算方法及公式亦可參考使用。

3.2.2 剛性接頭

從工藝上，接頭箱接頭、隔板式接頭、H形或異形鋼板均可施工形成剛性接頭[66-69]。從受力上，可分為鋼筋搭接剛性接頭和通過鋼板端部陰陽鎖扣(套管)或榫頭形成的剛性接頭。由于處于地下和泥漿中，且鎖扣(榫頭)間存在空隙，加上成槽垂直度、泥漿指標(biāo)、沉渣厚度、鋼筋籠制作等施工質(zhì)量均會(huì)一定程度影響接頭剛接性能。常規(guī)的成槽垂直度制約傳統(tǒng)剛性接頭的深度一般在約30 m以內(nèi)。只有不斷提升施工控制技術(shù)從而不斷提高成槽垂直度并研發(fā)優(yōu)化接頭構(gòu)造，才能不斷提高剛性接頭的深度和剛度，從而提高井筒式地連墻的適應(yīng)能力和范圍。

橋梁上部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展成熟的鋼-混結(jié)合技術(shù)為剛性結(jié)構(gòu)的構(gòu)造優(yōu)化提供了思路，可嘗試將之應(yīng)用于地連墻等地下結(jié)構(gòu)。如可采用在以往H鋼板接頭基礎(chǔ)上，在腹板焊接足夠?qū)挾鹊拈_孔板連接鍵形成剛性接頭(圖5)[70]。此類構(gòu)造能較好適應(yīng)槽段垂直度并能保證墻段間的良好結(jié)合。在進(jìn)一步提高施工精度和質(zhì)量基礎(chǔ)上，可推廣應(yīng)用于深度達(dá)50 m或以上的地連墻，由此推進(jìn)井筒式地連墻基礎(chǔ)的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)踐。

圖5 新型剛性接頭構(gòu)造方案Fig. 5 New rigid joint construction scheme

3.2.3 工程實(shí)踐

理論分析和試驗(yàn)研究均有其局限性，但不能因此而裹足不前。在現(xiàn)有已取得的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，積極開展規(guī)模由小到大的典型代表性基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)和施工，并基于實(shí)際工程開展施工及運(yùn)營(yíng)期的測(cè)試和分析研究工作，修正之前的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而指導(dǎo)下一個(gè)工程應(yīng)用。同時(shí)隨著工程應(yīng)用的增多，施工精度和技術(shù)、設(shè)備保證能力亦將大幅度的提高，高品質(zhì)地連墻的施工亦將成為可能。如此反復(fù)得以促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，并逐步制訂形成技術(shù)規(guī)范，使設(shè)計(jì)施工有章可循。

4 結(jié)語與展望

根據(jù)地連墻在橋梁基礎(chǔ)中應(yīng)用的實(shí)際情況、典型結(jié)構(gòu)及受力特征，劃分并定義了地連墻基礎(chǔ)類型。各類地連墻基礎(chǔ)在我國(guó)均得到了不同程度的工程實(shí)踐和探索。完全地連墻基礎(chǔ)綜合優(yōu)勢(shì)突出，但其發(fā)展受到諸多因素制約，努力尋求突破制約的解決之道并加快推進(jìn)橋梁完全地下連續(xù)墻基礎(chǔ)工程實(shí)踐意義重大且時(shí)不我待。

在建設(shè)條件適宜且相同前提下，相對(duì)于其它各類基礎(chǔ)，完全地連墻基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)、施工、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力，與國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展理念契合度高，預(yù)期具有廣闊應(yīng)用前景。

短期內(nèi)，對(duì)于一般地質(zhì)條件，懸索橋重力式錨碇部分地連墻基礎(chǔ)仍將作為綜合比選較優(yōu)的方案廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。對(duì)部分地連墻基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究基底以下地連墻的嵌固作用對(duì)錨碇整體穩(wěn)定性的受力機(jī)理和貢獻(xiàn)，隨著研究樣本的增多和成果的成熟，同時(shí)在設(shè)計(jì)上明確將地連墻與基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)可靠相連，進(jìn)而降低基礎(chǔ)工程規(guī)模形成優(yōu)化方案并付諸實(shí)施。

在非水區(qū)和可圍堰或筑島施工淺水區(qū)的橋塔及懸索橋重力式錨碇中應(yīng)用井筒式地連墻基礎(chǔ)或井筒式與條壁式同時(shí)使用的復(fù)合地連墻基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)際需求和現(xiàn)實(shí)意義。在常規(guī)橋梁特別是有抗震需求的橋梁基礎(chǔ)中廣泛應(yīng)用條壁式地連墻基礎(chǔ)具有普遍價(jià)值。

廣泛深入開展井筒式地連墻及復(fù)壁式基礎(chǔ)的理論和試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)合理的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，并編制從項(xiàng)目專用到推廣普及的設(shè)計(jì)指南和技術(shù)規(guī)范，是發(fā)展的路徑和工作重點(diǎn)。

進(jìn)一步提高地連墻槽段垂直和水平偏差精度是施工智能化技術(shù)進(jìn)步的必然目標(biāo)。超深地連墻剛性接頭的結(jié)構(gòu)型式和施工技術(shù)將得到研發(fā)并取得成功。隨著設(shè)計(jì)施工技術(shù)的更加成熟、高效能成槽機(jī)具的廣泛應(yīng)用和綜合費(fèi)用的降低，完全地連墻基礎(chǔ)的應(yīng)用將會(huì)越來越多，形成良性循環(huán)局面。

對(duì)地連墻與其它基礎(chǔ)形式組合的復(fù)合基礎(chǔ)，預(yù)期會(huì)在較少特殊條件和需求的工程項(xiàng)目中提出設(shè)計(jì)方案并開展必要的研究，在獲得可信的承載機(jī)理、荷載分擔(dān)規(guī)律、提出安全保證措施等工作基礎(chǔ)上，有望獲得嘗試性實(shí)踐，從而推動(dòng)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)步。

設(shè)計(jì)是工程的龍頭和靈魂。橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)增強(qiáng)主觀能動(dòng)性，積極領(lǐng)銜開展完全地連墻基礎(chǔ)的研究與應(yīng)用。投資和總承包項(xiàng)目建設(shè)管理模式將更有力保障新型而富有價(jià)值的基礎(chǔ)方案的研究和應(yīng)用。