关于岩嵌式封闭隔墙侧向承载特性的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on the lateral bearing characteristics of rock-socketed closed diaphragm walls

岩锚固闭合隔墙墙横向静载试验研究表明，最大加载达80500kN创世界纪录，荷载-位移曲线呈非线性渐变特征，水平旋转主因基岩不均，最大地技术阻力位于墙深28%，闭合土体阻力不显著而闭合岩体阻力较周围岩体降低，其承载特性显著优于非锚固结构，传统设计方法无法直接套用。

　　本研究聚焦于跨海桥梁结构中，采用岩嵌式闭合隔墙作为基础结构的优势与特性。随着沿海城市的发展和基础设施建设需求的提升，跨海桥梁在连接港口城市、促进区域经济发展方面发挥着不可替代的作用。由于其跨度长、结构复杂以及所处的自然环境恶劣，这些桥梁对基础结构的横向承载能力和稳定性提出了更高的要求。因此，闭合隔墙（Closed Diaphragm Wall, CDW）因其双向承载能力和良好的结构稳定性，逐渐成为跨海桥梁基础工程中的首选方案之一。特别是在需要增强基础承载性能的场景中，岩嵌式闭合隔墙（Rock-Socketed Closed Diaphragm Wall, RCDW）因其能够有效利用岩层的高承载力而展现出显著优势。

在本研究中，位于中国广东省某港口城市的一处实际工程现场，对两座全尺寸的岩嵌式闭合隔墙进行了横向静载试验。试验采用双墙对向加载法，两座隔墙的平面尺寸一致，均嵌入约5米深的基岩层，以利用岩层作为天然的底部约束层。试验过程中，嵌入式传感器对隔墙顶部的位移、隔墙自身的位移、周围土壤的位移以及地质阻力进行了实时监测，记录了最大施加荷载为80500千牛（kN），这是目前所有横向静载试验中记录的最大荷载值。试验数据揭示了岩嵌式闭合隔墙在承受横向荷载时表现出的非线性、缓慢变化的荷载-位移特性。这种特性与传统闭合隔墙有所不同，表明岩嵌式结构在荷载传递机制和位移行为方面具有独特的表现。

试验过程中，两座隔墙均出现了同时水平和垂直旋转的现象。其中，水平旋转主要由现场基岩分布的不均匀性引起。这一发现对于理解岩嵌式隔墙在复杂地质条件下的行为至关重要。值得注意的是，最大地质阻力出现在隔墙深度的0.28倍位置，这一现象表明岩嵌式隔墙的荷载传递并非均匀分布，而是存在明显的区域差异。此外，地质阻力的分布还受到垂直旋转点位置的影响，进一步说明了岩嵌式结构在荷载作用下的复杂响应机制。

与非岩嵌式闭合隔墙相比，岩嵌式隔墙在承载行为上表现出显著差异。试验结果显示，封闭土壤层中未观察到明显的阻力，而封闭岩层的阻力则相对周围岩层有所降低。这表明，岩嵌式结构在荷载作用下，其与周围土壤和岩层的相互作用模式与传统结构存在明显区别。由于这种差异，传统的设计方法无法直接应用于岩嵌式闭合隔墙的设计和施工中，必须结合实际地质条件和试验数据，进行更加精确的分析和设计。

从历史发展来看，闭合隔墙最初作为施工期间的临时挡土墙或截断帷幕使用，但随着技术的进步和工程需求的提升，它们逐渐演变为永久性的承载结构。在日本，闭合隔墙的应用可以追溯到20世纪末，随后在跨海桥梁建设中得到广泛应用。例如，1979年，日本东北新干线高架桥（Tohoku Shinkansen Viaduct）首次在桥梁工程中采用闭合隔墙，取代了传统的沉井基础。这一创新为后续跨海桥梁的建设提供了新的思路。此外，日本的Kitaura港铁路桥（连接本州与四国，是日本最长跨度的预应力混凝土连续梁双线桥）采用了海上闭合隔墙作为基础，支撑其120米跨度的预应力混凝土箱型梁结构，成为闭合隔墙在铁路工程中的早期应用案例之一。同样，Akashi Kaikyo大桥（当时世界最长的悬索桥）在西侧锚固点采用了闭合隔墙，该结构在1995年阪神大地震（震级7.2）中仅发生轻微位移，充分证明了闭合隔墙在极端条件下的安全性和稳定性。这些工程实例表明，闭合隔墙在跨海桥梁基础工程中具有较高的安全性能和经济性。

在中国，岩嵌式闭合隔墙的应用相对较晚，但近年来随着跨海桥梁建设的快速发展，其应用也逐渐增多。例如，珠江口的虎门大桥（Humen Bridge）作为珠江三角洲环线高速公路（广深港高速铁路的一部分）的关键组成部分，采用了直径为61米、厚度为80厘米的圆形闭合隔墙作为重力锚固基础。该隔墙嵌入了50厘米以上的微风化岩层，标志着中国在跨海桥梁建设中首次采用岩嵌式闭合隔墙技术。此外，伶仃洋大桥（Lingding Bay Bridge）的东锚基础也采用了岩嵌式闭合隔墙，该结构穿越了回填砂、软泥、粉砂和中粗砂等多层地质条件，最终嵌入中风化花岗岩层，形成了具有代表性的岩嵌式闭合隔墙应用案例。这些工程实践表明，岩嵌式闭合隔墙在复杂海洋环境中具有良好的适应性，能够有效控制位移并提高结构的安全性。

然而，尽管岩嵌式闭合隔墙在跨海桥梁中展现出良好的性能，目前关于其横向承载特性的研究仍然存在一定的局限性。传统研究多依赖于缩尺试验或实验室模拟，但这些方法在一定程度上受到尺寸效应、土壤准备不一致以及难以准确再现现场土壤应力状态等因素的限制，无法全面反映岩嵌式闭合隔墙在实际荷载下的行为。因此，为了弥补这一研究空白，本研究采用自主研发的大型横向加载设备，对两座实际工程中的全尺寸岩嵌式闭合隔墙进行了横向静载试验。通过嵌入式传感器对隔墙顶部、隔墙本身、周围土壤以及地质阻力的实时监测，研究人员能够更深入地分析岩嵌式闭合隔墙在横向荷载下的承载特性和位移行为。

试验结果显示，岩嵌式闭合隔墙在承受横向荷载时，其荷载-位移曲线呈现出非线性、缓慢变化的特征。在最大荷载80500千牛作用下，隔墙后侧（Side B）出现了明显的位移峰值。这一现象表明，岩嵌式结构在荷载作用下的响应具有明显的方向性和局部性。同时，两座隔墙的位移差异较大，主要源于它们嵌入的岩层强度不同。TW1嵌入的是中风化花岗岩，其单轴抗压强度（UCS）为15兆帕（MPa），而TW2嵌入的是微风化花岗岩，其单轴抗压强度为40兆帕（MPa）。由于岩层强度的差异，两座隔墙在荷载作用下的表现也有所不同，这进一步验证了岩嵌式结构在不同地质条件下的适应性和复杂性。

在实际工程应用中，岩嵌式闭合隔墙的承载性能不仅取决于嵌入岩层的强度，还受到岩层分布、结构设计以及施工工艺等多方面因素的影响。因此，本研究通过实际试验，不仅验证了岩嵌式闭合隔墙在横向荷载下的行为，还为未来类似工程的设计和施工提供了重要的参考依据。试验数据表明，岩嵌式闭合隔墙能够有效控制位移，提高结构的稳定性，从而为跨海桥梁的建设提供更加可靠的基础解决方案。

此外，本研究还通过对比分析，揭示了岩嵌式闭合隔墙与非岩嵌式闭合隔墙在承载行为上的差异。这种差异主要体现在荷载传递机制和位移控制能力上。岩嵌式结构由于能够直接利用岩层的高承载力，因此在荷载作用下表现出更强的稳定性。相比之下，非岩嵌式结构则更多依赖于周围土壤的承载能力，其荷载传递过程更为复杂。因此，在设计跨海桥梁基础时，应充分考虑地质条件，选择适合的结构形式，以确保基础的安全性和经济性。

本研究的局限性也值得关注。目前的试验主要集中在横向承载行为的分析上，尚未全面探讨嵌入深度对岩嵌式闭合隔墙性能的影响。因此，未来的研究应进一步关注嵌入深度对结构承载能力和位移控制的影响，以完善相关理论体系。此外，由于试验中未能监测隔墙与地层之间的摩擦力，这在一定程度上限制了对荷载传递机制的深入理解。因此，后续研究可结合更先进的监测技术，对隔墙与地层之间的相互作用进行更全面的分析。

总的来说，本研究通过实际工程中的横向静载试验，为岩嵌式闭合隔墙的承载特性和位移行为提供了重要的实证数据。这些数据不仅有助于理解岩嵌式结构在不同地质条件下的表现，还为未来跨海桥梁的基础设计和施工提供了科学依据。同时，研究结果也揭示了岩嵌式闭合隔墙相较于传统结构的优势，为相关领域的进一步研究奠定了基础。通过结合实际工程数据和理论分析，本研究为岩嵌式闭合隔墙的应用推广提供了有力支持。