2.2.5水泥土重力式围护结构

2.2.5水泥土重力式围护结构设计计算水泥土重力式结构的特点：（1）适用于基坑开挖深度；对于软土的基坑支护，一般支护深度不大于6m，对于非软土基坑的支护则支护深度可达10m，做止水帷幕则受到垂直度要求的控制。（2）用途：（a）作为基坑开挖重力式围护结构，同时起到隔水作用；（b）作为提高边坡抗滑稳定性加固；（c）作为止水帷幕（独立式及联合式）；(d)与其它桩、型钢等组成组合式结构。水泥土重力式围护结构设计计算方法按重力式挡土墙考虑，主要包括下述计算内容：1.初步确定挡土墙的宽度B和长度L（或插入深度d）；2.土压力计算（或挡土墙荷载主力、附加力及特殊力计算）；3.抗倾覆验算；4.抗滑动验算；5.墙体强度验算；6.基坑抗隆起验算；7.整体稳定性验算；8.抗管涌验算。如果3～８项验算中存在不满足要求或安全度偏高，则应调整挡土墙尺寸，重新验算，直至合格满足规范要求，且较经济合理为止。1.初步确定挡土墙宽度B和长度L基坑开挖深度为H，根据地基土质情况，挡土墙宽度B可取（0.45~0.95）H，基坑底插入深度d可取（0.7~1.2）H，即挡土墙长度L=（1.7~2.2）H。2.土压力计算1）方法一：作用在离地面深度为h处的主动土压力密度pa为：(2.2.21)作用在离地面深度为h处的被动土压力密度pp为:(2.2.22)式中Ka——主动土压力系数，Kp——被动土压力系数，aaaKcKhqp2)(pppKcKhqp2)()245(2tgKa)245(2tgKp关于土压力计算的几点说明：(1)上两式是土体处于极限平衡状态下得到的，而且只考虑挡土结构的刚性平移。实际中水泥挡土墙在土压力作用下会产生弯曲变化，它将改变土压力按三角形分布的形状。大部分基坑围护工程中，土体未达到极限状态。土体未达到一定量的位移，实际主动压力要比式2.2.21计算值大，而被动压力要比式2.2.22计算值小。实际设计中，常对由式2.2.22计算得到的被动土压力值作一折减，若基坑周围建筑不允许围护结构产生较大位移，主动土压力计算值可取静止土压力值与由式2.2.21计算值之间。土的静止土压力系数K0值由下式计算；K0=1-sinφ’(2.2.23)为了考虑挡土结构弹性变形对土压力的影响，可采用“m”法进行验算。在“m”法中，作用在挡土结构上的力采用弹簧力模拟，每只弹簧的力不仅与土的基床系数有关，而且与该点位移有关。关于土压力计算的几点说明：(2)关于水土合算与水土分算的合理性在理论上尚未有明确结论。在工程实际上，不少工程师在计算中，对渗透系数较小的粘性土地基，采用水土合算计算土压力(包括水压力)，上式中的重度取饱和重度，土的强度指标取总应力指标。对渗透系数较大的砂土地基，采用水土分算，上式中的重度取有效重度，土的强度指标取有效应力指标。同时计算作用在支挡结构上的水压力，距地下水位距离为h’处水压力值Pw为：Pw=γwh’(3)对多层地基，计算参数可采用厚度加权平均值计算土压力，也可分层计算土压力。2）方法二：《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）规定的方法：①主动土压力计算：（a）对于砂性土、粉土及透水性好的杂填土按水土分算原则计算主动土压力：(b)对于粘性土按水土合算原则确定主动土压力：式中σai——作用于深度zj处的竖向应力标准值；mj——计算参数，当zjh时，取zj，当zjh时，取h；ηwa——计算系数，当hwa≦h时，取1，当hwah时，取零；zj——计算点深度；hwa——基坑外侧水深；cik——第i层土粘结力，由三轴固结不排水试验确定；Kai——第i层土主动土压力系数。γw——水的重度。waiwawajwajaiikaiajajKhmhzKcKe])()[(2aiikaiajajKcKe2②被动土压力计算：（a）对于砂性土、粉土及透水性好的杂填土按水土分算原则计算被动土压力：(b)对于粘性土按水土合算原则确定被动土压力：符号意义同上。wpiwpjpiikpipjpjKhzKcKe)1)((2piikpipjpjKcKe23.抗倾覆验算按重力式挡土墙计算绕前趾O点（图2-2-13）的抗倾覆安全系数。抗倾覆力矩MR有：（a）墙前被动土压力Pp及水压力对O点力矩；（b）水泥围护结构自重对O点力矩。倾覆力矩Ma有：（a）墙背主动土压力Pa及水压力对O点力矩；（b）地面荷载对O点产生的倾覆力矩。抗倾覆安全系数K1为：K1=MR/Ma(2.2.25)一般要求K1值不小于1.3（按《铁路路基支挡结构设计规范》2001）4.抗滑动验算验算围护结构沿底面OA产生滑动破坏的可能性。滑动力Fa为：作用在墙背上的主动压力Pa及水压力之和；抗滑力FR为：墙前的被动土压力Pp及水压力之和FR2及OA面上能提供的抗滑力FR1之和。FR1为：FR1=Wf+C0B抗滑动安全系数为：式中W——围护结构自重；B——OA界面宽度；f、C0——OA界面上摩擦系数及内聚力；aRRaRFFFFFK2125.墙体强度验算按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）规定：1）压应力验算：2）拉应力验算：式中γ——水泥土墙平均重度；W——断面抗弯模量，m3。γ0——基坑安全等级重要性系数；fc——水泥土开挖龄期抗压强度设计值；z——由墙顶至计算截面的深度；M——单位长度墙截面弯矩设计值，M=1.25γ0MckNm；Mc——截面弯矩计算值。cfWMz025.1cfzWM06.06.基坑抗隆起验算方法一（按墙体极限弯矩）：如图2-2-14所示，假定软土地基沿某圆柱面EF发生破坏和滑动，失去稳定的地基土绕圆柱面中心轴O转动，其滑动力矩Ma为：抗滑动力矩Mr为：抗隆起安全系数K3表达式为：式中q——基坑面上荷载，kPa；γ——土的重度，kN/m3；x,H——滑动面半径和基底深度m；Cu——地基土不排水抗剪强度kPa；一般要求K3不小于1.2。2)(2xHqMa20)(xCxdCxMuurHqCMMKuar237.整体稳定性验算《建筑基坑支护技术规程》建议采用圆弧滑动简单分条法计算，如图所示：式中ci、φi——最危险滑动面上第i土条滑动面上的粘聚力、内摩擦角；li——第i土条的弧长；bi——第i土条的宽度；Wi——第i土条的重力；αi——弧线中点切线与水平线夹角。最危险滑动面往往在挡土墙底下0.5~1.0m处，如土层差，还可能深一些。资料表明，整体稳定性条件是嵌入深度的主要控制因素。nininiiiiiiiiiiWbqtgwbqlc111000sin)(cos)(8.抗管涌验算抗管涌验算如图2-2-15所示，基坑土体最大可能的渗透压应力f为：式中i——水力梯度；γw——水的重度，kN/m3。抗管涌安全系数K5表达式为：式中w1——基底表面单元体重力w1=γ’×1×1×1；F——基底表面单元体受到的渗透压力F=f×1×1γ’——土的有效重度。由式2.2.35可得挡土墙插入基坑底深度d的表达式抗管涌安全系数K5一般不应小于1.5~2.5。wwdhhif2hdhfFwKw)2(''15)1'(25wKhd9.水泥土墙的变形计算1）“m”法（注册岩土工程师复习资料）挡墙被动土压力分布如图所示。将坑底以上的墙背土压力简化到挡墙坑底截面处（为M0、H0）,坑底以下墙体视为桩头有水平力H0和力矩M0共同作用的完全埋置桩，然后根据挡墙坑底以下墙身受力条件，计算墙坑底截面处的水平位移Y0和转动角θ0。Y0=H0δHH-M0δHMθ0=H0δMH-M0δMM式中δHH、δHM——分别为单位力、力矩引起的挡墙截面的水平位移；δMH、δMM——分别为单位力、力矩引起的挡墙截面的转角。①墙底支承于非岩石类土中且ahp≥2.5时，或墙底支承于基岩ahp≥3.5时②墙底支承于非岩石类土中且ahp＜2.5时，或墙底支承于基岩且ahp＜3.5时00203111CaEIBEIaAEIaMMMHHMHH])()()()([1])()()()([1])()()()([124422443244234432442344324423443224423443244234433BABAKBABACACAKCACAaEIBABAKBABADADAKDADAEIaBABAKBABADBDBKDBDBEIahhMMhhHMMHhhHH③作用在坑底处挡墙截面上的力矩M包括坑底以上的墙背上压力产生的力矩M0和坑底以上的墙体自重产生的力矩Mw1，当M0时，略去力矩对位移的影响，此时Y0=H0δHHθ0=H0δMH墙顶位移：式中a=mb1/EIE——水泥土搅拌桩弹性模量；mv——墙底土的地基系数；I——挡墙截面的惯性距I=B3b1/12b1——挡墙计算单元长度，一般取b1=1.0m；m——地基土水平抗力沿深度墙长的比例系数；A0、B0、C0——无量纲系数。A、B、C、D——无量纲系数，按ahp查《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）)533(723121100HHHEIqHHYYa2.2.6施工单轴、双轴深层搅拌机械，喷浆、喷粉深层搅拌法，各自都有一定的优势。一般采用：处理低含水量地基土用喷浆，高含水量地基土（淤泥）用喷粉。处理民用住宅的条基采用单轴比较灵活，应用于围护结构、防渗帷幕特别是在搅拌形成水泥土块体时，双轴比单轴有优势。2.2.7质量检测高压喷射水泥水灰比宜为1.0~1.5。切割搭接宽度应符合下列规定：旋喷固结体不宜小于150mm；摆喷固结体不宜小于150mm；定喷固结体不宜小于200mm；水泥土桩应在施工一周内进行开挖检查或采用钻孔取芯等手段检查成桩质量，若不符合设计要求，应及时调整施工工艺。水泥土墙应在设计开挖龄期采用钻芯法检测墙身完整性，钻芯数量不宜小于总桩数的2%，且不应少于5根；并应根据设计要求取样进行单轴抗压强度试验。2.3强夯法和强夯置换法2.3.1概述强夯法是使用吊升设备将很重的锤（一般为100～600kN）起吊至较大高度（一般为6～40m）后，使其自由落下，产生巨大的冲击能量（600～10000kNm）作用于地基，给地基以冲击和振动，从而在一定范围内使地基的强度提高，压缩性降低，改善地基的受力性能。强夯法适用条件：1.强夯法适用于加固碎石土、砂土、低饱和度的粘性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等地基。通常认为强夯法只使用于塑性指数Ip≤10的土。2.对于淤泥和淤泥质土结构强度破坏后，土体强度恢复很慢，甚至难于恢复。土体渗透系数小，超孔隙水压力极难消散，故不宜采用强夯法加固。3.强夯置换法在地基中设置碎石墩，并对地基土进行挤密。强夯置换法使用范围较广。2.3.2强夯法和强夯置换法加固原理1.强夯法加固基本原理：土层在巨大的强夯冲击能作用下，土中产生了很大的应力和冲击波，致使土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围一定深度内产生裂隙形成良好的排水通道，使土中孔隙水（气）顺利溢出，土体迅速固结，从而降低此范围内土的压缩性，提高地基承载力。有资料显示，经强夯的粘性土，其承载力可增加100%～300%，粉砂土可增加200%～400%。1)饱和土的加固机理传统的饱和土固结理论为Terzaghi固结理论：认为饱和土是二相土，假定水和土粒本身是不可压缩的，固结就是土体孔隙体积的缩小和孔隙水的排出。饱和土在冲击荷载的作用下，水不能及时排除，故土体积不变而只发生侧向变形，因此夯击时饱和土造成侧面隆起，重夯时形成“橡皮土”。强夯时则不同，Menard认为：饱和土并非二相土，二相土的液体中存在一些封闭气泡，约占气体总体积的1%～3%，在夯击时，这部分体积可压缩，认为饱和土是可压缩的。他还提出了一个新的动力固结模型。Menard动力固结理论及模型概述：①饱和土的压缩性（液体的可压缩性）：强夯时土体中封闭气泡体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体体积有所膨胀，孔隙水排出，液相、气相体积减小，即饱和土