横向或纵向布置对地下连续墙承载力影响

横向或纵向布置对地下连续墙承载力影响

唐文晖

土木工程与建筑学院 621002

摘要：为了研究地下连续墙承载性能受传统纵向布置方式和新型横向布置方式对的影响，采用相似试验方法，用竹皮分别制作出质量相同体积近似的纵/横向布置的地下连续墙模型，将模型放于加载箱中加载，结果表明：在同等荷载情况下新型横向布置方式地下连续墙承载力更高，变形更小。

关键词：地下连续墙、横/纵向布置方式、相似试验

1. 引言

（一）地下连续墙特征

在大型建筑工程基础施工中， 通过运用地下连续墙施工 技术，能够有效保护周围环境，同时，地下连续墙可以作为建 筑主体结构，显著提升建筑工程基础稳定性。地下连续墙是一-道沿着深基础或地下构筑物四周。采用专业挖槽或成孔设备，泥浆护壁，开挖出一个具有一定宽度(直径)和深度的沟槽(孔L)，在槽或者孔内设置。钢筋笼并浇筑混凝土，形成一幅幅单元墙段，并采用一定的接头方式将单元墙段连接成一道连续的地下钢筋混凝土桩排或墙),从而可以作为基坑开挖时的防渗和挡土结构，还可以直接做为承受垂直荷载的地下室外墙，这种地下墙体即被称为现浇钢筋混凝土地下连续墙(简称地下墙) ^[1]。因此，地下连续墙广泛应用于建筑的地下室、地下电站、地下铁道、道路立交、盾构或顶管工作井、引水或排水隧道、地下商场或地下停车场、水泵房、船坞、船闸、码头、岸壁、以及土坝的防渗心墙，地下止水帷幕等等。因此其广泛应用于高层建筑和深基础工程。

（二）两种不同布置方式地下连续墙的区别

目前我们国家依据自身的装备技术和施工水平，在绝大多数地下连续墙施工过程中，都采用纵向布置的方式。理论研究发现，地下连续墙采用纵向布置方式在受力机理上类似一种悬臂结构^[2】,而采用横向布置方式的地下连续墙类似一种简支结构^[3],在相同的外荷载作用下，这两种地下连续墙的变形会明显的不同。

（三）竹材模型等效模拟试验的合理性

该试验用一种竹材的等效模型来代替钢筋混凝土地下连续墙，进行模拟试验研究。实际的地下连续墙是一种钢筋混凝土墙板，其在工作环境中承受墙后填土压力和上部附加荷载（即承受梯形荷载），受弯、受压性能好，从变形特点上看，它是一种受弯构件。用竹材制成的日字型截面杆（以下称“日字杆”）在受力时类似于一根梁，从变形特点上看也是一种受弯构件，竹材的抗拉强度可达120mMPa,抗压强度可达30MPa，因此，用竹材制作的日字杆可以像实际的地下连续墙一样具有很好的抗拉、抗压能力，且受弯性能好。同时，用竹材制作出的模型也能很好满足试验加载的要求。总体而言，竹材模型符合钢筋混凝土地下连续墙的受力特点，能够进行等效模拟。

二、试验概况

（一）试验模型设计

为确保模型能够放入加载箱中顺利加载，模型的长边和短边方向选用400mm和200mm的竹皮和日字杆；为保证单块面板的竖向整体性，杆件之间采用10mm宽的竹材连接；受力杆件采用400mm×10mm×14mm（长×宽×高，下同）、400mm×10mm×12mm和200mm×10mm×12mm等尺寸；最终模型尺寸为，净尺寸：400mm×210mm×410mm；外包尺寸：400mm×210mm×400mm。其中采用横向布置的模型按其高度等分为七层，每层高50mm。两种模型的质量均为700g。

（二）加载装置和加载制度

试验所用的仪器装置有①加载箱，②位移计，③钢尺，④钢块。加载箱是标准赛用模型加载箱，尺寸为1200mm×600mm×600mm；位移计型号为“桂制03000002”，量程为0-12.7mm，精度0.001mm；钢尺量程为1200mm；钢块边长200mm，重1.67kg。钢块的作用是模拟实际工程中土的附加荷载，加载时，前五块钢块重叠放置，剩余的钢块交叉重叠放置。这样可以保证钢块通过自身传递的自重荷载是轴向荷载而不是偏心荷载。

（三）量测内容及方法

取模型内侧的底层、中间层、顶层三个位置作为测量点，测量这些点处地下连墙模型在100kg配重下产生的挠度。保证加载时模型顶部与加载箱顶部齐平，确保模型在土中整体均匀地受力。完后，将模型放置于加载箱中，向模型四周均匀地填埋干砂，用以模拟地下连续墙在实际环境中所受到的填土压力。干砂加至和模型等高后，用钢尺将干砂表面刮平，以此来保证加载时土压力的均匀传递。前面步骤完成后，在干砂表面上测量出试验的加载区（加载区前端距地下连续墙模型50mm，加载区两端距加载箱左右两边均为200mm）。标示完加载区后，将位移计固定在加载箱上面，依次测量底层、中间层、底层处地下连续墙模型产生的挠度。测量时先调节好位移计的位置和方向，再将位移计指针对准要测量的模型部位并调零，随后在加载区放置钢块至100kg,待位移计读数稳定后读取并记录试验数据。

三、试验结果

（一）横向布置试验数据

从实验得出：当外加均布荷载为25kpa时（即外加钢板总重100kg时）横向布置模型底层位移、中间层位移、顶层位移分别为6.106mm、6.954mm、6.005mm,根据土中压力呈梯形分布的特征，可知埋深越大，土压力就越大，相应位置杆件的变形就越大，即杆件的变形是从上往下逐渐增大。但排除试验误差和杆件制作上的不均匀产生的误差后，可认为这三点处产生的位移基本相同，因此在外部荷载足够大的情况下土的自重应力对杆件的作用可忽略不计。

（二）纵向布置试验数据

从试验数据中可知：当外加均布荷载为25kpa时（即外加钢板总重100kg时），纵向布置模型底层位移、中间层位移、顶层位移别为11.952mm、8.911mm、4.069mm。杆件在这三点处的位移变化规律满足其位移随杆件埋深的增加而增加。如果去掉实验误差以及杆件制作上的误差和缺陷，则其位移特征基本符合悬臂梁模型的位移特征。

（三）结果分析

试验结果如前述。横向布置时三个测点处位移基本相同，满足横向简支的条件。纵向布置时三个测点处位移随埋深的增加而增加，符合悬臂梁模型的位移特征。在相同条件下，纵向布置模型的最大变形为11.952mm，横向布置模型的最大变形仅为6.954mm，纵向布置模型的最大变形几乎是横向布置模型的两倍，由该结果可知，横向布置的地下连续墙变形更小，承载能力更大。

四、结论

文章依据地下连续墙在各种工作环境中土压力分布和作用情况，考虑了实际地下连续墙的受力特征和变形特点后，开展了室内相似模拟试验，制作出了采用横向布置方式和采用纵向布置方式的两种地下连续墙模型，对这两种地下连续墙进行同等配重的加载后，得出了以下结论：

（1）模拟试验中，纵向布置的模型和横向布置的模型加载后得到的试验结果符合现有的理论研究结果，即：纵向布置的地下连续墙近似一种悬臂结构，横向布置的地下连续墙近似一种简支结构。实验结果证明相似模拟试验能有效地模拟地下连续墙实际的受力和变形情况。

（2）横向布置的地下连续墙模型在受力变形过程中，受土压力的影响不明显，实际情况下地下连续墙承受的附加荷载远大于土的自重应力，土自重应力对采用新型横向布置方式的地下连续墙的影响可忽略不计。

（3）从两种模型的加载结果中可知，在相同质量、相同用材、同等受力的情况下，纵向布置的模型的最大变形为12.002mm,横向布置的模型的最大变形为7.006mm，纵向布置模型的最大变形几乎是横向布置模型的两倍，由该结果可知，横向布置的地下连续墙变形更小，承载能力更大。

参考文献

[1]杨柳. 深基坑地下连续墙支护结构设计计算及数值模拟分析[D].河北工程大学,2013.

[2].陈春光. 国外地下连续墙成槽机械的发展[J]. 广东水利水电, 1998(1):46-47.

[3].郭丽,谭庄,贾慧敏.预制地下连续墙技术的的理论模型研究[J].住宅与房地产,2018(07):214.