地下连续墙结构.pdf

第第9章 地下连续墙结构章 地下连续墙结构 崔振东 副教授崔振东 副教授iaeg, ficdm, ficce 中国矿业大学岩土工程研究所中国矿业大学岩土工程研究所 地下建筑结构地下建筑结构 本章内容本章内容 1 2 3 概述 地下连续墙挡土墙设计 地下连续墙兼作外墙时的设计 地下连续墙接头设计 概述 地下连续墙挡土墙设计 地下连续墙兼作外墙时的设计 地下连续墙接头设计 4 9.1 概述 ?地下连续墙施工方法，又称槽壁法（diaphragm wall 或slot wall）。 ?自1950年意大利开始在水库大坝中修建地下连续墙这一技术取得了突 飞猛进的发展。 ?地下连续墙尺寸一般厚度不超过0.6m，深度不过20m。 ?到了20世纪80年代，由于技术设备的提高，该技术得到急速发展。墙 厚超出1.2m，深度超出l00m的地下连续墙不断涌现。到了90年代， 由于成功研制并使用了水平多轴铣槽机，出现了超厚(3.20m)和超深 (170m)的地下连续墙结构。 ?已建成的日本东京湾跨海大桥的川崎人工岛(墙厚2.8m，直径108m) 的地下连续墙基础，最大深度已达l40m。 人工岛施工现场 ? 地下连续墙施工（1991.31992.10） ? 墙厚：2.8m, 深度：120m ? 人工岛内部开挖（1992.111993.10） ? 314,000m3，结构底板厚6m，v=44,000m3 ， ? 侧壁厚4m, v=60,000m3 ?地下连续墙技术引入我国是在20世纪50年代末，也是首先在水利水电 工程中采用. ?我国早在1958年就采用排桩式地下连续墙作为水坝防渗墙，并在 1974年试用排桩式地下连续墙建造煤矿竖井获得成功。 ?近20多年来，地下连续墙技术无论在工程实践中，还是在理论研究上 都获得了很大成就。 ?尤其是连续墙施工设备及工艺的发展使得连续墙施工的深度越来越大. ?近年来国内施工的工程实例如长江润扬大桥、阳逻长江大桥等锚碇基 础深基坑中连续墙最大深度达到60米甚至以上，为我国超深大基坑围 护提供了强大的技术支持。 地下连续墙 diaphragm wall: 10m 9.1.1 地下连续墙的施工方法地下连续墙的施工方法 ?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浇 筑，将稳定液置换出来。相互邻接的槽段，由特别接头（施工接头）进行 连接。 a) b)c)d) a)沟槽开熔；b)安设接头管； c)吊放钢筋笼；d)浇混凝土 ?特征是始终充满着特殊液体作为沟槽的支护。这个液体最 初使用的是膨润土和水的溶解物（该液体名称很多，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，这种混合 物仍简称稳定液或泥浆。 9.1.2 地下连续墙的特点及适用场合地下连续墙的特点及适用场合 （一）地下连续墙优点 1. 可减少工程施工时对环境的影响。施工时振动少，噪声低；能够紧邻 相近的建筑及地下管线施工，对沉降及变位较易控制； 2. 地下连续墙的墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形都较小， 既可用于超深围护结构，也可用于主体结构； 3. 地下连续墙为整体连续结构，加上现浇墙壁厚度一般不少于60cm， 钢筋保护层又较大，故耐久性好，抗渗性能亦较好； 4. 可实行逆作法施工，有利于施工安全，并加快施工进度，降低造价。 5、适用于多种地质情况。 （二）地下连续墙缺点 1. 弃土及废泥浆的处理问题。除增加工程费用外，如处理不当，还会造 成新的环境污染； 2. 地质条件和施工的适应性问题。地下连续墙可适用于各种地层，但最 适应的还是软塑、可塑的粘性土层。当地层条件复杂时，还会增加施 工难度和影响工程造价； 3. 槽壁坍塌问题。引起槽壁坍塌的原因，可能是地下水位急剧上升，护 壁泥浆液面急剧下降，有软弱疏松或砂性夹层，以及泥浆的性质不当 或者已经变质，此外还有施工管理等方面的因素。槽壁坍塌轻则引起 墙体混凝土超方和结构尺寸超出允许的界限，重则引起相邻地面沉降、 坍塌，危害邻近建筑和地下管线的安全。 （二）地下连续墙缺点 4、现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙，如果对墙面要求较髙，虽可使用 喷浆或喷砂等方法进行表面处理或另作衬壁来改善，但也增加工作 量； 5、地下连续墙如单纯用作施工期间的临时挡土结构，不如采用钢板桩等 一类可拔出重复使用的围护结构经济。 （三）地下连续墙适用条件 地下连续墙是一种比钻孔灌注桩和深层搅拌桩造价昂贵的结构形式，对 其选用，必须经过技术经济比较，确实认为是经济合理，因地制宜 时，才可采用。 1. 基坑深度大于10m； 2. 软土地基或砂土地基； 3. 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； 4. 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； 5. 采用逆作法施工，内衬与护壁形成复合结构的工程。 9.2 地下连续墙挡土墙设计地下连续墙挡土墙设计 ?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，连续接头设计等内容。 ?地下连续墙设计计算的主要内容包括： 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 的验算。 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 9.2.1 荷载荷载 ?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。 ?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。 ?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。 分类假 设 条 件方 法 名 称 较古典的理论 土压力已知 不考虑墙体变形 不考虑横撑变形 自由端法、弹性线法 等值梁法、1/2分割法 矩形荷载经验法、太沙基法等 横撑轴向力、墙体弯矩不 变化的方法 土压力已知 考虑墙体变形 不考虑横撑变形 山肩邦男弹塑性法 张有龄法、m法 横撑轴向力、墙体弯矩可 变化的方法 土压力已知 考虑墙体变形 考虑横撑变形 日本的建筑基础结构设计法规 的弹 塑性法， 有限单元法 共同变形理论 土压力随墙体变位 而变化 考虑墙体变形 考虑横撑变形 森重龙马法 有限单元法(包括土体介质) 地下连续墙计算方法综合 表9-1地下连续墙计算方法综合 表9-1 土压力类别 静止土压力 提高的主动土压力 主动土压力 降低的被动土压力 被动土压力 0 /h2 2 /h4 4 /h10 0 /h2 2 /h5 墙体变位、深度h与土压力的关系 (c)开挖后，地下 墙产生了位移 (b)开挖后，地下 墙尚未有位移 (a)开挖前 -k +k pp a p 02 p p01 p2 1 p p 0201 pp0 0 p 图9-2 地下墙的位移与土压力的分布 9.2.2 槽幅设计槽幅设计 ?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。 ?常用的槽幅为3-6米。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米。 （一）槽壁稳定性验算 ?有理论分析及经验公式法两种，理论计算一般采用楔形体 破坏面假定，计算相对繁琐，工程中应用较多的是经验公 式。 1、梅耶霍夫(g.g.meyerhof)经验公式法 临界深度： h n c k cr u = 01 式中 cu粘土的不排水抗剪强度(kpa)； k0静止土压力系数； 粘土的有效重度(kn/m3)； 1 泥浆的有效重度(kn/m3)； n条形深基础的承载力系数，对于矩形开挖槽壁。 n b l =+4 1() 式中 b槽壁的平面宽度(m)； l槽壁的平面长度(m)。 ?槽壁的塌坍安全系数 ?p0m、 p1m分别为开挖的外侧(土压力)和内侧(泥浆 压力)槽底水平压力强度。 ?横向变形 f n c pp s u 0m1m = =()() 1 2 01 k zl es 2、非粘性土的经验公式 ?对于无粘性的砂土(c0)，安全系数（与槽壁深度无关）： f s d tg = 2 1 1 2 1 () / （二）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 置及设缝要求等确定。 ?连续墙接头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，第一副槽段的 确定较为重要。 9.2.3 导墙设计导墙设计 ?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“形现浇钢筋砼，导墙厚度一般为200-300mm, 混凝土一般采用c20。 ?导墙深度以墙脚进入原状土不小于300mm为宜，导墙顶面高出地 面100200mm，防止周围的散水流入槽段内。 ?导墙宽度要求大于地下连续墙的设计宽度50mm。 9.2.4 连续墙深度及厚度的初选连续墙深度及厚度的初选 （一）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。 ?由基坑围护结构的稳定性验算方法确定，一般取为 0.71.0； ?可先由以下两种古典的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。 a）板柱底端为自由的稳定状态 p a t横撑或锚杆之力； e主动压力； e被动压力 d e a e t p b）板桩底端为嵌固的稳定状态 e e e a p p 2 1 d 悬臂式板桩 有撑或锚的板桩 1 pe 2 pe a e t d ea t q q 假想梁法 弹性曲线法 反弯点q （二）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 及裂缝控制要求等确定。 ?几种常用尺寸：600mm,800mm,1000mm, 1200mm 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35%。最终应由结构计算、 复核结果决定。 9.2.5 结构计算结构计算 （一）弹性法 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，土抗力数值与墙体变 位成正比。 x -x y-y n1 2 i k n n n esy （2）同济大学曾将上法局部修改。 ?基本假定是： 1)墙体作无限长的弹性体 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(楼扳)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，其上部的墙体也保持以 前的变位。 k 0 1 i k 2k k k k esy (h0 k+x) x -x y-y n1 2 i k n n n h h h h h 18.5 t 33.4 58.4 81.8 1.96 t/m 22.4 42 53.0 66.0 h 0k =18m 2m 4 4 4 4 n1 n2 n3 n4 2.94 t/m2 8.6 t/m2 14.4 t/m2 20.5 t/m2 26.4 t/m2 （三）共同变形理论简介 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。 ?被动侧pap0十khpp（被动土压力） ?主动侧pp0khpa（主动土压力） a p p0+kn b k k p p0-kn a b cd p m m p pmpp pmpp +k p p0 p p0 p0 p0 -k a）第一次开挖结束时的标准状态；b）标准状态下的变位；c）根据计算土力pm=p0km；d）进行土压力修正 （四）有限单元法 1、弹性地基杆系有限单元法 ?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它假想的图形。 ?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，其单元截面可换算成单位长度的截面面积。 ?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。 x 支 撑 1 土 层 1 支 撑2 土 层2 h 地 下 水 位 支 撑 3 qi1 土 层 i qi2 土 层 i+1 m h0 xi 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 ?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)和其它杆件理想化为与壳体单元 节点相连的附加“弹簧”单元。 4、二维有限单元法 施工步三：放坡开挖至地表以下施工步三：放坡开挖至地表以下 12.8米 施工步 米 施工步1：地下连续墙施作施工步：地下连续墙施作施工步2：开挖至地表以下：开挖至地表以下5.6米米 施工步施工步4：坡面土钉及挂网加固：坡面土钉及挂网加固 9.3 地下连续墙兼作外墙时的设计 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。 9.3.1 单一墙的设计单一墙的设计 ?由于横撑的支撑方式与主体结构和地下墙的结合状态不同，施工时地下 墙应力与主体结构物完成之后的地下墙应力不同。 ?刚竣工时的地下墙应力是施工期间地下墙应力与竣工之后由作用在主体 结构（包括地下墙在内）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。 ?长期不考虑因墙体位移而产生的土压力的变化。 ?有时还需要对地下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。 p p p 1 2 3 p +p 0 ( 2 )( 3 )( 1 ) ( 2 )刚 竣 工 时( 3 )经 过 长 时 间 之 后( 1 )施 工 期 间 荷 载 弯 矩 图913 作用在单一墙上的荷载与弯矩 9.3.2 重合墙的设计重合墙的设计 ?重合墙是把主体结构的垂直边墙重合在地下墙的内侧，在 内外墙之间填充隔绝材料使之不传达剪力的结构形式。 ?可随着地下结构物深度的增大而增大内墙的厚度。 ?刚竣工时，按地下墙（作为连续梁）与主体结构相接触状态进行结构 计算。 ?先计算地下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。 ?长期土压力按静止土压力计算。 1 10 12 i mm ii = + 1 10 12 a nn aa = + 2 20 12 i mm ii = + 2 20 12 a nn aa = + p p p 1 2 3 p +p 0 ( 2 )( 3 )( 1 ) ( 2 )刚 竣 工 时( 3 )经 过 长 时 间 之 后( 1 )施 工 期 间 荷 载 弯 矩 9.3.3 复合墙的设计复合墙的设计 ?复合墙是把地下墙与主体结构的垂直边墙做成一个整体，即把地下墙 的内侧凿毛并用剪力块将地下墙与主体结构物连接起来。 ?竣工后，施工期间的应力已达到某一程度，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。 ?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。 ( 2 )( 3 )( 1 ) ( 2 )刚 竣 工 时( 3 )经 过 长 时 间 之 后( 1 )施 工 期 间 荷 载 弯 矩 组 合 构 件 图915 作用在复合墙上的荷载与弯矩 临时性结构的 应力 ( 1 )临时性结 构的应力分布 ( 2 )结构加厚后的应力分布 竣工后外力所产 生应力的增加 ( 3 )竣工后的应力 内衬 混凝土 地下墙 + t1 t1 t t t 1 t c c1 c t 1c1,: t c,: 图916 复合墙上的应力 9.3.4 分离墙的设计分离墙的设计 ?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 地下墙作为该支点上的连续梁，用以抵抗外来压 力。 图917 作用在分离墙上的荷载与弯矩 ( 2 )( 3 )( 1 ) ( 2 )刚 竣 工 时( 3 )经 过 长 时 间 之 后( 1 )施 工 期 间 荷 载 弯 矩 外 侧外 侧内 侧内 侧 9.3.5 地下连续墙承重墙设计地下连续墙承重墙设计 ?根据上部传下荷载进行内力分析和截面计算之外； ?要解决的关键问题之一：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。 9.3.5 地下连续墙承重墙设计地下连续墙承重墙设计 ?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 关的计算机程序，来计算底板的内力、桩端轴力以及总体沉 降。 ?地下连续墙的壁侧摩阻力与上层性质和端阻力之间存在着互相影响的 关系，端阻力的大小会影响到壁侧摩阻力的发挥和分布。 ?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，墙顶荷载再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%。 ?壁侧摩阻力全部发挥需要的位移较小；端阻力全部发挥，则需要较大 的位移。 9.4 地下连续墙接头设计 ?施工接头和结构接头。 ?施工接头是浇筑地下连续墙时连接两相邻单元墙间的接 头； ?结构接头是已竣工的地下连续墙墙体与地下结构物其它构 件(粱、柱、楼板等)相连接的接头。 1. 直接连接构成接头； 2. 使用接头管建成的接头； 3. 使用接头箱建成的接头； 4. 用隔板建成的接头； 5. 用预制构件建成的接头。 1. 直接连接成的接头； 铁板媒介连接； 剪刀块连接； 2. 间接连接成的接头 施工接头 结构接头 接头 （一）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。 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。 混凝土与末开挖土体直接接触。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”。 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。 a b c d e 1 234 6 5 7 8 1倒槽 2混凝土墙 3开挖地段 4未开挖地段 5连锁管 6钢筋龙 7混凝土浇注 8连锁管拔除后的孔洞 ?接头管大多为圆形，此外还有缺口圆形的、带翼的、带凸榫的等。 ?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泥浆容易淤积在翼的旁 边影响工程质量。带凸榫的接头管也很少使用。 a) b) c) d) a) 圆形b)缺口圆形c)带翼型d)带凸棒形 3使用接头箱建成的接头 ?施工方法与接头管法相仿。 ?一期单元槽段挖成后即放下接头箱，再吊放下钢筋笼。 ?由于接头箱在浇灌混凝土的一侧是敞开的，故可将钢筋笼端头的水平钢 筋插入接头箱内。 ?浇灌混凝土时