根式基礎發展綜述★

崔金鵬 王 敏,2

(1.南京工業大學土木工程學院,江蘇 南京 210096； 2.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)

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根式基礎發展綜述★

崔金鵬1王 敏1,2

(1.南京工業大學土木工程學院,江蘇 南京 210096； 2.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)

從理論研究、原位測試、數值模擬和施工工藝等方面,介紹了根式沉井基礎的特性與研究現狀，分析了根式沉井基礎的優缺點，并探討了其全面推廣應用的可行性，最后針對根式沉井基礎的缺點，提出了一種新型的根式灌注樁。

根式基礎，數值模擬，承載機理，施工工藝

0 引言

基礎，即將建筑物自身及其所承受的荷載傳遞到地基上的下部結構。自人類文明出現，基礎便伴隨出現，隨著人類文明的進步，基礎的理論和種類越來越多、越來越豐富。尤其在建國之后，隨著城市化進程的加快推進，大量高層甚至是超高層建筑物猶如雨后春筍般涌出，導致上部結構荷載越來越大，進而對基礎的要求也越來越高，為解決這一問題，出現了許多新型基礎，根式基礎就是其中之一。

1 根式沉井基礎承載特性研究進展

1.1 根式基礎的起源

殷永高等[1]于2006年發明了根式基礎及施工方法(見圖1)，并對其進行更進一步的研發，開發出新型的根式錨碇基礎[2](見圖2)，同時成功應用到馬鞍山長江大橋中[3]。

1.2 根式基礎的理論研究

由于根式沉井基礎提出來的時間較晚，其理論研究相對較少。目前的理論研究主要是基于原位測試推導出的一些關于根鍵的公式。胡豐等[4]通過Winkler地基梁理論和荷載傳遞法推導出根式(沉井)基礎的位移方程(見式(1))式和根鍵受的土反力方程(見式(2))。陳志忠等[5]分析了合肥—阜陽高速公路跨淮河大橋中的根式沉井基礎的后期沉降監測結果，結合剪切位移法等理論，更進一步給出根鍵總的承載反力的方程式(見式(3))。

(1)

其中，EI為井壁抗彎剛度；b0為井壁計算寬度；p(x,y)為單位面積的土反力與沉井深度的關系。

FR=hlsin2φK0kny+hlcos2φK0ksy+bhcos2φK0kny-

bhsinφK0kny+2blksy

(2)

其中，FR為土的反力合力；l,b,h分別為根鍵的長度、寬度、高度；ks為土切向剛度；k0為土側壓系數。

(3)

其中，Qr為單個根鍵承載反力；λ為根鍵層間距修正系數；n為基礎所有根鍵數；Qri為一個的承載反力。

1.3 根式基礎的數值模擬

數值模擬即依靠計算機，結合有限單元法來模擬和分析物體在各種外部條件下的力學性能。許多學者利用FLAC3D軟件對根式沉井進行了分析。殷永高等[6]結合現場測試和數值模擬初步探索根式沉井的水平和豎向承載性能，總結了根式沉井的承載特征和變形情況。盧元剛等[7]模擬了根式沉井豎向承載機理，繪制出Q—S曲線并與現場測試數據進行對比，結果表明測試值與模擬值相一致。根鍵作為根式基礎的重要組成部分，可帶動周圍土體集體受力，作用重大，許多學者對其進行了研究和分析。黨進謙教授指導研究生對根式錨碇基礎進行數值模擬，探究了受力機理、變位機理和根鍵對其承載力的影響[8]。付守印等[9]模擬并分析了根式沉井的根鍵角度對其承載力的影響，分析表明：根鍵與水平荷載的角度在10°～30°時，根式基礎的承載性能最高。周廣騰[10]通過ANSYS和MIDAS/GTS有限元軟件模擬研究了根鍵排列形式、根鍵數量、根鍵布置位置等因素對根式基礎承載力的影響。木林隆等[11]基于彈塑性有限單元法對根式沉井進行建模并加載，分析根鍵的分布對其承載性能的影響。

1.4 根式基礎的原位測試

根式沉井基礎已經成功應用于國內多座大橋，許多學者對其原位測試進行分析，取得了很多成果。章征等[12]采用自平衡法測試了頂進根鍵前與頂進根鍵后的沉井基礎的豎向承載力，分析根鍵對沉井豎向承載力的影響。龔維明、胡豐等[13]更進一步的研究了根式沉井基礎的側摩阻力、軸力、頂部位移以及根鍵彎矩等，并與普通沉井比較，研究表明：根式沉井基礎的豎向承載力較之普通沉井基礎可提高85%～115%，同時其沉降反而減少40%～70%。張立奎等[14]采用慢速維持荷載法加載，測試根式沉井的水平承載力，并與普通沉井進行對比分析。黃挺等[15]測試了根式沉井和普通沉井基礎的水平荷載—位移關系、井身彎矩，并推算出井側土拔力，分析結果表明：根式沉井的水平承載力較之普通沉井可提高60%。龔維明等[16]依托馬鞍山長江大橋，采用單速循環慢速維持荷載法開展兩期根式基礎水平靜載試驗研究，試驗結果表明：根式沉井的水平臨界荷載和水平極限荷載比普通沉井提高了150%和95%。也有學者研究了根式沉井對周邊土體的影響。車承志等[17]通過現場試驗，測試并分析了在水平荷載下，根式基礎周邊土體的位移。以上的各項測試結果均表明：根式沉井基礎的水平承載力和豎向承載力都優于普通沉井基礎，同時，沉降也小于普通沉井基礎，這也驗證了數值模擬結果的正確性。

1.5 根式基礎的應用及施工工藝

根式沉井基礎自問世以來，由于具有良好的經濟效益和承載性能，逐漸被應用于實際工程中并摸索出一系列的施工工藝。霰建平、米長江等[18,19]介紹了馬鞍山長江大橋根式沉井施工的技術難點及解決方案，并介紹了一種360°回旋可調頂推平臺(見圖3)和YDT3500-1600防回縮大行程多級千斤頂(見圖4)。歐陽祖亮等[20]詳細介紹了馬鞍山長江大橋中水下頂進根鍵的技術方案。趙天法等[21]介紹了黃河特大橋中根式沉井的施工關鍵技術。胡兮等[22]介紹了望東長江公路大橋根式沉井的新工藝及施工中的關鍵技術方案。龔維明等[23]結合現場試驗與工程實例分析在厚覆蓋土層地區根式沉井的豎向承載力與承載變形特征，為根式沉井基礎在該地區的推廣奠定了理論基礎。

綜上所述，根式沉井基礎無論豎向承載力還是水平承載力都大大優于普通沉井基礎。同時，在同級荷載下，其沉降也小于普通沉井基礎。由此可見，根式沉井基礎具有經濟效益好、承載性能高、地震效應減小等優點。但由于其本身的基礎與土體的關系過于復雜，施工過程與普通沉井相比較麻煩，因而國內對于根式沉井基礎的研究主要還停留在現場原位測試和有限元模擬，而理論研究相對較少。比如說在厚覆蓋土層地區的受力機理研究比較多，而對于其沉降變形的研究較少，以及對抗震、抗沖刷性能的研究較少。根式沉井基礎經過了近幾年的工程應用，已經形成了一系列的施工工藝，并研發了相應的施工機械，但仍缺少相應的技術規范。

2 根式灌注樁的研究現狀

盡管根式沉井擁有上文所述的諸多優點，但由于沉井自身體積較大，且只適用于淤泥土、砂土、黏土、砂礫等厚覆蓋土層，無法在一般建筑物中推廣，而樁基礎的普適性又正好彌補了這一點，如果將根式沉井的根鍵與灌注樁相結合，這個問題就迎刃而解。龔成中等[24]結合根式沉井和灌注樁的優點，發明了根式承壓灌注樁(見圖5)。由于根式灌注樁提出的時間較晚，且受到施工條件的限制，目前對于根式灌注樁的研究相對匱乏。劉彥峰等[25]基于樁基自平衡法來對比根鍵式樁基礎與普通樁基礎的承載力，驗證了根鍵能提高基樁承載力和減小樁頂沉降有效性。Chao Yang等[26]進行了根式樁的現場靜載試驗，并繪制出了根式樁的Q—S曲線。肖向榮等[27]發明了一種根鍵推頂裝置(見圖6)，其主要原理是：將根鍵推頂平臺固定在卷揚機上，通過卷揚機在鉆孔內上下移動，定位并推頂根鍵。

3 結語

到目前為止，根式沉井基礎已經應用于馬鞍山長江大橋、淮河特大橋、望東長江公路大橋等工程中。但由于其提出的時間較晚，目前國內對于它的研究主要是在現場原位測試和數值模擬方面，而對理論研究還有所欠缺。此外，作為根式基礎的新衍生物——根式灌注樁，非但具有材料利用率高，經濟效益高，承載力高等根式沉井基礎的優點，而且與根式沉井基礎相比，風險更低，質量更易保證，施工也比較便捷，可適用于一般建筑物中，因而發展前景良好，但由于提出的時間較晚，目前還鮮有學者對此進行研究。

[1] 屠筱北，錢東升，殷永高.根式基礎及其施工方法[P].中國專利：ZL200610038147.5，2006-01-26.

[2] 屠筱北，錢東升，殷永高.根式錨碇及其施工方法[P].中國專利：ZL200810004441.3，2006-01-26.

[3] 殷永高.根式基礎研究[A].第四屆全國公路科技創新高層論壇論文集(下卷)[C].2008:5.

[4] 胡 豐,龔維明,童小東，等.含受彎根鍵的根式沉井承載性能分析[J].計算力學學報,2010(3):505-510.

[5] 陳志忠,殷永高.根式沉井基礎在使用階段的沉降量預估與沉降監測[J].工程與建設,2009(3):383-386.

[6] 殷永高,孫敦華,龔維明.根式基礎承載特性的試驗與數值模擬研究[J].土木工程學報,2009(12):162-169.

[7] 盧元剛,楊成斌,殷永高.根式沉井基礎豎向承載特性數值模擬分析[J].工程與建設,2009(1):5-8.

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[23] 龔維明,王 磊,殷永高.厚覆蓋土層地區根式基礎應用與試驗研究[J].土木工程學報,2015(S2):69-74.

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[26] Yang C, Dai G, Gong W. Experimental Study on the Vertical Bearing Properties of a Rooted Bored Pile[A]. Geo-China International Conference[C].2016:9-16.

[27] 肖向榮,廖順山.一種適用于根式管樁基礎的根鍵頂推裝置[P].廣東：CN103225301A,2013-7-31.

The research survey of development in root foundation★

Cui Jinpeng1Wang Min1，2

(1.CivilEngineeringSchool,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210096,China;2.ArchitecturalEngineeringSchool,HuaiyinInstituteofTechnology,Huai’an223001,China)

This paper introduces the research status of open caisson foundation from the aspects of the theoretical research, field tests, numerical simulation, construction craft and so on, analyzes the advantages and disadvantages of root open caisson foundation and explores the feasibility of the comprehensive promotion. At last, aimed at the weakness of root open caisson foundation, this paper introduces a new type of root foundation-root pile.

root foundation, numerical simulation, bearing mechanism, construction craft

1009-6825(2017)15-0051-03

2017-03-13

崔金鵬(1992- )，男，在讀碩士

TU473.1

A

★：江蘇省高校研究生創新計劃項目(編號：SJLX16-0314)；江蘇省自然科學基金面上項目(編號：BK20161301)