地下连续墙结构讲义.ppt

第9章 地下连续墙结构,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,9.1 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。,地下连续墙的施工方法,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，依靠泥浆护壁的支护，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液置换出来。相邻的槽段，由特别接头进行连接。,沟槽开熔,安设接头管,吊放钢筋笼,浇混凝土,地下连续墙的特点及适用场合,优点,可减少工程施工时对环境的影响。施工噪音、震动较小，对邻近建筑物的沉降和变位易控制。 墙体刚度大、整体性好，结构和地基变形较小，既可用于超深围护结构，也可用于主体结构。 整体连续结构，耐久性好，抗渗性能也较好。 可实行逆作法施工，有利于施工安全，加快施工进度，造价低。 适用于多种地质情况。,缺点,弃土及废泥浆的处理增加工程费用，还可能造成环境污染。 可适用于各种地层，但最适应的是软塑、可塑的黏性土层，地层条件复杂时，会增加施工难度和影响工程造价。 可能会引起槽壁坍塌。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。 现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙。 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来的经济。,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。,9.2 地下连续墙挡土墙设计,主要内容： 确定荷载，包括土压力、水压力等。 确定地下连续墙的入土深度。 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，即可进行验算。 地下连续墙静力计算。 配筋计算，构件强度验算，裂缝开展验算，垂直接头计算。,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。,地下墙的位移与土压力的分布,地下连续墙计算方法综合,槽幅设计,槽幅是指地下连续墙一次开挖成槽的槽壁长度。 设计内容：槽壁长度的确定及槽段划分。 常用槽幅为36m。地层稳定性越好，槽幅可越长，但一般小于8m。,槽壁稳定性验算,梅耶霍夫经验公式法,开挖槽段的临界深度：,对于黏土，当 时，,槽壁的坍塌安全系数：,开挖槽壁的横向变形：,非黏性土的经验公式,槽段划分,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。,导墙设计,导墙示意图,一般采用“”形现浇钢筋混凝土，厚度一般为200300mm，混凝土一般采用c20。深度以墙脚进入原状土不小于300mm为宜，墙顶面需高出地面100200mm。宽度大于地下连续墙的设计宽度50mm。,连续墙深度及厚度的初选,连续墙深度的确定,由入土深度决定 土径比：连续墙入土深度与基坑开挖深度的比，一般为0.71.0 先假定后验算,板柱底端为自由的稳定状态,板柱底端为自由,自由的稳定状态就是板桩底端刚从自由变为稳定状态。通过两个平衡方程： 求得3个未知数：支承轴力t，板桩入土深度d。,板柱底端为嵌固的稳定状态,当板桩的入土深度较大或底端打入较硬的地层，底端达到嵌固的程度时。,变形曲线如图中虚线所示，此时ea和ep1组成力偶，不能平衡，设想在底端作用着一个向左的力ep2，这样未知量有两个：ep1和d，用两个平衡方程式即可求出。,板桩底端为嵌固的稳定状态 （悬臂式板桩）,对于有撑或锚的板状，其变形曲线有一反弯点q，此时未知量有三个：t、d、ep2,可利用的平衡方程只有两个。 求解这种板桩最有代表性的方法是弹性曲线法。,板桩底端为嵌固的稳定状态 （有撑或锚的板状）,实际常用弹性曲线的近似计算法，其中一种称为假想梁法。即找出弹性曲线的反弯点q，认为该点的弯矩为零，把板桩分为二段假象梁，上部为简支梁，下部为一次超静定架。,假想梁法,结构计算,弹性法,计算简图,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，但入土面以下只有被动侧的土抗力，土抗力数值与墙体变位成正比。,同济大学对上法进行局部修改，考虑了入土面以下主动侧的水、土压力，基本假定是：,基本假定图示,墙体作无限长的弹性体； 已知水、土压力，并假定为三角形分布； 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； 横撑设置后，即把横撑支点作为不动支点； 下道横撑设置后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，其上部墙体也保持以前的变位。,符号规定：,y墙体变位（m）； kh侧向地层压缩系数（kn/m3）； e墙体的弹性模量（kn/m3）； i1m延长（水平方向）墙体的截面惯距（m4）； es= kh b土横向弹性模量（kn/m3）； b墙水平长度，取为1m； 水、土压力斜率。,公式推导：,在第k道横撑到开挖面的区间（-hkk x 0）。,在开挖面以下的弹性区间（x 0）。,边界条件： 齐次方程的通解为：,非齐次方程的特解：,非齐次方程的通解：,其中：,使,待定系数的求解：,连续条件x=0处：y 1=y2，y1= y2,使,x=0处的内力,弯矩：,剪力：,由：,由：,得到：,得到：,由：,得到：,将a代入,得到：,将 代入,得到：,弹性曲线的最终形式,（ -hkk x 0 ）区间,其中：,（x 0 ）区间,本法的计算步骤,第一次开挖时，第一道横撑支点作为不动，即取1=y1=0，用 求第一道横撑的轴向压力n1以及 求第二道横撑预定位置的变位2； 第二次开挖时，把n1及2作为定值，用 求第二道横撑的轴压力n2，以及第三道横撑预定位置的变位3； 第三次开挖时，把n1、 n2及3作为定值，用 求第三道横撑的轴向力n3，以及用 求第四道横撑预定位置的变位4。,例,地层条件：r=18kn/m3；= 14； c=7kn/m2 ，kh=20000kn/m3， es=kh1=2kg/cm3100cm=200kg/cm2=20000kn/m2 。 结构条件：地下连续墙厚80cm，,c20混凝土,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，=14.7。,水土压力计算简图,单支撑：,令1=0 ，即,a2=0。,将x=-4代入得：,利用：,求得：,利用：,求得第二道支撑预定位置的变位2：,利用：,求得：,二道支撑：,已知：,求：,利用：,求nk(x=-4),利用：,求第三道支撑预定位置的变位3（x=0）,同前：,同理继续计算到第四道支撑得：,支护内力随开挖过程而变化的计算方法,基本点：,考虑支撑的弹性变位，用弹簧表示支撑； 主动侧的土压力可用实测资料，并假设为坐标的二次函数； 入土部分为已达到郎金被动土压力的塑性区及土抗力与墙体变位成正比弹性区； 墙体作为有限长，前端支承可以是自由、铰接、固定。,变位符号规定：,区间：,yi支撑点i点之变位 i支撑点i点安装前之变位 gi支撑点i点安装后之变位,区间：变位为yp,区间：变位为yc,弹性曲线方程的建立：,区间：,其中0 x hi；i=1（k+1）；k=支撑数，未知量ai, bi, ci, di共4（k+1）个。,区间（开挖面以下主动土压力为定值）：,未知量4个：e1, e2, e3, e4。,区间：,未知量4个：f1, f2, f3, f4。,其余未知量有：gi（支撑安装后的变位量）k个, 以及区间长度l。此法总未知量为：,总未知量=4（k+1）+4+4+k+1=（5k+13）个。但利用（ 5k+13 ）个边界和连续条件，即可达到完全的解答。,区间,0点,其中,区间,区间：前端支承取为铰结时,共计： （5k+13）个,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，称为共同变形理论。,地下墙完全没有变位时，在墙两侧均作用着静止土压力。,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。,主动侧,被动侧,现以第一次开挖结束时悬臂结构的计算顺序说明森氏计算方法。,第一次开挖结束时静止土压力,标准状态下的 变位,根据计算 土压力,进行土压力 修正,有限单元法,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：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，从而求得结构各单元节点的位移值。 优点：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。,地下连续墙分析中应用较普遍的有限单元法：,弹性地基杆系有限单元法 弹性地基薄板有限单元法 弹性地基薄壳有限单元法 二维有限单元法,墙体钢筋混凝土结构构造,钢筋的设计除了根据墙体的受力计算外，应考虑施工所需要的构造要求。 钢筋笼两侧对槽宽有适当的余量，并按照槽段接头的具体情况决定钢筋笼的制作图。 主钢筋的外侧宽度和槽段的设计尺寸之间的余量采用140200mm或更大，钢筋保护层垫块高度50mm。 槽段接头采用锁口管的情况下，钢筋笼的宽度根据单元槽段的宽度，并区别两端有无锁口管情况决定。 主筋采用变形钢筋，应用直径2225mm，间距每米4-6根，水平向采用直径1216mm，间距250mm。 钢筋笼底部距设计槽底300500mm，上部按预定尺寸设置搁置用铁件，以便将钢筋笼悬吊在导墙上。,9.3 地下连续墙兼做外墙时的设计,把地下墙用作主体结构物的一部分来设计时，必须验算两种应力：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。,单一墙的设计,把地下墙直接用作地下结构物垂直边墙的一种结构形式。,重合墙的设计,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递剪力的结构形式。,作用在重合墙上的荷载与弯矩,刚竣工时和经过长时间后的作用在墙体上的外力是不同的，所以必须分开加以验算。,刚竣工时的地下墙应力，是施工期间墙体应力与竣工之后由作用在主体结构上的外力产生的应力之和。,经过长时期之后的土压力按静止土压力计算。,复合墙的设计,把地下墙与主体结构的垂直边墙做成一个整体。结合部位能承受剪力。施工期间、刚竣工时以及经过长期之后的应力也各不相同。,分离墙的设计,在主体结构物的水平构件上设置支点，把地下墙作为该支点上的连续梁，用以抵抗外来压力。,作用在分离墙上的荷载与弯矩,地下连续墙承重墙设计,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。 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，布置在基础底边的周边上，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。 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。,9.4 地下连续墙接头设计,接头,施工接头,结构接头,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,直接连接成的接头,间接连接成的接头,铁板媒介连接,剪刀块连接,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。,直接连接构成接头,单元槽段挖成后，放钢筋笼，浇灌混凝土。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“直接接头”。,使用接头管建成接头,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。,接头管形式,使用接头箱建成的接头,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。,用隔板建成的接头,按隔板的形状可分为：平隔板、v形隔板和榫形隔板。 按水平钢筋的关系分为：搭接接头和不搭接接头。,1钢筋笼（正在施工阶段） 2钢筋笼（完工阶段） 3用化纤布铺盖 4钢制隔板 5连接钢筋,用预制件构件建成的接头,按材料