单一墙的设计

10　地下连续墙结构设计

本章导读:

●内容　地下连续墙的概念、特点和适用条件;地下连续墙的施工方法;地下连续墙设计的常用计算方法。

●基本要求 了解地下连续墙的概念、特点和适用条件;掌握地下连续墙设计的常用计算方法和计算内容。

●重点　地下连续墙设计的常用计算方法和计算内容。

●难点　地下连续墙设计的常用计算方法

10.1　概 述

地下连续墙,是指利用挖槽机械,借助于泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的沟槽,并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗(水)、挡土和承重功能的连续的地下连续墙体。

地下连续墙施工方法(又称槽壁法),是近30年来在基础工程和地下工程中蓬勃发展和广泛应用的一项新技术。随着生产的发展,工程结构物逐渐增多,施工条件也日益严格和复杂。采用传统的施工方法(例如明挖、桩基、沉井等施工方法),不仅土方工程量大,有时还会遇到很多困难。例如,有的新建或扩建工程,由于四周临街或同现有建筑物紧相连接,无法放坡开挖,有的工程由于地基比较坚硬难于打桩,有的工程由于地基比较松软,打桩会影响邻近建筑物的安全,还有的工程由于水文地质和工程地质条件的限制,难于设置井点排水等。为了解决工程中的种种问题,以适应生产建设的发展,近三十年来,国外在基础工程和地下工程中成功地采用了地下连续墙。特别在上述场合中,对于解决施工困难、节省土方工程、降低工程造价和加快施工进度都发挥了很大作用。

1950年,地下连续墙首次应用于意大利的米兰水坝工程中。

我国的水电部门于1958年开始,在山东青岛月子口水库工程中采用这种技术修建防渗墙,随后又在北京、云南、贵州、广东、广西、甘肃、吉林、江西等省市,50多项工程中采用地下连续墙技术,取得了良好的技术、经济效果。近期在城市基坑工程中得到普遍应用。如北京王府井宾馆(基坑深度16.0 m,墙厚0.6 m,深20 m),上海金茂大厦(基坑深度15.0 m,墙厚1.0 m,深36 m),杭州地铁东站项目(基坑深度27 m,墙厚1.0 m,深54 m)等。

10.1.1　地下连续墙的施工方法

所谓地下连续墙的施工方法,就是连续施工的方法,即在地面上用一种特殊的挖槽设备,沿着深开挖工程的周边(例如地下结构的边墙),依靠泥浆(又称稳定液)护壁的支护,开挖一定槽段长度的沟槽,再将钢筋笼放入沟槽内。采用导管在充满稳定液的沟槽中进行混凝土现场浇筑。由于现浇混凝土由沟槽底部逆行向上抬起并充满沟槽,即把稳定液置换出来。相互邻接的槽段,由特别接头(施工接头)进行连接,施工程序如图10.1所示。

这个方法的特征是始终充满着特殊液体作为沟槽的支护。最初使用的是膨润土和水的溶解物(又称:如触变泥浆、泥浆、稳定液、安定液等)。最近为了增加稳定液的机能和防止其机能的降低,不仅使用膨润土,而且还投入一些添加物组成混合液,但这种混合物仍简称稳定液或泥浆。用这种在泥浆中建筑成的地下连续墙,是能达到钢筋混凝土构件所需要强度的。

图10.1　地下连续墙施工工序示意图

10.1.2　地下连续墙的特点及适用场合

在土质地层采用该法修建工程,是近年来的发展。它具有下述主要优点:

①施工时对环境影响小,特别在软土地层施工时没有噪声、无振动、不必放坡、省去支模、有时甚至可免去井点排水装置。

②可紧邻相邻的建筑和地下设施施工,对相邻工程结构和地下设施影响极微。

③墙体刚度大,整体性好,结构和地基变形都较小,既可用于超深围护结构,也可用作主体结构,具有多功能,适用多种用途。

④对地面交通影响较小。

⑤适用于多种地质情况。

⑥单体造价有时可能较高,但在密集建筑群的城市中采用该法,可减少对附近建筑物的加固费用。这样,其总造价可能反而降低。

⑦连续墙为整体连续结构,耐久性和抗渗性好。

⑧可实行逆作法施工,有利于施工安全,加快施工进度。

尽管如此,其缺点也十分明显,主要体现在以下几个方面:

①对于岩溶地区中含承压水头很高的砂砾层或很软的黏土(尤其是地下水位很高时),如不采用其他辅助措施,目前尚难于采用地下连续墙工法。

②如施工现场组织管理不善,可能会造成现场潮湿和泥泞,影响施工的条件,而且要增加对废弃泥浆的处理工作(这也是这种施工法的特征)。

③如施工不当或土层条件特殊,可能出现不规则超挖,若不采用预制墙板,则会给后来的墙面工作带来麻烦。此外还有可能出现相邻单元墙间不能对齐的问题。

④现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙,如果对墙面要求较高,虽可使用喷浆或喷砂等方法进行表面处理或另行衬壁来改善,但也增加工作量。

⑤地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构,不如采用钢板桩尚可拔出重复使用来得经济。

关于地下连续墙的适用场合,因地下连续墙既能用作截水防渗也能用以挡土承重,既可用作临时性措施也可用作永久性结构,故适用场合较广泛。如:建筑物的地下连续墙和其他构筑物;地下停车场、地下街道;地下铁道;盾构用的竖井以及其他用途用的竖井;污水处理场,净水场、泵房;市政隧道,各种涵管;防护墙、水坝伪防渗墙;岸壁、护岸、码头加固;船坞、船闸;地下油罐;桥梁基础;原子能电站等。归纳起来有以下适用场合:

①基坑深度大于10 m。

②软土地基或砂土地基。

③在密集的建筑群和重要的地下管线条件下施工,对基坑工程周围地面沉降和位移值有严格限制的地下工程。

④围护结构与主体结构相结合,对抗渗有严格要求时。

⑤采用逆作法施工,内衬与护壁形成复合结构的工程。

10.2　地下连续墙挡土墙设计

在早期地下建筑中,地下连续墙一直是用来建造单纯的防渗墙或临时挡土墙。但由于施工方法和施工机械的发展和改进,逐渐用于主体结构。

地下连续墙的设计一般包括:槽壁稳定及槽幅设计、槽段划分、导墙设计、连续墙内力计算及配筋设计,连续墙接头设计等内容。其中连续墙接头设计单独在10.4节中详述。

地下连续墙设计计算的主要内容包括以下几方面:

①确定荷载,包括土压力、水压力等。

②确定地下连续墙的入土深度。

③槽壁稳定验算。根据已选定的地下连续墙入土深度,假定槽段长度,即可进行槽壁稳定验算。

④地下连续墙静力计算。

⑤配筋计算,构件强度验算,裂缝开展验算,垂直接头计算。

10.2.1　荷载

地下连续墙的荷载包括施工阶段及使用阶段两个阶段的荷载。施工阶段的荷载主要指基坑开挖阶段的水、土压力,地面施工荷载、逆作法施工时的上部结构传递的垂直承重荷载等。作为主体结构一部分的地下连续墙结构还要承受使用阶段的荷载,包括使用阶段的水、土压力,主体结构使用阶段传递的恒载和活载等。作为挡土为主的结构,地下连续墙主要承受水平方向的水、土荷载,因此确定地下连续墙施工及使用阶段的水、土压力大小是荷载确定的关键。地下连续墙的位移与土压力的分布如图10.2所示。

图10.2　地下连续墙的位移与土压力的分布

地下连续墙的计算理论是从古典的假定土压力为已知,不考虑墙体变形,不考虑横撑变形,逐渐发展到考虑墙体变形,考虑横撑变形,直至考虑土体与结构的共同作用,土压力随墙体变化而变化,现将方法综合于表10.1。

表10.1　地下连续墙计算方法综合表

一般墙体变位δ、基坑深度H与土压力取值的关系如表10.2所示。

表10.2　墙体变位δ、基坑深度H与土压力的关系

10.2.2　槽幅设计

槽幅是指地下连续墙一次开挖成槽的槽壁长度。槽幅设计的内容包括槽壁长度的确定及槽段划分。槽壁长度最好与施工所选用的连续墙成槽设备的尺寸(抓斗张开尺寸、钻挖设备的宽度等)成模数关系,最小不得小于一次抓挖(钻挖)的宽度,而最大尺寸则应根据槽壁稳定性确定。

目前常用的槽幅为3～6 m。地层稳定性越好,槽幅可设计得越长,但考虑到施工工效及槽壁稳定的时效,一般不超过8 m。

1)槽壁稳定性验算

泥浆护壁槽壁稳定的计算是地下连续墙工程的一项重要内容,主要用来确定在深度已知条件下的设计分段长度。

槽壁稳定性验算的方法有理论分析及经验公式法两种,理论计算一般采用模形体破坏面假定,计算相对繁琐,工程中应用较多的是经验公式。下面主要介绍两种经验公式法。

(1)梅耶霍夫(G.G.Meyerhof)经验公式法

梅耶霍夫提出以下根据现场试验获得的公式。

开挖槽段的临界深度H cr为

槽壁的坍塌安全系数F s按下式计算:

开挖槽壁的横向变形Δ按下式计算:

对于黏土,当μ= 0.5时,式(10.4)可写成:

(2)非黏性土的经验公式

对于无黏性的砂土(c= 0),安全系数可由下式求得

从式(10.6)可见,对于砂土没有临界深度,F s为常数,与槽壁深度无关。

2)槽段划分

槽段划分应结合成槽施工顺序、连续墙接头形式、主体结构布置及设缝要求等来确定。由于槽段划分确定了连续墙接头位置,因此该位置应避开预留钢筋或接驳器位置,并应尽量与结构缝位置吻合。另外还应考虑地下连续墙分期施工的接头预留位置的影响等。在采用公母槽段前后连续相接的连续墙施工中,往往第一副槽段的确定较为重要。连续墙成槽施工顺序如图10.1所示。

图10.3　导墙示意图

10.2.3　导墙设计

导墙是指地下连续墙开槽施工前,沿连续墙轴线方向全长周边设置的导向槽。

导墙一般采用“┓┏”形现浇钢筋混凝土,厚度一般为200～300 mm。

混凝土一般采用C20。导墙深度以墙脚进入原状土不小于300 mm为宜,墙顶面需高出地面100～200 mm,防止周围的散水流入槽段内。宽度要求大于地下连续墙的设计宽度50 mm,形式如图10.3所示。

10.2.4　连续墙深度及厚度的初选

1)连续墙深度的确定

连续墙深度由入土深度决定。连续墙入土深度(基坑底以下深度)与基坑开挖深度的比值称为入土比。

地下连续墙的入土深度一般根据基坑围护结构的稳定性验算方法,预先根据经验假定一个入土比进行反复试算,直至满足基坑稳定性要求即可。根据工程经验,连续墙入土比依地质条件不同一般取为0.7～1.0。

连续墙入土深度也可先由以下两种古典稳定判别方法直接计算得到一个初值,然后通过基坑稳定性验算最终确定合理的入土比。

(1)板柱底端为自由的稳定状态(图10.4)

所谓自由的稳定状态,就是板桩底端刚从自由(入土深度过小)变为稳定状态。板桩在T、E a、E p三力作用下达到平衡。式中:E a为主动侧土压力的合力,E p为被动侧土压力的合力。通过两个平衡方程ΣX= 0,ΣM= 0,即可求得两个未知数:支承轴力T,板桩入土深度D。

图10.4　板柱底端为自由

(2)板桩底端为嵌固的稳定状态

所谓嵌固的稳定状态,就是当板桩的入土深度较大或底端嵌入坚硬地层,底端达到嵌固程度时的稳定状态。

对于悬臂式板桩,其变形曲线如图10.5虚线所示,此时E a和E p1组成力偶,不能平衡,必须设想在底端作用着一个向左的力E p2,这样未知量有两个:E p1和D,用两个平衡方程式即可求出。

图10.5　板桩底端为嵌固的稳定状态(悬臂式板桩)

图10.6　板桩底端为嵌固的稳定状态
(有撑或锚的板桩)

对于有撑或锚的板桩,其变形曲线有一反弯点Q,如图10.6所示。此时,未知量有3个,即T,D,E p2,而可以利用的平衡方程式只有两个。这种板桩的求解最有代表性的解法之一就是弹性曲线法,即:首先假定一个入土深度D,板桩底端为固定,在土压力(假定为已知)作用下,按梁的理论画出板桩挠曲线,检验算点反力T的作用点的变位是否与实际变位一致。为简单计,可把T的变位当作零。如果发现挠曲线在T点不等于零,则需重新假定D,再求出挠曲线。经反复试算,直到挠曲线在T点的变位为零为止。这种弹性曲线法计算过程繁琐,实际计算常采用弹性曲线法的近似计算法。其中有一种称为假想梁法,即找出弹性曲线的反弯点Q的位置,认为该点的弯矩为零,于是把板桩分为二段假想梁,即上部为简支梁,下部为一次超静定架,如图10.7所示,于是板桩的内力就可以求得。

图10.7　假想梁法

2)连续墙厚度的确定

连续墙厚度应根据连续墙不同阶段的受力大小、变形及裂缝控制要求等来确定。连续墙的厚度根据国内现有施工设备条件,常用尺寸有600,800,1 000,1 200 mm等。连续墙结构设计计算前可以根据工程经验预先设定,一般为基坑开挖深度的3%～5%。最终应由结构计算、复核结果来决定。

10.2.5　结构计算

地下连续墙结构计算与其他围护结构计算类似,需要对开挖过程不同阶段工况进行计算。从连续墙结构计算理论的发展过程来看,以下一些经典的计算方法是后来发展起来的一些方法的基础。

1)弹性法

计算图式如图10.8所示。墙体作为无限长的弹性体,用微分方程求解,主动侧的土压力为已知,但入土面(开挖底面)以下只有被动侧的土抗力,土抗力数值与墙体位移成正比。

同济大学曾将上法进行局部修改,其不同的是考虑了入土面以下主动侧的水、土压力,如图10.9所示的基本假定是:

①墙体作为无限长的弹性体。

②已知水、土压力,并假定为三角形分布。

③开挖面以下作用在墙体上的土抗力,假定与墙体的变位成正比例。

④横撑(楼板)设置后,即把横撑支点作为不动支点。

⑤下道横撑设置以后,认为上道横撑的轴向压力值保持不变,其上部的墙也保持以前的变位。

(1)符号规定

y——墙体变位,m;

k h——侧向地层压缩系数, kN/m3;

图10.8　计算简图　

图10.9　基本假定图示

E——墙体的弹性模量, kN/m3;

I——1 m延长(水平方向)墙体的截面惯矩,m4;

E s= k h·B——土横向弹性模量, kN/m3;

B——墙水平长度,取为1 m;

η——水、土压力斜率。

(2)公式推导

①弹性曲线方程的建立。

a.在第k道横撑到开挖面的区间(- h kk≤X≤0)。

b.在开挖面以下的弹性区间(x≥0)。

4

●非齐次方程的特解:

令y2.1=Px+R,代入方程(10.11)中

得:

因为 当X=∞时,eβx,cosβx、sinβx不可能为零,而H和w= 0,

所以 非齐次方程的通解为:

其中:

待定系数的求解:

连续条件x= 0处,y1= y2,y′1= y′2

弹性曲线的最终形式:

(- h kk≤X≤0)区间:

X≥0区间:

(3)本法的计算步骤

①第一次开挖时,第一道横撑支点作为不动支点,即取δ1= y1= 0(也可用结构力学原理求出第一道横撑支点的变位),用公式(10.23)求第一道横撑的轴向压力N1以及用公式(10.22)求第二道横撑预定位置的变位δ2。

②第二次开挖时,把N1及δ2作为定值,用公式(10.23)求第二道横撑的轴压力N2,以及用公式(10.22)求第三道横撑预定位置的变位δ3。

③第三次开挖时,把N1、δ2及δ3作为定值,用公式(10.23)求第三道横撑的轴压力N3,以及用公式(10.24)求第三道横撑预定位置的变位δ4。

以下即重复计算。

现举例说明本法的应用。

地层条件:γ=18 kN/m3;φ=14°;c=7 kN/m3,kh=20 000 kN/m3,

E s= k n×1=2 kg/cm3×100 cm=200 kg/cm3=20 000 kN/m2(相当于松砂)。

结构条件:地下连续墙厚80 cm

开挖深度、支撑数目及间隔同前例。水、土压力图总斜率也相同,有η= 14.7,如图10.10所示。

单支撑:

图10.10　水土压力计算图式

利用式(10.26)得:

利用式(10.23)求得:

利用式(10.22)求得第二道支撑预定位置的变化δ2(此时以x= 0代入各式):

利用式(10.22)求得:

用式(10.22)求第三道支撑预定位置的变位δ3(此时以x= 0代入各式),有

同理继续计算到四道支撑得:

2)支护内力随开挖过程而变化的计算方法

这类方法对每一开挖过程结束以后均未作轴向力与弯矩不变的假设,也就是说,自上而下的各道横撑轴力及墙体弯矩均随开挖工程,支撑工程的进展而不断发生变化。该法基本要点是:

①考虑支撑的弹性变位,用弹簧表示支撑。

②主动侧的土压力可用实测资料,并假设为坐标的二次函数。

③入土部分为已达到朗金被动土压力的塑性区及土抗力与墙体变位成正比的弹性区。

④墙体作为有限长,前端支承可以是自由、铰接、固定。

(1)变位符号规定

①区间:yi=δi+ gi。

式中 yi——支撑在i点之变位;

δi——支撑在i点安装前之变位;

gi——支撑在i点安装后之变位。

②区间:变位为y p。

③区间:变位为y c。

(2)弹性曲线方程的建立

①区间:

其中,0≤xi≤hi;i= 1～(K+1);K=支撑数,未知量为Ai,Bi,Ci,Di,共4(K+ 1)个。

②区间(开挖面以下主动土压力为定值):

未知量为4个:E1、E2、E3和E4。

其余未知量尚有:gi(支撑安装后的变位量)K个,以及②区间长度l。

此法的总未知量为:总未知量=(K+1)+4+4+ K+ 1=(5K+13)个。但利用(5K+ 13)个边界条件和连续条件,即可达到完全的解答。

①区间:

②区间:

③区间:

3)共同变形理论简介

以往均是把墙体作为被动部分,单纯地用来抵抗土压力,而没有考虑到墙体对土压力的影响作用。日本的森重龙马提出了墙体变位对土压力产生增减的计算方法,称为共同变形理论。如图10.11(a)所示,表示地下连续墙完全没有位移时,在墙两侧均作用着静止土压力P0,如图10.11(b)所示,表示墙体在外力作用下发生了变形,假如墙上某一点m的水平变位为δ,那么在主动侧作用于m点的土压力从P0变为P p(= P0- k hδ)。被动侧m点的土压力从P0变为P a(= P0+ k hδ)。其中k h为地层侧向压缩系数。不论δ为何值,均应符合下列条件:

被动侧 P a=P0+ k hδ≤P p(被动土压力)

主动侧 Pβ=P0+ k hδ≥P a(主动土压力)

以第一次开挖结束时悬臂结构的计算顺序说明森氏的计算方法,如图10.12所示。当第一次开挖结束时,静止土压力变成如图10.12(a)所示的状态,被动侧的静止土压力小于主动侧的静止土压力。在这一荷重状态下求出墙体的变位δ,如图10.12(b)所示,然后根据变位计算主动侧与被动侧的土压力,如图10.12(c)所示。按P a与Pβ不能大于被动土压力与小于主动土压力的条件,对土压力进行修正,修正后的土压力如图10.12(d)所示。把这作为土压力的第一次近似值,重复进行图10.12(b)～(d)的计算,直到按图10.12(d)算得的土压力与前次算得的土压力之差可以忽略为止。最后,在这个最终与墙体变位协调的土压力作用下,计算出墙体的内力,以此作为第一次开挖结束时的内力值。

图10.11　地下连续墙土压力分布

图10.12　基于共同变形理论的土压力计算方法

关于横撑设置以后的计算原理,亦大体上与上述相同。森氏另外采用了考虑支撑变形的杆件系统的有限单元法进行计算。

地下连续墙结构计算理论目前正在深入研究、发展阶段。国内已有许多单位利用有限单元法进行地下连续墙的结构计算。有些单位正在进行室外实地试验和室内模拟等试验。

4)有限单元法

有限单元法是目前最常用的数值分析法,它是用有限个单元的集合体代替无限多个单元的连续体,作物理上的近似。具体做法是,先将结构划分为单元,写出单元各节点,以位移为未知数的刚度矩阵方程。随后以地基土作为脱离体,建立柔度矩阵,并对其求逆后所得的地基刚度矩阵与结构刚度矩阵耦合,从而求得结构单元各节点的位移值。于是结构的内力迎刃而解。

有限单元法目前已成为研究土的结构相互共同作用问题的一个强大分析工具,并已成功地在国内外用于分析地下连续墙结构。其突出的优点是:可以反映地下连续墙在各种边界条件、初始状态、结构外形以及不同的施工阶段,不同的介质条件下的墙体内力与变形。有的有限单元分析方法还可考虑结构的空间作用,土层介质的各向异性与非线性等比较复杂的情况。按结构和单元形状,划分不同,目前在地下连续墙结构分析中应用得较普遍的有限单元法有以下几种:

(1)弹性地基杆系有限单元法

这是一种最通用的有限单元分析方法,一般将基坑底面以上的墙体理想化为单位墙宽的梁单元,将入土部分墙体作为文克勒弹性地基梁,其水平向基床系数沿深度的变化可以是线性的,也可以是常数值或其他假想的图形。将水平支撑,各种斜度的锚杆,墙顶的水平框架梁、帽梁等作为弹性支承的杆件,这些弹性杆件的单元截面可换算成单位长度的截面面积,从而将整个地下连续墙工程当作平面结构来分析。悬臂式、单锚式、多层横撑式、多锚式、格形的挡土结构,都可简化为平面结构应用此法分析。前述的弹性法与森重龙马的共同变形理论法都可应用杆系有限单元法来分析。

(2)弹性地基薄板有限单元法

一般将基坑底面以上的墙体理想化为薄板弯曲单元,将入土部分墙体作为文克勒弹性地基上的薄板单元。薄板单元可为各向同性,也可为各向异性;支撑或锚杆可作为附加直杆单元。该法可适用于地下连续墙与梁、板、柱等组合结构分析。

(3)弹性地基薄壳有限单元法

该法系将地下连续墙及上部结构作为由三角形薄板单元组成的平面或空间壳体,将文克勒弹性地基(被动侧土体)和其他杆件理想化为与壳体单元节点相连的附加“弹簧”单元。这种方法适用于结构布置和受力条件比较复杂的地下连续墙工程。

(4)二维有限单元法

该法的最大优点是不必事先对墙后的土压力作出假定,较好地反映了土体与结构的共同作用,主要是对深基坑开挖中影响坑周地层移动的因素——地层特性、支护结构、分步开挖工况及基坑几何形状等进行模拟,以研究坑周土体在开挖支撑过程中的位移规律。目前一般是用二维有限元分析法研究基坑坑底和墙后土体在横向的位移以及地下连续墙的墙体位移。

10.3　地下连续墙兼作外墙时的设计

把地下连续墙用作主体结构物的一部分来设计时,必须验算如下两种应力:在结构物完成之后,作用在墙体上的土压力、水压力以及作用在主体结构物上的垂直、水平荷载等产生的应力;在施工阶段,由作用在临时挡土墙上的土压力、水压力产生的应力。

当地下连续墙用作主体结构物的一部分时,其设计方法因地下连续墙与主体结构物的结合方式不同而有差别。

下面介绍主要的结合方式和与之相应的设计计算方法。

10.3.1　单一墙的设计

单一墙就是把地下连续墙直接用作地下结构物垂直边墙的一种结构形式。

一般来说,临时挡土墙的横撑与主体结构的水平构件不在同一位置上,而且,由于横撑的支撑方式与主体结构和地下连续墙的结合状态不同,所以施工时的地下连续墙应力与主体结构物完成之后的地下连续墙应力不同。

单一墙在施工期、刚竣工时以及经过长时间之后,作用在地下连续墙背面的土压力及其内力状况,如图10.13所示。

图10.13　作用在单一墙上的荷载与弯矩

刚竣工时的地下连续墙应力是施工期间地下连续墙应力与竣工之后由作用在主体结构(包括地下连续墙在内)上的外力产生的应力之和。竣工之后作用在主体结构物上的外力有:作用在横撑上的荷载、回填土的土压力、回填土及板的自重、地面活荷载等。

经过长时期以后,土压力和水压力已从施工期间的状态回复到稳定的状态,此时地下连续墙的应力与竣工时的应力有所不同,因此要对地下连续墙应力的增减进行验算。这时,不考虑因墙体位移而产生的土压力的变化。

在进行地下连续墙与主体结构物结合后的应力计算时,有时还需要对地下连续墙与主体结构物因温差和干燥收缩引起的应力或蠕变的影响等进行验算。

10.3.2　重合墙的设计

重合墙是把主体结构的垂直边墙重合在地下连续墙的内侧,在内外墙之间填充隔绝材料使之不传递剪力的结构形式。

这种结构形式可以随地下结构物深度的增大而增大内墙的厚度,即使是在地下连续墙的厚度受到限制时,也能承受较大的应力。

因为施工期间、刚竣工时和经过长时间之后的作用在墙体上的外力是不同的(图10.14),所以必须分开加以验算。

图10.14　作用在重合墙上的荷载与弯矩

刚竣工时的地下连续墙应力,是施工期间墙体应力与竣工之后由作用在主体结构(包括地下连续墙)上的外力产生的应力之和。实际上地下连续墙与主体结构是分离开的,应该按地下连续墙(作为连续梁)与主体结构相接触的状态来进行结构计算。但由于这种计算方法极为复杂,所以对于结合之后产生的应力,一般是先计算地下连续墙与地下主体结构边墙的截面面积及其截面惯矩,然后按刚度比例分配截面内力,即:

经过长时期之后的土压力按静止土压力计算。

10.3.3　复合墙的设计

复合墙是把地下连续墙与主体结构的垂直边墙做成一个整体,即把地下连续墙的内侧凿毛并用剪力块将地下连续墙与主体结构物连接起来,这是一种在结合部位能够承受剪力的结构形式。

复合墙和单一墙一样,在施工期间、刚竣工时以及经过长时期之后的应力都各不相同。施工期间、竣工后和经过长时期之后的外力及内力状况如图10.15所示。复合墙竣工后的应力分布情况如图10.16所示。此时,地下连续墙施工期间的应力已达到某一程度,对于增加应力已很少余地,如果应力再增加,地下连续墙就有随时受到破坏的可能。为了防止这种破坏的产生,必须增加内墙的厚度,提高内墙对外墙的刚度比。但必须注意到新旧混凝土之间干燥收缩不同而产生的应变差会使复合墙产生较大的应力。

另外,复合墙也和单一墙或重合墙一样,会由于横撑位置和水平构件的位置不同而引起应力的变化或发生温度应力、收缩变形应力等。在混凝土的温度变形、蠕变、收缩变形等问题上,当前还有许多未确定的因素,很难进行明确的计算,因此对于重要的结构物,需根据试验及其他方法进行充分的探讨研究。

10.3.4　分离墙的设计

分离墙是在主体结构物的水平构件上设置支点(根据情况,也有时设在垂直边墙的中间),把地下连续墙作为该支点上的连续梁,用以抵抗外来压力。产生在分离式地下连续墙上的应力也与其他形式的地下连续墙一样,在施工期间、刚竣工时以及经过长时间之后都是不相同的(图10.17)。

分离式地下连续墙是以把支点设置在主体结构水平构件的位置上为原则,但是,外墙的强度不足时,要适当选择内墙的刚度及强度,并在水平构件位置之间设几个中间支点,即可补充外墙的强度。

图10.15　作用在复合墙上的荷载与弯矩

图10.16　复合墙上的应力分离墙的设计

10.3.5　地下连续墙承重墙设计

除按一般的结构计算方法,根据上部传下的荷载进行内力分析和截面计算之外,地下连续墙作为地下结构的承重墙,要解决的关键问题之一是无桩的地下连续墙与有桩的地铁车站底板的变形协调和基本的同步沉降。变形协调问题目前在我国还属于有待深入研究探讨的问题,现今采用的设计方法之一是根据群桩设计理论,把地下连续墙模拟折算成工程桩的方法,即把地下连续墙的垂直承载能力,通过等量代换计算方法,将地下连续墙模拟折算成若干根工程桩,布置在基础底板的周边上,将桩、土、底板三位一体视为共同结构的复合基础,利用有关计算机程序,来计算底板的内力、桩端轴力以及总体沉降。在进行地下连续墙和工程桩的等量代换时,可参考混凝土灌注桩设计规范计算地下连续墙的壁侧摩阻力和端阻力。根据以往研究和工程观测,发现地下连续墙的壁侧摩阻力与土层性质和端阻力之间存在着相互影响的关系,端阻力的大小会影响到壁侧摩阻力的发挥和分布。一般在加荷初期,荷载大部分由壁侧摩阻力承担,传递到墙底的荷载很小,当壁侧摩阻力达到极限后,墙顶荷载在增加则主要由端阻力承担。当壁侧摩阻力达到极限时,端阻力约占荷载的20%～40%。并且一般壁侧摩阻力全部发挥,需要的位移较小;而端阻力全部发挥,则需要较大的位移。

图10.17　作用在分离墙上的荷载与弯矩

施工过程中,随着挖土的加深、墙体位移及土压力的变化,壁侧摩阻力会有所降低。

在逆作法施工过程中,实际存在地下连续墙、工程桩、地下室结构和上部结构(采用封闭式逆作法时)的共同作用问题,应通过该复合结构的沉降计算,来控制施工进度。通过上海一些采用逆作法施工的工程的观测,发现在施工初期,上述复合结构的中心沉降较大,周边沉降较小,地下连续墙的沉降小于中间工程桩的沉降。而随着地铁车站结构及上部结构施工的进展和结构刚度的增大,地下连续墙和中间工程桩的沉降均随之增大,但差异沉降变化不大。

10.4　地下连续墙接头设计

地下连续墙的接头形式较多,可分为两类:施工接头和结构接头。施工接头是浇注地下连续墙时连接两相邻单元墙间的接头,包括直接连接构成接头、使用接头管建成的接头、使用接头箱建成的接头、用隔板建成的接头、用预制构件建成的接头;结构接头是已竣工的地下连续墙与地下结构其他构件(梁、柱、楼板)相连接的接头,包括直接连接成的接头和间接连接成的接头,其中间接连接成的结构又包含铁板媒介连接和剪刀块连接。

10.4.1　施工接头

施工接头应满足受力和防渗的要求,并要求施工简便、质量可靠。但目前尚缺少既能满足结构要求又方便施工的最佳方法,对各种接头的评价也少定论。

(1)直接连接构成接头

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触的混凝土改造成凹凸不平的连接面,再浇灌混凝土形成所谓“直接接头”(图10.18)。而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。但难以清除干净,故受力与防渗性能均较差。

1—一期工程;2—二期工程;3—钢筋;4—接缝
图10.18　直接接头

1—倒槽;2—混凝土墙;3—开挖地段;4—未开挖地段;5—连锁管;6—钢筋笼; 7—混凝土浇筑;8—连锁管拔出后的孔洞
图10.19　使用接头管建成接头的施工工序

(2)使用接头管(也称锁口管)建成接头

一期单元槽段挖成后,于槽段的端头吊放入接头管,槽内吊放钢筋笼、浇灌混凝土,再拔出接头管,使端部形成半圆形表面,继续施工就能形成两相邻单元槽段的接头,施工程序如图10.19所示。这种接头形式因其施工简单,已成为当前使用最多的一种方法。

接头管大多为圆形,此外还有缺口圆形、带翼的及带凸棒的等(图10.20)。接头管的外径应不小于设计混凝土墙厚的93%以上。除特殊情况外,一般不用带翼的接头管,因为使用这种接头管时泥浆容易淤积,影响工程质量。带凸棒的接头管也很少使用。

图10.20　接头管形式

图10.21　使用接头箱建成接头的施工工序

(3)使用接头箱建成的接头

施工方法与接头管法相似。一期单元槽段挖成后即放下接头箱,再吊放下钢筋笼。由于接头箱再浇灌混凝土的一侧敞开,故可将钢筋笼端头的水平钢筋插入接头箱内(图10.21)。浇灌混凝土时,由于接头箱的长开口被焊在钢筋笼上的钢板所遮蔽,因而阻挡混凝土进入接头箱内。接头箱拔出后再开挖二期单元槽段,吊放二期墙段钢筋笼,浇灌混凝土形成接头,采用这种接头方法,可使两相邻单元墙段的水平钢筋交错搭接(虽然不及钢筋间直接绑扎或焊接),也能使墙体结构连成整体。

(4)用隔板建成的接头(图10.22)

用隔板建成的接头形式按隔板的形状可分为平隔板、V形隔板和棒形隔板;按水平钢筋的关系可分成搭接接头和不搭接接头。

1—钢筋笼(正在施工地段);2—钢筋笼(完工地段); 3—用化纤布覆盖;4—钢制隔板;5—连接钢筋
图10.22　用隔板建成接头的施工工序

(5)用预制构件建成的接头

用预制构件作为接头的连接件,按所用材料可分为钢筋混凝土接头,钢筋混凝土和钢材组合而成的接头,以及全部用钢材制成的接头如图10.23所示。

图10.23　用预制构件建成的接头　

图10.24　波形钢板接头

图10.24是日本大阪某工程所用的波形接头,他们认为这种接头适用于较深地下连续墙,而且对于受力和防渗都相当有效。

图10.25是英国首创的接头方法,这种接头借助钢板桩防水并承受拉力。

图10.25　钢板桩式接头　

图10.26　直接接头

10.4.2　结构接头

结构接头可分为直接连接和间接连接。

(1)直连接成的接头

直连接成的接头即在地下连续墙体内预埋钢筋(即加热并弯起原设计的连接钢筋)。待地下连续墙竣工后,开挖土体出露墙体时,再凿去顶埋钢筋处的墙面,将预埋筋再弯成原状与地下结构物其他构件的钢筋相连接(图10.26)。根据日本的资料,如果避免急剧加热并施工仔细的话,钢筋强度几乎不会降低。但由于连接处往往是结构薄弱环节,所以设计时留有20%的余地;另外,为便于施工,应采用不大于φ22的钢筋。

(2)间接连接成的接头

间接连接成的接头即通过焊接将地下连续墙的钢筋与地下结构物其他构件的钢筋相连接。这种接头又有钢板媒介连接(图10.27)与剪刀块连接(图10.28)两种。

图10.27　钢板连接接头　

图10.28　剪刀块连接接头

(3)钢筋接驳器连接接头

钢筋接驳器连接接头是利用在连续墙中预埋的锥螺纹或直螺纹钢筋(又称钢筋接驳器),采用机械连接的方式连接。这种方式方便、快速、可靠,是目前应用较广的一种方式。但接驳器的预留精度由于受到施工工艺及地层条件等的影响,不易控制,因此对成槽精度、钢筋笼制作、吊放等施工控制要求较高。

(4)植筋法接头

在很多情况下,由于预埋钢筋受到多种因素的限制,难以预埋,有时即使已经预埋,其位置可能偏离设计位置较大,以至无法利用,在这些情况下,通常可以采取在现场施工完的连续墙上直接钻孔埋设化学螺栓来代替预埋钢筋,称为植筋法。

为了保证结构连接质量,应沿地下连续墙四周将连接构件(楼板、梁等)进行加强处理,加配一些钢筋,同时在楼板、梁与地下连续墙接触面处设止水条,增强防水能力。有时也可在连接处设剪力键增强抗剪能力。

本章小结

(1)地下连续墙是指利用挖槽机械,借助于泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的沟槽,并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗(水)、挡土和承重功能的连续的地下连续墙体。

(2)地下连续墙的设计包括挡土墙设计和接头设计两大部分。挡土墙设计又包括:荷载的计算、槽幅设计、导墙设计以及连续墙深度和厚度的选择。

(3)地下连续墙根据其在工程中所发挥作用的不同可分为单一墙、重合墙、复合墙和分离墙和承重墙几类,每种类型其结构受力不同而导致设计计算有所差异。

(4)地下连续接头设计包括施工接头设计和结构接头设计。接头形式灵活多样,应根据工程特点合理选择和设计。

思考题

10.1　试述地下连续墙结构的优点及适用条件。

10.2　地下连续墙壁构包括哪些设计内容?

10.3　导墙作用是什么?如何确定导墙的深度与宽度?

10.4　地下连续墙结构作为围护结构和主体结构一部分的设计计算有何不同之处?

10.5　地下连续墙槽段划分的依据是什么?槽段长度对槽壁稳定性有何影响?

10.6　地下连续墙结构槽段间接头形式有哪几种?其适用条件如何?

10.7　作为主体结构一部分的地下连续墙结构与主体结构的连接有哪些方式?其各自特点及适用条件如何?