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​地下连续墙支护结构设计

futao 拆除工程 2019-04-26 638 0
川渝拆除17713551981

地下连续墙支护结构设计

地连墙支护结构设计应保证岩土开挖、地下结构施工安全。安全等级及结构的重要性系数,应根据支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工造成的影响严重性按表7-1选用。

地连墙支护安全等级及重要性系数表7-1地连墙支护结构应根据不同设计状态,按施工过程的不同工况进行作用效果组合。

一、地连墙基坑支护设计内容和规定

1.地连墙基坑及结构设计要求

地连墙基坑及结构设计在强度、稳定和变形三方面应满足下列要求:

(1)支护体系的方案技术经济比较和选型。

(2)支护结构的强度、稳定和变形计算。

地连墙支护安全等级及重要性系数表7-1

地连墙支护安全等级及重要性系数表7-1

(3)基坑内外土体稳定性计算。

(4)抗渗流稳定性计算。

(5)基坑降水、岩土开挖方法及要求。

(6)基坑施工过程监测要求。

2.支护结构设计规定

目前,在中国对地连墙应用于桥梁基础中还处于探索研究阶段,需要总结设计施工已有的宝贵经验,发展潜力很大。现行《公桥基规》新增一地连墙的设计内容,就指出了具体的设计规定要求,介绍如下:

(1)为了基坑的安全施工和坑底周围土体的稳定,地连墙必须插入基坑底面以下土中一定深度(又称嵌入深度)。可初步采用静力极限平衡法计算确定,在进行整体稳定性和墙体变形验算后,综合确定入土深度。

(2)特大桥基础施工采用地连墙支护结构需要设置支撑系统。支护结构的支撑必须采用稳定的结构体系和连接构造,刚度应满足变形要求。支撑设计应包括结构布置、结构内力和变形计算、构件强度和稳定性验算、构件节点设计及构件安装和拆除流程设计。土层锚杆(索)设计应包括结构布置、轴向承载力验算、土体稳定性验算。

(3)支护结构所产生的结构水平变形、地下水的变化对基坑周边环境与竖向变形的影响:对于安全等级为一级或对基坑周围环境变形有限定要求的二级基坑工程,应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定出支护结构的水平变形限值。

(4)地连墙的外侧压力作用应包括土压力、水压力、基坑周围建筑物及施工荷载引起的外侧压力等。黏性土的渗透性弱,可采用饱和重度,用总应力强度指标水、土合算的原则计算。但当支护结构与周围土层之间能形成水头时,应单独考虑水压力的作用。砂性土应按水、土分算原则计算。水压力可按静水压力计算,有经验时也可考虑渗流作用对水压力的影响。

3.墙体构造规定

(1)墙体的截面形式和分段长度应根据整体平面布置、受力情况、槽壁稳定性、环境条件和施工条件等确定。单元墙段长度可取4~8m。墙体厚度应考虑成槽机械能力由计算确定,不宜小于600mm。成槽竖直度不应大于1/200。

(2)墙体、支撑、环梁(含竖肋)及内衬的混凝土强度等级均不应低于C25。地连墙应满足防渗要求;当地下水具有侵蚀性时,应选择适用的抗侵蚀混凝土。

(3)墙体主筋净保护层厚度应根据使用要求、地质条件、施工条件和环境条件确定,不宜小于70mm。墙体的受力钢筋直径不宜小于20mm且不应大于40mm,构造钢筋直径不宜小于16mm。

(4)墙体单元槽段间可采用接头管接头。当整体性和抗渗性要求较高时,宜采用铣削接头、钢隔板或接头箱等接头形式。

(5)地连墙墙体钢筋笼的钢筋配置应满足结构受力和吊装要求。竖直主筋应放置在内侧,净距不应小于75mm,构造钢筋间距不应大于300mm。当必须配置双层钢筋时,内外排钢筋间距不应小于100mm。钢筋笼竖向接头位置应选在受力较小处。钢筋笼分幅长度应根据单元槽段长度、接头形式和起重设备能力等因素确定。钢筋笼底部在厚度方向宜适当缩窄,并与墙底之间宜留100~500mm的空隙;主筋应深入墙顶帽梁内,深入长度不应小于锚固长度。采用接头管接头时,钢筋笼侧端与接头管之间宜留150~200mm的空隙;采用铣削接头时,钢筋侧端与混凝土端面之间宜留不小于250mm的空隙。

(6)墙体顶部应设置混凝土帽梁,帽梁两侧应各宽于墙体不小于150mm。

(7)直线形地连墙的支撑可采用钢结构混凝土结构。现浇混凝土支撑的截面竖向高度不应小于其竖向平面计算跨径的1/20。腰梁的截面水平向尺寸不应小于其水平向计算跨径的1/8,截面竖向尺寸不应小于支撑的截面高度。锚杆(锚索)锚固体竖向间距不宜小于2.5m,水平向间距不宜小于1.5m。锚固体上覆土层厚度不宜小于4.0m。倾斜锚杆的倾角宜采用15°~30°。锚固段长度应通过计算确定,并不应小于4.0m,自由段长度不宜小于5.0m,并应超过潜在破裂面1.5m。圆形地连墙支护结构的环梁(含竖肋)或内衬的截面高度及厚度根据计算确定,竖肋可按构造配筋。

二、地连墙支护结构计算

目前,我国支护结构设计中常采用的方法可分为弹性地基梁及极限平衡法。弹性地基梁法能较好地反映基坑施工过程中各种工况和复杂情况对支护结构受力的影响,当嵌固深度合理,具有试验数据或当地经验确定弹性支点刚度时,用该方法确定支护结构内力及变形较为合理。考虑到现在计算手段均能保证,故规定采用弹性地基梁法进行支护结构计算。

1.直线形地连墙支护结构计算

直线形地连墙支护结构计算应符合下列规定:

对抗倾覆稳定性、整体抗滑移稳定性、坑底抗隆起稳定性和坑底抗渗稳定性的验算方法可按照《建基设规》的有关规定执行,现简介如下。

(1)桩式、墙式悬臂支护结构抗倾覆稳定性应满足以下条件(图7-12):

·=0≥1.3(71)式中:E。、b。—一被动侧土压力的合力及合力对支护结构底端的力臂;E.、b.——主动侧土压力的合力及合力对支护结构底端的力臂。

此外,尚应验算抗水平推移稳定性。

桩式、墙式悬臂支护结构的最大弯矩位置在基坑面以下,可根据剪力为零的条件确定。以上计算方法不适用于支护桩(墙)下端为淤泥土的情况。

(2)桩式、墙式锚杆或支撑支护结构抗倾覆稳定性应满足以下条件(图7-13):

Ek·b.+Z7i1.3(7-2)Ek·ak此外,尚应验算抗水平推移稳定性。

图7-12悬臂式结构计算简图

图7-12悬臂式结构计算简图

图7-13桩式、墙式锚杆或支撑支护结构计算

图7-13桩式、墙式锚杆或支撑支护结构计算

锚杆或支撑支护结构的计算尚应符合以下规定:

①应逐层计算基坑开挖过程中每层支撑设置前支护结构的内力,达到最终挖土深度后,应验算支护结构抗倾覆的稳定性;当基坑回填过程需要拆除或替换支撑时,尚应计算相应状态下支护结构的稳定性及内力。

②应根据支护结构嵌固段端点的支承条件,合理选定计算方法,可按等值梁法、静力平衡法或弹性抗力法计算内力。

③假定支撑为不动支点,且下层支撑设置后,上层支撑的支撑力保持不变。

(3)桩式、墙式支护结构抗整体滑移稳定性,可采用圆弧滑移面法,以最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑移力矩进行验算。

基坑底隆起(坑底涌土),实质上是软土地基承载力不足,故用o=0的承载力公式计算。当基坑底为软土时,应验算坑底土抗隆起稳定性。支护桩、墙端以下土体向上涌起,可按式(7-3)验算(图7-14):

N。·to+y·t y(h+t)+g式中:N.——承载力系数,条形基础时,取N。=5.14;to——抗剪强度,由十字板试验或三轴不固结不排水试验确定(kPa);y——土的重度(kN/m2);t——支护结构入土深度(m);h——基坑开挖深度(m);g——地面荷载(kPa)。

当上部为不透水层,坑底下某深度处有承压水层时,基坑底抗渗流稳定性可按式(7-4)验算(图7-15):

式中:ym——透水层以上土的饱和重度(kN/m3);t+At——透水层顶面距基坑底面的深度(m);P.——含水层水压力(kPa)。

图7-14基坑底抗隆起稳定性验算示意图

图7-14基坑底抗隆起稳定性验算示意图

图7-15基坑底抗渗流稳定验算示意图

图7-15基坑底抗渗流稳定验算示意图

当基坑内外存在水头差时,粉土和砂土应进行抗渗稳定性验算,渗透的水力梯度不应超过临界水力梯度。

(4)当按变形控制原则设计支护结构时,作用在地连墙上的土压力可按墙体与土体相互作用原理确定,考虑墙体水平变形对墙侧水平土压力的影响。水平土压力强度可按式(7-5)式(7-7)计算:

Ek=Eot-K6(7-5)Eok =Ko(qk+Zy.h)(7-6)K=mz(7-7)式中:En——墙侧水平土压力强度(kPa),当Ek<E。时,取E员=E。;当Eu>E,时,取E.=E。

(其中,Ea、E,分别为墙侧水平主动土压力强度和被动土压力强度,包括土体自重和墙侧地面荷载的作用效应,可按库仑或朗金土压力理论计算);Eok——墙侧水平静止土压力强度(kPa);K——墙侧土的水平地基反力系数(kN/m2),宜由现场试验确定,或按可靠方法计算或经验取值;当缺乏可靠方法或经验时,可按式(7-7)计算;m——水平地基反力系数随深度增大的比例系数(kN/m*),宜通过水平荷载试验确定,或根据经验取值;

8——墙体的水平变形量,朝向土压力方向的变形为正,背向土压力方向的变形为负;Ko——静止土压力系数,对正常固结土,Ko=1-sinpt;对超固结土,Ko=、/I-sin.;式中,9k为计算点土层的有效内摩擦角(°);q:——作用在地面上的竖向均布荷载(kPa);y:——计算面以上第i层土的重度(kN/m3);h:——计算面以上第i层土的厚度(m);

z—计算点距墙侧地面的深度(m)。

(5)直线形地连墙的内力和变形计算。直线形地连墙支护结构采用竖向弹性地基梁法计算时,其墙体的内力和变形可采用杆系有限元法计算,其计算图式见图7-16。当采用弹性地基梁法计算地连墙土压力、内力和变形时,按下列步骤进行迭代计算:①初始状态假设墙体的水平变形为0,按式(7-5)计算墙两侧水平土压力强度。

②计算墙体的水平变形。

图7-16直线形地连墙支护结构的计算图式

图7-16直线形地连墙支护结构的计算图式

注:K1、K2……K……Kn-撑杆、水平支架、土层锚杆或锚索等支撑弹性系数;qk-作用在地面上的竖向均布荷载(kPa);E-墙侧水平土压力强度(kPa),按式(7-5)计算;Ea-采用水土分算时,墙侧水压力强度(kPa),水压力可按静水压力计算,有经验时,也可考虑渗流作用对水压力的影响。

③用求得的墙体水平变形再按公式(7-5),计算墙两侧水平土压力强度。

④用新求得的墙两侧水平土压力强度,再按上述步骤计算结构内力和变形。

⑤重复第③项和第④项的步骤进行计算,直至相邻两次计算变形的差值足够小时为止。

(6)直线形地连墙支护结构构件计算应按下列规定计算。

①墙体、支撑、立柱应按偏心受压构件计算。

②腰梁可按水平方向的受弯构件计算。当腰梁与水平支撑斜交或腰梁作为边架的弦杆时,应按偏心受压构件进行验算。

③土层锚杆(锚索)的杆体应按轴心受拉构件计算。自由段和锚固段长度、锚固体直径、锚固体形状和浆体强度,应根据锚杆(锚索)轴向设计拉力、土层抗拔力及握裹力确定。外锚头和腰梁应根据锁定荷载值进行设计。

2.圆形地连墙支护结构计算

(1)圆形地连墙支护结构计算应符合以下规定。

①应进行稳定性验算,验算内容和方法与按直线形地连墙支护结构计算相同。

②应进行土压力和水压力作用下的结构失稳验算,结构失稳的临界荷载宜按空间结构计算,也可简化为圆环,按下列公式进行验算:

gk=R瓦

式中:qk—一沿环向分布的临界荷载标准值(kN/m2);E——混凝土的弹性模量(kN/m2);I——在截取高度范围内的截面惯性矩(m2);R。——截取的圆环中心线半径(m);h——截取的圆环高度(m);

——荷载标准值(kN/m2);y.——荷载分项系数,取1.2~1.5。

图7-17圆形地连墙支护结构的计算图式

图7-17圆形地连墙支护结构的计算图式

注:K1、K2…、Ka…Ka-环梁或内衬等支承的弹性系数,按式(7-10)计算;Ka-墙体沿深度方向的等效分布弹性系数,按式(7-11)计算;q.-作用在地面上的竖向均布荷载(kPa);E-墙侧水平土压力强度(kPa),按本规范式(7-5)计算;Em-采用水土分算时,墙侧水压力强度(kPa),水压力可按静水压力计算,有经验时,也可考虑渗流作用对水压力的影响。

③圆形地连墙支护结构宜按空间结构计算,也可按轴线对称结构,取单位宽度的地连墙墙体作为竖向弹性地基梁计算。墙体、环梁或内衬的环向效应,可按轴线对称结构简化为等效弹性支承。

(2)圆形地连墙支护结构采用竖向弹性地基梁法计算时,墙体的内力和变形可采用杆系有限元法计算,其计算简图如图7-17所示。

(3)当圆形地连墙支护结构利用环梁或内衬作支承时,可将环梁或内衬的作用以等效弹性支承来替代,如图7-18和图7-19所示。单位宽度墙体上的环梁或内衬的等效弹性系数可按下式计算:5.A.

(7-10)K

=R式中:K.——环梁或内衬的等效弹性系数(kN/m);E.——环梁或内衬材料的弹性模量(kN/m2);A,—一道环梁或内衬的有效截面面积

(m2),应考虑施工偏差的影响;R.——环梁或内衬截面中心线半径(m)。

图7-18环梁等效弹性支承示意图

图7-18环梁等效弹性支承示意图

1-地连墙墙体;2-环梁;3-等效弹性支承

图7-19内衬等效弹性支承示意图

图7-19内衬等效弹性支承示意图

1-地连墙墙体;2-内衬;3-等效弹性支承

圆形地连墙墙体的环向效应可采用沿深度分布的弹性支承来替代,如图7-17所示。单位宽度地连墙墙体的等效分布弹性系数可按下式计算:

K1=asd(7-11)

C R名

式中:K:——地连墙墙体的等效分布弹性系数(kN/m2);E——地连墙墙体材料的弹性模量(kN/m2);d——地连墙墙体有效厚度(m),应考虑施工偏差的影响;R。——地连墙墙体中心线半径(m);

——修正系数,应根据工程具体情况研究采用,当缺乏实践经验时,可取x=0.4~

0.7,当Ro较大,或槽段数较多时取小值。

公式(7-11)中的修正系数a主要考虑墙段间存在的泥皮对圆形地连墙墙体环向受压刚度的削弱。槽段混凝土是分期浇筑的,由于采用泥浆护壁,二期槽段浇筑时,在一、二期墙段间必然存在一定厚度的泥皮。基坑开挖时,外侧水土压力作用导致墙体环向受压,泥皮在压力作用下产生变形,从而削弱了墙体的环向刚度。圆形地连墙直径越大、槽段接头数越多、泥皮厚度越大,则削弱程度越大。削弱程度的取值,与施工单位的技术水平、经验密切相关,应根据工程具体情况研究采用。武汉阳逻大桥南锚硫基础圆形地连墙支护结构的受力计算,采用了法国基础公司根据其多年经验提供的建议方法对a值进行了计算,算得x=0.417。根据信息化施工监测结果,墙体受力及变形状态与计算结果非常吻合。武汉阳逻大桥南锚碗基础圆形地连墙支护结构外径达73m,墙厚1.5m,最大墙深约61m,最大开挖深度约45m,已达相当规模,因此本条取用α低限值为0.4,应能包括一般情形下的圆形地连墙支护结构。a高限值取

0.7,主要参考了《港口工程地下连续墙结构设计与施工规程》(JTJ303-2003)。

环梁或内衬的内力及变形可按平面内的刚架环形梁进行计算。地层、地下水、地面荷载分布的不均匀性对环梁或内衬的内力及变形计算影响很大,应充分分析研究并准确掌握。在缺乏资料的情况下,荷载作用的不均匀系数可取1.1~1.2,为安全计,按沿对角象限分布进行计算。圆环向外侧变形区域的土体对环梁或内衬的约束作用可通过在外侧设置水平径向弹簧来模拟。


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