第4章地下连续墙结构

第4章地下连续墙结构概述地下连续墙结构的内力计算方法地下连续墙结构设计设计实例4.1概述地下连续墙施工方法，又称槽壁法。1950年正式在意大利水库工程中使用。20世纪50年代末引入中国，也是首先在水利工程中采用，随后也用于建筑工程，近几年在地下工程应用十分普遍。地下连续墙的施工过程沟槽开熔安设接头管吊放钢筋笼浇混凝土安装接头放置钢筋笼放置钢筋笼浇筑混凝土拔出锁口管、接头箱浇筑相邻墙段地下连续墙的特点及适用场合优点•地下连续墙刚度大，整体性好，安全可靠。•对周围地基扰动少。•施工时振动小，噪音低，对邻近地基扰动少。•具有多种功能，适应范围很广。地下连续墙可用作防渗、截水、承重、挡土、抗滑、防爆等多种用途。•对地层的适应性很强。缺点•适用条件受到一定限制。•弃土及废泥浆对环境造成污染。泥浆添加了化学物质，如处理不当，易造成环境污染。•存在槽壁坍塌问题。由于成槽时，沟槽深且薄，容易出现槽壁坍塌，导致钢筋笼吊放困难，影响施工质量。适用条件•基坑深度大于10m。•软土地基或砂土地基。•在密集的建筑群中施工基坑，对周围地面沉降，建筑物的沉降要求需严格限制时，宜用地下连续墙。•围护结构与主体结构相结合，用作主体结构的一部分，且对抗渗有较严格要求时，宜用地下连续墙。•采用逆作法施工，内衬与护壁形成复合结构的工程。地下连续墙结构的设计内容•支护结构的强度、稳定和变形计算。•基坑内外土体稳定性计算。•渗流稳定性计算。•降水要求和岩土开挖要求等。地下连续墙功能较多，对应不同的功能，其设计计算方法有所不同。本书仅介绍作为支护结构的地下连续墙设计方法。支护地下连续墙结构的设计内容主要包括：4.2地下连续墙结构的内力计算方法采用地下连续墙支护的基坑一般较深，需要采用单支撑（锚）或多支撑（锚）联合支护。《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002建议采用等值梁法、静力平衡法或弹性抗力法计算内力。静力平衡法a)静力平衡法将地下连续墙作为刚性结构，可以绕支撑点转动，并且墙底为自由端b)地下连续墙结构的前侧（基坑内侧）产生被动土压力Ep，后侧（基坑外侧）产生主动土压力Eac)前后侧土压力对支撑点的力矩和为零，结构处于极限平衡状态ppaap0a02ht2tEhEhEhhEh33a0p0pa2hEhEhh33t2EE内力计算过程：(4-1)1右图为无粘性均质土层中地下连续墙的受力体系，为主动土压力，作用点到墙顶的距离为，为被动土压力，作用点到墙顶的距离为。由结构所受荷载对支撑点A的力矩平衡得：ppaap0a02ht2tEhEhEhhEh33a0p0pa2hEhEhh33t2EE整理后得：(4-1)由力平衡方程可以求出支撑力(4-2)aapTEE在求出嵌固深度和支撑力后，就可以利用截面法计算地下连续墙结构的内力。对于多土层中的单锚/撑地下连续墙结构可以根据土压力的分布状况，利用力矩平衡与静力平衡条件求出嵌固深度和支撑力，然后根据所受荷载，直接计算结构的内力。另外，根据《建筑基坑技术规程》JGJ120-99，作用在地下连续墙上的土压力按朗肯主/被动土压力计算。静力平衡法适用于单锚/撑地下连续墙支护结构的静力分析，而且嵌固深度较浅，墙底可以简化成自由端。单锚撑支护结构等值梁法当嵌固深度较深时，单结构总体向坑内产生位移，基坑底面附近位移达到最大；沿着深度方向，结构位移逐渐减小，在坑底以下一定距离的C点处，结构既无侧移也无转角；C点以下，结构则产生向坑外的位移。基本原理根据结构的变形特征可以看出：在支撑点A点以下C点以上，结构弯向坑内侧，结构内侧受拉；在C点以下，结构弯向坑外侧，结构的外侧受拉。结构从内侧受拉转向外侧受拉之间必然存在弯矩为零的反弯点C。将单锚撑地下连续墙作为一根两跨静定连续梁。由于C的弯矩为零，则C点可以简化成铰结点。另外，由于嵌固深度较深，D点可以作为固定端支座。A点简化为连杆支座。AC段为ACD梁的等值梁。实际情况下，由于无法得到准确的结构变形曲线，也就无法找到C点。对于单锚撑支护结构，地面以下土压力为零的位置（即主动土压力等于被动土压力的位置）与反弯点位置较接近，为了简化计算，假定土压力为零的位置即为反弯点的位置。这种简化造成的误差很小，对计算结果影响不大，因此可忽略其影响。①确定反弯点C的位置反弯点C的位置由坑底面以下土压力为零的点近似代替，即：paγxkγhxkapahkxkk(4-3)内力求解过程下面以均匀土层中地下连续墙为例，介绍结构内力求解过程。②计算支撑力以简支梁AC为分析对象，利用C点弯矩为零的条件，可以求出支撑力，即(4-4)aTaaatTEa/a其中是结构C点以上土压力的合力。aE③计算嵌固深度d由AC的静力平衡条件可求得C点的剪力：CaaVET剪力产生使结构向坑内的倾覆弯矩，而土压力则产生阻止结构向坑内倾覆的弯矩，为了保证结构安全，必须满足。由于与t无关，而随t而增大，因此，当时，CD的长度t最短。pEpCEt/3VtCVpEpCE3V2ppapapa111Eγdkγhdktγkktγxkγhxkt222C点处的主动土压力与被动土压力相等，即则上式变成paγxkγhxkCpa6Vtγkk与分别为主被动土压力系数。akpk推导t则嵌入深度为，为安全系数，取（1.1~1.2）。dK(tx)K(4-5)例4-1现有一深基坑，基坑开挖深度为12m，采用地下连续墙结构进行支护，地层条件为：，，。计算支撑的轴力和嵌固深度。3kN/m18260c，土压力的计算：主动土压力系数被动土压力系数39.0)22645(tan2aK56.2)22645(tan2pK，在开挖了4m时打入一道横撑，计算简图如图所示1.确定反弯点的位置由式4-3可知开挖面到反弯点距离m16.239.056.239.012x，2.求支撑力支撑到土压力零点的距离m16.10416.212taC点以上部分土压力到土压力零点C的合力矩为3333111()0.39(122.16)1866612.562.16183244.39kNm6aaapEakhxkxaT，由式4-4可知支撑力为kN33.31916.103244.39aT3.求嵌固深度对C点以上部分分析，由力的平衡可得C点剪力故由公式4-5可知kN09.27733.31916.14181239.021cVm52.618)39.056.2(277.096t取安全系数为1.1故嵌入深度为1.1(6.522.16=9.55md）多锚/撑支护结构等值梁法当基坑埋深较深时，需要采用多层锚/撑支护结构。多锚/撑是随着基坑逐层向下开挖而分层设置的。假定：在第k层锚/撑设置后，在继续开挖基坑的过程中，第k层锚/撑的轴力逐渐增大，而第1至第k-1层锚/撑的轴力不变，锚/撑作用点的位置不变。多锚/撑支护结构的内力计算也可以采用等值梁方法。支撑力及结构内力求解过程与单锚/撑支护结构等值梁法基本相同，具体如下：kT（1）确定土压力为零的点C，并以点C为第k个反弯点；（2）以结构C点以上部分为分析对象，以该部分所受荷载对C点的合弯矩为零为平衡条件，可以求出，即kTk1atiiki1kkkEaT(hx)Thx(4-6)（3）求C点的剪力kCkaii1VET(4-7)（4）以C点以下部分为分析对象，以与对结构底端弯矩和为零为平衡条件，求嵌入深度，计算公式见式4-5；（5）利用静定结构内力求解方法求解结构内力。；CkVpEkt4.3地下连续墙结构设计作为支护用的地下连续墙的构造设计内容包括：导槽、钢筋混凝土墙、墙段接头等构造等内容。导槽设计导墙示意图导槽一般采用右图所示的截面形式，由两个角形钢筋混凝土墙组成，导墙之间为导槽。导槽宽度一般比地下连续墙的厚度大30~50mm，导槽深度应保证以导墙墙脚进入原状土大于300mm，导墙的顶面应高出地面100~200mm。导墙用钢筋混凝土现浇而成，混凝土一般采用C20，墙厚为200~300mm，单侧配置钢筋网。在进行挖槽施工以前，需要沿着地下连续墙的轴线方向设置导槽，导墙为导槽的支护结构。导槽具有方便施工定位、钢筋笼吊放等功能，是建造地下连续墙必不可少的临时构造物。地下连续墙的截面设计设计时，可以沿地下连续墙的水平轴线方向选择1延米为研究对象，按照等值梁等方法计算结构的内力；然后根据弯矩分布特征，进行配筋设计。由于沿埋深方向，结构的弯矩分布是变化的，如果按照最大正负弯矩配置通长配置受力钢筋将造成明显的浪费，因此，可以参照普通钢筋混凝土梁或板，根据弯矩分布状况沿深度方向分段进行截面设计。支护用地下连续墙承受的荷载主要为水土压力及自重，按照《港口工程地下连续墙设计与施工规程》（JTJ-303-2003）的规定，支护用地下连续墙墙体按受弯构件进行截面设计，当轴力较大时，按偏心受压构件设计。地下连续墙的配筋形式地下连续墙的配筋不仅需要满足承受水土压力的要求，也要满足存放、运输与吊装等施工过程的要求。因此，地下连续墙的钢筋笼需要具有足够的强度与刚度要求。钢筋笼应根据地下连续墙的槽幅宽度分段制作，采用双侧配筋形式。主要的钢筋包括：沿深度方向的纵向主筋、横向联系钢筋、箍筋、架立筋、局部加强筋等。钢筋笼详图地下连续墙的构造要求现浇钢筋混凝土地下连续墙的设计应该遵循《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的相关规定。此外，作为地下工程，《港口工程地下连续墙设计与施工规程》（JTJ-303-2003）对支护地下连续墙提出了一些特殊规定。（1）现浇地下连续墙的单元槽段长度可取4~8m。现浇矩形地下连续墙的厚度可取600~1300mm，预制地下连续墙厚度可取200~800mm。（2）现浇地下连续墙的混凝土强度等级不应低于C25，水下浇灌的混凝土设计强度应比计算墙的强度提高20%-25%。（3）现浇地下连续墙的受力钢筋宜采用I级或II级钢筋，其直径不得小于16mm；构造钢筋可采用I级钢筋，矩形地下连续墙的构造钢筋直径不得小于12mm。（4）现浇地下连续墙主筋保护层厚度不得小于70mm。墙段接头构造地下连续墙是分槽段施工的，相邻槽段之间用接头连接，接头应满足受力和防渗的要求，并要求施工简单、质量可靠。常见的接头形式包括：接头管、V形钢隔板接头、接头箱、隔板式接头、平接头与预制接头等。（1）接头管连接接头管连接是在每个槽段的一端预先埋设接头管，形成便于与下一段槽段连接的一种连接方式，最常见的柔性接头方法。其施工过程为：在单元槽段成孔后，在槽段的一端先吊放锁口管，然后吊入钢筋笼，再浇筑混凝土；当管外混凝土能够自立时，再将锁口管拔出，形成半圆接头。接头管接头（2）V形钢隔板接头V形钢隔板接头是在钢筋笼两端，焊接V形钢板，使各单元墙体成为一个整体结构。这种接头的截水防渗效果较好，而且由于接头部位是钢板制作，附着泥砂少，只要用清扫器沿着钢板上下刮动，即可清除泥皮。V形钢隔板接头（3）接头箱连接接头箱连接与接头管接头施工类似。在单元槽段完成后，在一端吊放接头管与敞口接头箱，再吊放在接头箱一端带堵头板的钢筋笼；在堵头板外伸出的钢筋就进入了敞口的接头箱中。在浇注槽段时，堵头板阻止混凝土流入箱内；拔出接头箱和锁口管后，形成外伸的钢筋接头和空孔，在浇筑下一槽段时，就成为连续的刚性止水接头。接头箱连接（4）直接连接接头单元槽段挖成后，随即吊放钢筋笼，浇灌混凝土，混凝土与未开挖土体直接接触。在开挖下一单元槽段时，用冲击锤等将与土体相接处的混凝土改造成凹凸不平的连接面，再浇灌混凝土形成直接接头。由于粘附在连接面上的沉渣与土是用抓斗的斗齿或射水等方法清除的，难以清除干净，故受力与防渗性能均较差。1-先施工槽段；2-后施工槽段；3-钢筋；4-接缝直接接头（5）预