（土木工程专业论文）王滩电厂地下连续墙工程设计计算与施工.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文是以王滩电厂地下连续墙工程为研究背景，以地下连续墙的设计计算 方法在实际工程中的应用为研究重点，并总结了先进的地连墙施工方法。 地下连续墙作为深基坑的一种支护型式，其受力与钢板桩、桩排式灌注桩 等挡土结构有许多相似之处，但因为地下连续墙入土深、刚度大，施工过程的 工况多，所以设计计算时又有其本身的特殊性。 本文总结提炼了目前通用的地下连续墙的设计计算方法，将地下连续墙的 静力计算理论分为以下四类法，( 1 ) 荷载结构法；( 2 ) 修正的荷载结构法；( 3 ) 地层结构法；( 4 ) 有限单元法。 在王滩电厂地下连续墙工程的施工方案比选过程中。运用有限元法对地下 连续墙的稳定性进行验算。结果发现对该工程而言，顺作和逆作法都是可行的， 但均应利用中间的桩作为支撑( 逆作时的中隔墙) 的立柱和侧向支点，以满足 支撑的稳定性要求，同时还建议了支撑体系的形式。在工程实际实施阶段，又 对为满足经济和工期需要拟定的两种大开挖方案对结构的影响进行了验算，结 果发现在现有参数下，两种开挖方案都至少采用1 ：2 边坡，两种开挖方案都 能够满足结构稳定要求。 总结了液压双轮铣槽机在实际工程中的应用状况和特点，指出了具体的操 作流程和施工工艺。这些成果可为类似工程提供参考与借鉴，可丰富地下连续 墙设计与施工技术的发展。 关键词：地下连续墙：主动( 被动) 土压力：有限元法： 稳定性分析：双轮铣槽机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i st e x tt a k e st h e p r o j e c t o fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l e n g i n e e r i n go fw a n gt a n sp o w e rs t a t i o na st h eb a c k g r o u n d ，b yt h e e m p h a s e si na c t u a le n g i n e e r i n gu s i n go fd e s i g nc a l c u l a t i o no f t h e u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l ，s u m m a r i z e da d v a n c e dc o n s t r u c t i o nm e t h o d o fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l le n g i n e e r i n g a so n ek i n do fs u p p o r ts y s t e mo ft h ed e e pf o u n d a t i o n ，u n d e r g r o u n d c o n t i n u o u sw a l lh a sm a n yl i k e n e s s e sb yt h ef o r c eg e t t i n go fs t e e ls h e e t p i l e ，c a s t - i n - p l a c ep i l ea n dt h eo t h e rk i n do fs o i lr e t a i n i n gs t r u c t u r e ， b u tb e c a u s eo ft h eb i gd e p t hu n d e r g r o u n d ，t h eh i g hr i g i d i t y ，a n dt h eb i g n u m b e ro fw o r k i n gc o n d i t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no f d e s i g nh a si t so w np a r t i c u l a r i t y c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e rt h et h e o r i e ss y s t e ma n d t h em e t h o do f c a l c u l a t i o n ，t h es t a t i cc a l c u l a t i o nt h e o r i e so fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u s w a l ic a nd i v i d e di n t ot h ef o u rm e t h o d so ft h ef o l l o w i n g 。( 1 ) l a d i n g s t r u c t u r em e t h o d ：( 2 ) m o d i f i e d l a d i n g s t r u c t u r em e t h o d ；( 3 ) s t r a t a s t r u c t u r em e t h o d ：( 4 ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o ds e l e c t i o no fw a n g t a np o w e rs t a t i o n u n d e r g r o u n dc o n s e c u t i o nw a l lp r o j e c t ，m a k eu s eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d t oc h e c kt h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l i f i n a l l yr e s u l t i sb o t ho r d i n a la n dc o n v e r s em e t h o d sa r ea l lv i a b l e ，b u tt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to fs t a b i l i t y b o t ho ft h em e t h o dn e e dm a k eu s eo ft h ep i l e i nt h em i d d l e ( p a r t i t i o nf o rc o n v e r s em e t h o d s ) a st h ep o l ea n dt h e f u l c r u ns t i l ls u g g e s t e dt h ef o r mo ft h es u p p o r ts y s t e ma tt h es a m et i m e d u r i n gt h er e a lc o n s t r u c t i o np e r i o d ，i no r d e rt os u i tf o rt h er e q u i r e m e n t o fs c h e d u l ea sw e l la se c o n o m i c 。t w ok i n d so fm e t h o df o ro p e ne x c a v a t i o n w e r ea d v i s e d t h ec a l c u l a t ew a st a k e na g a i nt oc h e c kt h ei n f l u e n c eo f t h es t a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e t h er e s u l td i s c o v e ru n d e rt h ee x i s t i n g p a r a m e t e r 。t w ok i n d so fm e t h o da l ln e e da tl e a s t1 ：2s l o p e ，a n dc a n s a t i s f yt h es t r u c t u r es t a b i l i t yr e q u e s t t h i st e x tt a l l i e du pt h ep r o c e s so ft h ed o u b l ew h e e lt r e n c hc u t e r r u n n i n gi na c t u a le n g i n e e r i n go fc o n s t r u c t i o n 1 h e s er e s u l t sc a np r o v i d e t h er e f e r e n c ef o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n g ，a l s oc a ne n r i c h t h e d e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n dc o n s e c u t i o nw a l ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t e c h n i c a l k e yw o r d s = u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l ：a c t i v e ( p a s s i v e ) e a r t hp r e s s u r e ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：s t a b i l i t ya n a l y s i s ：d o u b l ew h e e lt r e n c hc u t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 地下连续墙自5 0 年代出现在意大利以来，逐步在全世界获得很大发展。 因地下连续墙既能用作临时措施也可以用作永久性结构，故应用广泛，如地下 铁道、水坝防渗、桥梁基础等等。随着对其结构特性认识的日渐加深和施工技 术、施工设备的不断发展，地下连续墙的建筑规模越来越大。 但是地下连续墙结构计算方法的发展不如其工程实践发展迅速。目前通常 所用方法的计算结果与实测有一定差距。从施工的角度出发，如何运用地下连 续墙结构计算方法去解决施工问题也是值得研究的。 国外地下连续墙成槽设备的发展比较快，比如液压双轮铣槽机等先进设、 备的引进以及消化吸收还需要大量的研究、总结工作。 1 2 国内外地下连续墙的现状及发展情况 1 2 1 地下连续墙的特点 地下连续墙上沿着深基础或地下构筑物的周边，以专用的挖槽或成孔设 备，采用泥浆护壁，开挖出一个具有一定宽度( 或直径) 与深度的沟槽( 或孔) ， 在槽或孔内设置钢筋笼并浇注混凝土，筑成一幅幅单元墙段，并以某种接头方 式将单元墙段连接成一道连续的地下钢筋混凝土墙或桩捧，作为基坑开挖时防 渗和挡土的支护结构，或是直接成为承受垂直荷载的地下室外墙，这种地下墙 体即为现浇钢筋混凝土地下连续墙( 简称地下墙) 。 地下连续墙广泛用于建筑的地下室、地下电站或变电所、地下铁道、道路 立交、盾构或顶管工作并、引水或排水隧道、地下商场或地下停车场、水泵房、 船坞、船闸、码头、岸壁、以及土坝的防渗心墙，地下截水帷幕等等。 1 2 1 1 地下连续墙的优点 l 、施工时无噪音，无震动，属于低公害的施工方法，对邻近建筑和地下 管线的影响较小，适宜在城市密集的建筑群中施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 、深基坑开挖无须放坡，土方量小，能保护相邻建筑物的安全。 3 、浇注混凝土无须支模和养护，可以节约施工费用和材料，并可在低温 下施工。 4 、施工实现全盘机械化，工效高，施工速度快，与大型沉井相比，可降 低造价2 5 4 5 。 5 、适用范围广，如防渗、截水、挡土、抗滑和承重等。 6 、对地层的适应性很强，除粗颗粒土外，一般粘性土和砂类土都可成墙。 1 2 1 2 地下连续墙的不足之处 1 、施工技术较为复杂，要求较高，如果施工机械选用不当，会影响施工 质量，增加后期处理工作量，甚至使墙段下端不能连锁合拢，使基坑开挖发生 困难。 2 、由于施工机械设备成本较高，对于小型工程或较浅的深基坑围护，地 下连续墙的造价偏高，不及其他方法经济。 3 、对于施工范围内基岩起伏变化较大的地区，岩溶地区，卵、砾石地区， 有高承压水头的地区，或其他地质条件不稳定的工区，不宣采用。 4 、施工过程中泥浆处理不当，会影响施工场地条件，影响环境。 1 2 2 地下连续墙的分类 根据地下连续墙的构造型式及施工方法，可分为壁式和桩排式两大类。 ( 1 ) 壁式地下墙 采用挖槽机挖成狭长的深槽，槽中浇注的各幅地下墙的搭接是应用接头管 和接头箱的办法，建成的地下墙面是平整的，类似于地面建筑的墙壁故名壁式。 壁式地下墙的墙厚视机械设备而异，有6 0 、8 0 、1 2 0 c m 等多种，国外已出 现墙厚大于3 m 的工程，墙深已达1 5 0 m 以上。 壁式地下墙可作为临时性的挡土结构，也可作为永久性结构的一部分，其 构造型式可分为四种，其中分离式，整体式、重壁式均是在基坑开挖后重新浇 注一层内衬而成内衬的厚度一般取2 0 、3 0 、4 0 c m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 桩排式地下墙 又称柱列式地下墙。它是把钻孔灌注桩或预制混凝土桩( 可配置钢筋、型 钢、或不配) 等并排连续起来所形成的地下墙，故名桩排式，根据桩排列形式 的不同，可以有一字形、交错相接形、一字搭接形、间隔形、混合形等。 值得强调的是地下连续墙能适用于与原有建筑物毗邻的工程的施工，据国 外资料介绍，在法国，地下墙与毗邻建筑物的最小距离已达到0 5 m 左右，日 本为0 2 m 左右；同时，在城市交通中心区修建地下铁道等构建筑物时，可以 做到不影响或少影响街面交通，当作为高层建筑的多层地下室时，可采用逆作 法施工，下部结构可以与上部结构的施工同时并进，工作面铺得开，因此工期 大大缩短。 1 2 3 连续墙的发展情况 1 9 5 0 年在意大利米兰，以连锁钻孔成墙的桩排式地下连续墙施工获得成 功，引起各国的注意，遂纷纷引进。起先，这种地下连续墙仅作为土坝的防渗 心墙。后来，很快发展成为深基础和地下构建筑施工中的一项重要手段，其中， 意大利1 9 5 4 “1 9 6 3 年就浇注了地下连续墙约2 0 0 万m 3 ；法国在1 9 5 6 “1 9 6 8 年， 即达1 0 0 万m 3 。在此期间，成槽工艺也有了很大的改进，在西欧有意大利的采 用导板抓斗和冲击钻成槽的伊科斯( i c 0 s ) 法，单斗挖槽的埃尔塞( d l s e ) 法； 法国的冲击回转式钻机成槽的索列汤舍( s o l e t a n c h e ) 法；西德的反循环法等。 拉美以墨西哥为代表，从法国引进这一方法后，进展很快，1 9 6 7 “1 9 6 8 年在首 都墨西哥城的地下铁道建造中，采用地下连续墙，以1 6 个月的工期，高速度 地完成了全长4 1 5 k m 的地下铁道，创造了高速施工纪录。日本于1 9 5 9 年起除 大量弓i 进意大利及法国先进技术外，还研制成功了地下连续墙新的工艺专利， 较著名的有明工法，为多头钻切削式槽机；t b y 法，为双头滚刀式成槽机；硼 法，为凿刨式成槽机等，大量地用于各种地下设施和按抗震要求设计的深基础 施工中。1 9 5 9 1 9 6 9 年，已浇注了地下连续墙约2 5 0 万m 3 ，美国于1 9 6 3 年才 开始使用地下连续墙。1 9 7 4 年在美国伊利诺伊大学举办了首次地下连续墙国际 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 专题讨论会，出版了专著。原苏联则于1 9 6 6 年开始试制导板抓斗波兰在1 9 7 0 年开始在厂房基础中采用，此外涣大利亚和东南亚各国也都先后采用了这一新 技术。 我国在5 0 年代后期，水利部门最先在水库土坝施工中研究试用地下连续 墙技术。基本方法是以冲击钻机连锁成孔，筑成桩排式或槽段式地下连续墙， 作为土坝的防渗心墙和坝基透水地层的防渗帷幕，取得较好效果。1 9 5 8 年于山 东月子口水库和河北密云水库土坝工程中，采用桩排式素混凝土地下连续墙作 为防渗心墙获得成功，以后曾在五十多项水利工程中推广采用，当时，最大深 度为6 5 4 m ，最大厚度为1 3 m 。所用造孔设备为红旗2 0 型及2 2 型冲击式钻机。 1 9 7 4 年煤炭部试用桩排式地下连续墙在地下水位较高的覆盖层中修建竖 井获得成功。两年多时间内，即已在1 7 痤竖井中使用，最深为5 7 m 。1 9 7 6 年， 北京市市政三公司，亦以桩排式地下连续墙建成一座直径l o m 、深1 2 5 m 的顶 管工作井。交通部各工程局也都致力于地下连续墙技术研究，其中第一航务工 程局在塘沽新港，以四台潜水电钻并联组成四钻头成槽机，成功地完成了岸坡 抗滑墙工程。广东省则于1 9 7 6 年首先将地下连续墙技术应用到施工环境较复 杂的大型锻锤震动基础上。 8 0 年代以来，全国各地有许多工程采用地下连续墙技术，例如北京亮马 河大厦深基坑护壁，郑州铝厂黄河取水泵站护岸天津钢厂旋流池，大港油田 抽油泵淬火坑，秦皇岛码头翻车机室等工程都取得成功，地下连续墙技术得到 广泛应用。 1 3 王滩电厂地下连续墙工程基本情况 河北王滩发电厂位于河北省唐山市乐亭县王滩镇海港开发区境内，京唐港 三号港池西侧。本期工程建设规模为4 6 0 0 m w 的国产凝气式燃煤发电机组。 其中水工部分主要包括电厂供水系统( 含循环水系统) 、补给水系统、生产及 生活给水排水系统、消防系统、厂外排水管道以及除灰系统等。 河北大唐王滩发电厂供水系统为直流供水系统，扩大单元制供水方案。冷 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 却水为渤海湾海水，通过拟建的京唐港3 号港池内从已建的主航道取水，循环 水泵站设在3 号港池西岸。海水通过明渠自流至岸边循环水泵房进水间，经拦 污栅、旋转滤网，清除杂物进入循环水泵，升压后由压力管送至凝汽器及其他 冷却器，水携带热量后，通过两道d n 2 2 0 0 排水管入虹吸井经3 m 2 8 m 钢筋砼 排水沟排入湖林新河，再流入大海。 本工程循环水泵房地下结构为埋深1 7 5 ，内部尺寸5 7 m x 3 9 4 m 1 6 m 的钢 筋砼箱体结构。地下连续墙厚度为0 8 m ，总长度为1 8 0 5 m ，其中前墙墙底标高 为一3 1 5 m ，墙顶标高为- 1 0 。o m , 其余三面墙底标高为一2 7 o m ，墙顶标高为- 8 。l m 。 为保证三号港池西岸线地基土的自身稳定及前护岸墙的稳定，在循环水泵房南 北两侧修建地连墙护岸，地连墙护岸分前墙和后墙两部分。前墙长度为2 8 0 m ， 厚度1 2 m ，墙深3 5 7 m 。后墙长度2 8 0 m ，深度1 8 m ，厚度0 8 m 。前后墙间距4 0 m ， 用1 0 0 根拉结杆拉结。地连墙内衬钢筋砼叠合层，共同构成地下结构外壁，泵 房内部与短边平行方向设有7 道钢筋砼隔墙，将泵房分为8 格相互独立的泵室。 后护岸( 左) 后护岸( 右) i o i 循环水泵房 剞 前护岸( 左)”i前护岸( 右) i 5 6 6 地连墙平面图 本工程施工过程中成槽设备选用的是b c 3 6 液压双轮铣槽机，是由德国宝峨 公司生产的地下连续墙、桩基施工的专用设备由于在我国国内现仅有四台， 尚未积累足够的管理及施工经验，结合王滩电厂循环水泵房地下连续墙实际施 工情况，对双轮铣槽机在该地下连续墙中的施工技术及应用进行总结，消化和 吸收国外先进的设备及施工技术，并摸索出一套成熟的管理经验。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章地下连续墙设计和计算 2 1 地下连续墙设计计算的主要内容 2 1 1 地下连续墙受力特点 地下连续墙作为深基坑的一种支护型式，其受力与钢板桩、桩排式灌注桩 等挡土结构有许多相似之处，但因为地下连续墙入土深、刚度大，施工过程的 工矿多，所以设计计算时又有其本身的特殊性，特别当地下连续墙兼作临时挡 土结构和永久性主体结构时。还应俩种情况分别进行结构分析。 图2 - 1 为连续墙施工阶段和使用阶段的几种典型工作状态。图2 - 1 ( a ) 为槽段土方开挖阶段，这时地下墙还未形成，槽段内的泥浆起到护壁作用，槽 段侧壁的稳定则成为设计计算的关注点。图2 - 1 ( b ) 为地下连续墙已浇筑形成， 作为基坑开挖前的初始受力状态。图2 - 1 ( c ) 为基坑第一层土方开挖，地下 连续墙处于悬臂受力状态。这时地下墙悬臂状态的强度问题和地面侧向位移的 大小成为设计者的关注问题。图2 - 1 ( d ) 为基坑土方开挖过程中，有若干道水 平支撑作用时的地下连续墙的工作状态。这时连续墙的结构强度和基坑稳定及 变形量的大小，是设计计算的重要内容。图2 - 1 ( e ) 为基坑土方工程结束，将 要浇筑底板前的工况，这时，估算基坑隆起量，防止发生管涌、流砂和基坑整 体失稳成为设计计算的重要课目。图2 1 ( f ) 工程竣工时的情况，地下连续墙 作为主体结构的一部分，应验算在水土压力和上部地面建筑的垂直荷载共同作 用下的强度和变形。 可 可 c a )( b )( c ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可可可 ( d )( e )( f ) 图2 - 1 地下连续墙几种典型工作状态 2 1 2 地下连续墙挡土结构体系的破坏形式 地下连续墙挡土结构体系是由墙体、支撑( 或地锚) 及墙前后土体组成的共 同作用受力体系。它的受力变形态与基坑形状、尺寸、墙体刚度、支撑剐度、 墙体插入深度、士体的力学性能、地下水状况、施工程序和开挖方法等多种因 素有关。多支撑地下墙本身可能破坏的形式可分为稳定性破坏和强度破坏两 类，另外还需控制地下连续墙的变形，变形过大也意味着支护体系的失效。地 下连续墙的的具体表现为； 2 1 2 1 稳定性破坏 ( 1 ) 整体失稳 在松软的地层中，因支撑位置不当或施工中支撑系统结合不牢等原因使墙 体位移过大或园地下连续墙人土太浅，导致基坑外整个土体产生大滑坡或塌 方，致使地下墙支护系统整体失稳破坏( 图2 - 2 ( a ) ) ( 2 ) 基坑底隆起 所谓基坑底隆起，就是在软弱的粘性土层中。当基坑内土体不断挖去，内 外土面的高差使墙外侧的土体在压力作用下，有向基坑内挤入趋势，使基坑下 方土体向上位移。若墙体插入深度不足，开挖到一定深度后，基坑内士体就会 发生大量隆起及基坑外地面的过量沉陷，导致整个地下墙支挡设施失稳毁坏 ( 图2 2 ( b ) ) 基底隆起破坏与墙体插入深度密切相关。一般来说增加墙体插入深度可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 减少隆起的可能性。但是，对于极软弱的土层，当开挖深度很大时，即使将墙 体的插大深度增加到很大时，也无法避免坑底土体的一定隆起量，这时可采取 如地基加固等其它措施来减少隆起量。 ( 3 ) 管涌及流砂 在含水的砂层中采用地下墙作为挡土、挡水结构时，开挖面内挖土抽水使 基坑内外产生永头差。当动水压力的渗流速度超过临界流速或水力梯度超过临 界梯度时，就会引起管涌及流砂现象( 图2 2 ( c ) ) 。此时，开挖面内外地层 中砂的大量流失导致地面沉降。 2 1 2 2 强度破坏 ( 1 ) 支撑强度不足或压屈 固一。爵 ( a ) ( b )( c ) 图2 - - 2 地下连续墙的稳定性破坏 当设置的支撑强度不足或刚度太小时，在侧向土压力作用下支撑损坏或压 屈从而引起墙体上部或下部变形过大，导致支挡系统毁坏。 ( 2 ) 墙体强度不足 由于土压力引起的墙体弯矩超过墙体的抗弯能力，导致墙体大裂缝或断裂 而破坏。 2 1 2 3 变形过大 由于地下连续墙刚度不足，变形过大或者由于培体渗水漏泥引起地层损 失，导致基坑文外的地表沉降和水位位移过大，会引起基坑周围的地下管线断 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 裂和地面房屋的损坏。 2 1 3 地下连续墙的主要计算内容 根据上述可能发生的破坏形式，地下连续墙设计计算的主要内容为： ( 1 ) 确定在施工过程和使用阶段各工况的荷载，即作用于连续墙的土压 力、水压力以及上部传来的垂直荷载。 ( 2 ) 确定地下连续墙所需的入土深度，以满足抗管涌、抗隆起，防基坑 整体失稳破坏以及满足地基承载力的需要。 ( 3 ) 验算开槽的槽壁稳定，必要时重新调整槽段长、宽、深度的尺寸。 ( 4 ) 地下连续墙结构体系( 包括墙体和支撑) 的内力分析和变形验算。 ( 5 ) 地下连续墙结构的截面设计，包括墙体和支撑的配筋设计或截面强 度验算；节点、接头的联结强度验算和构造处理。 ( 6 ) 估算基坑施工对周围环境的影响程度，包括连续墙的墙顶位移和墙 后地面沉降值的大小和范围。 2 1 4 地下连续墙挡土结构静力计算理论的分类 相对于使用阶段，地下连续墙用作挡土结构时，在施工阶段的受力更为复 杂，用于地下连续墙挡土结构设计计算的理论和方法，除了有一些地方性法规 外，至今还未制定全国性统一的设计计算技术规范或规程。通过研究，不少学 者提出了许多有用的计算理论和方法，计算理论多样化又说明各种方法有各自 的局限性。笔者不打算罗列各种计算理论。而想有倾向性地介绍几种工程中广 泛采用的计算方法。 对于众多的计算方法进奄亍分类。按设计计算理论推出的时间划分。可分为 经典方法和现代计算方法。按解题的手段可分为解析解和数值解。综合考虑理 论体系和解算手段可将 地下连续墙的静力计算理论分为以下四类法， ( 1 ) 荷载结构法；( 2 ) 修正的荷载结构法；( 3 ) 地层结构法：( 4 ) 有限单元法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 以下分别讨论这四类计算方法。 2 2 荷载结构法( 经典法) 所谓荷载结构法，即假定作用于地下连续墙上的水、土压力均已知，且墙 体和支撑的变形，不会引起墙体上水、土压力的变化。在计算过程中，首先采 用土压力计算的经典理论( 如朗金理论) ，确定作用于连续墙上的水、土压力 的大小和分布，然后用结构力学方法，计算墙体和支撑的内力，确定配筋量或 验算截面强度。在引入一些假定后，还可以算出连续墙所需的入土深度。属于 此类方法有等值梁法，1 2 分割法，太沙基( t e r z a g h i ) 法，另外还可用图解 法求解的弹性曲线法等。虽然荷载结构法对荷载的计算和边界约束条件的确定 有很大的随意人为性，因而与结构的实际受力情况可能有较大的差别，但是这 类方法的计算图式简单明了，能用解析法直接算得结果，所以在工程中仍被广 泛采用。 根据地下连续墙不同施工阶段得受力状态，荷载结构法的计算可按以下不 同情况采用。 2 2 1 悬臂墙工况 q v ，j f ， 、 l e i 点 一 甘 宣 矗 。 ， 1 w l f 、 o 斗 一， e p 7 石 痧7 d j 。 i p p p i 。 r ，r a l ( 丑) 圈2 - - 3 悬臂墙计算示意图 地下连续墙一般用于深基坑的挡土结构在土方开挖到基坑底面时，通常 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 均设置多道水平支撑( 或拉锚) 。但在开挖第一层土体时，第一道支撑还未设置， 地下墙处于悬譬状态，其计算图式如图 3 所示，采用了悬臂式板柱的计算图 式。作用于墙身的荷载有：墙后主动土压力、水压力，墙前被动土压力。土压 力的计算，通常由朗肯土压力理论确定。图中d 为被动土压力强度与主动土压 力强度相抵为零的压力零点0 到基坑底面的距离；t 为压力零点0 以下所需的 “板桩”插入深度( 待求) ；z 为墙前土抗力转折点到“板桩”墙底的距离( 待 求) ；p p 为墙底处的墙前被动土压力强度值，按深度d 计算；p a 为墙底处的墙 后主动力士压力强度值，按深度d + h 计算，且考虑地面超载q 的影响；p a 为墙底处的墙后被动土压力强度值，应按深度d + h 计算；而p p 为墙底处的墙 前主动土压力强度值，应按深度d 计算。此处所谓。墙前”指地下墙基坑内侧 面，所谓“墙后”指地下墙基坑外侧面，以下同。 在求出墙后主动土压力合力e a 及合力作用点至o 点的距离y ，墙后水压力 合力脚及合力作用点至墙身底的距离h 后，以t 值、z 值为未知数，建立水 平合力e h = o 和对墙底弯矩e m = o 的平衡条件，并注意到图中a o a e 和c a b 两 三角形面积分别扣去公共四边形a e d c 面积，即为被动土压力合力e p 和e p ， 不难列出两个联立方程式，解出t 、z 值，然后求出墙身各点的弯矩、剪力。 对于悬臂式板桩，其入土深度可取d + 1 2 t 。而地下连续培悬臂式工况一般 不控锘墙的入土深度。上述计算主要目的是确定该工况下的地下连续墙的内 力。至于墙身顶端的水平变形，可假定为嵌固子最大弯矩处的悬臂梁进行计算， 得到的墙顶位移，实际上是墙体本身的弹性变形。根据经验实际的墙顶位移可 以取用上述计算值的2 3 倍 2 2 2 单支点工况 当地下连续墙为一道水平支撑的工作状态时，可取图2 - 4 所示的计算图式 由于地下墙的刚度相对于土体刚度大得多，周围土体对地下连续墙墙底的嵌固 作用不大，也即认为地下墙底端为自由端。故该计算方法称为“自由端法” 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 自由端法的关键是确定最小入土深度d ，以满足墙身在荷载作用下的静力平衡。 自由端法的前提也是事先已知土压力的大小和分布情况。计算筒图中，墙 后作用的水土压力和墙前作用的被动土压力均为已知a 为单支点支撑；o 为 土压力零点。p p 和p a 分别为墙底处的墙前被动土压力强度值和墙后主动土压 力强度值。其中t 为待求的连续墙。点以下所需的最小插入深度。如果假定t 为已知值，不难求出土压力强度值p p 和p a 的表达式，并可进一步求得主动土 压力e a ，被动土压力合力e p 和墙后水压力合力e 宵以及这些合力点的作用位置。 上述这些表达式中均含有待求的未知数t ( b ) 图2 - - 4 单支点墙的计算示意图 将主动土压力e a 、被动土压e p 和水压力踟分别对支撑点a 取矩，得到总 力矩m a = o 的方程式，可求解方程得到插入深度t 的大小，然后可按照水平方 向所有外力平衡的条件，求得支撑的轴力t 值。这时地下连续墙成为外力均已 知的静定结构，不难算得各个截面的弯矩和剪力为安全计，支撑的设计轴力 通常应取计算值的1 2 1 4 倍。 对于多道支撑的地下连续墙，一道支撑的工况通常不会控制地下墙的插入 深度。上述计算主要是为了求算该工况的地下连续墙内力。但如果只设置一道 支撑的地下连续墙，上述计算值t ，可以看作为满足静力平稳条件的最小插入 深度，考虑了一定安全度后，墙体的总高度为： l = h + d + 1 2 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 当然，确定墙体的插入深度，还要同时满足基坑抗管涌、抗隆起等要求。 作用与地下墙背面的水压力分布可有两秘选择，当地下墙插入深度不大时 ( 单支撑地下连续墙) 。由于墙底的内外侧水压力的平衡，该点水压力强度值 应取零。即图2 - 4 ( b ) 中水压力图形取为三角形；当地下墙插入深度很大时， 水压力图形可取为梯形。 除了上述“自由端法”用来计算单道支撑的地下连续墙外，在工程界广泛 使用的另一种方法是等值梁法。 2 2 3 多支点工况 多支点的地下连续墙可采用等值梁法( 或称相当粱法) 进行计算，其计算 简图2 - 5 所示。 同样，等值梁法也属荷载结构法，它的前提是已知作用在地下连续墙上的 水土压力值，且水土压力值不因墙体变形而改变。 等值梁法的基本思想是找到基坑底面以下地下连续墙弯矩为零的某一点， 这样该点就可以假想为一个铰。这假想铰将墙体分为上下两段的假想梁。上段 以各道支撑和这个假想铰为支点的多跨连续梁：下段为一端固定一端铰支的假 想梁，如图2 5 ( b ) 所示。问题的关键是如何确定假想铰的具体位置。 ( a )( b ) 图2 - - 5 多支点的地下连续墙等值粱法计算简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一般而言，假想铰的位置应与土层的软硬程度有关，土层越硬，对墙体嵌 固作用越大，铰的位置越靠近地面，有人根据土层的软硬程度，取假想铰距基 坑底面的距离为0 1 o 2 倍的基坑深度。但考虑到计算上的便利，通常的计 算是假定土压力零点为假想铰的位置。也就是土压力为零这点，其弯矩也假定 为零( 如图2 5 图中的0 点) 。一旦确定了假想铰位置后，假想铰以上的相当 梁实际上是已知外荷载的多跨连续梁。用结构力学的方法不难求得相当梁的内 力和各支座的反力，而各支座的反力即为各支撑的轴力。假想铰处的支座反力 e d ，即为下面那段相当梁的端点作用力 为求得墙底最小插入深度，可采用图2 - 5 ( b ) 中一端固定一端铰支的下段 梁的计算图式，假定挣土压力合力邬和梁端0 剪力占4 相等，于是可得 ( 2 一1 ) 式中 乜梁端0 处的剪力，即为上端相当梁0 点的支座反力； y 基坑底面以下土的重度； 巧被动土压力系数，对于砂性土为f 9 2 ( 4 5 + 罢) 二 e 主动土压力系数，对于砂性土为增2 ( 4 5 一 二 用等值梁法计算设有多层支撑的地下连续墙时，求算超静定结构多跨连续 梁的内力，仍是比较麻烦的，为进一步简化计算，可先近似地确定每一横向支 撑的轴力，具体的做法是假定每层支撑只承受中到跨中的那部分水、土压力。 在已知各支撑轴力后，就可用静力平稳条件求出墙体的各截面的弯矩和轴力， 从而避免了求解超静定结构的繁琐运算。为区别于原来的等值梁法，将此方法 原来韵等值梁法，将此方法称为。l 2 分割法”实际上，1 2 分割法是等值 梁法的简化 2 3 修正的荷载结构法 由于地下连续墙一般用于深基坑开挖的挡士结构。基坑土体的开挖和支撑 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 的设置是分层进行的。作用于连续墙上的水、土压力也是逐步增加的。实际上 各工况的受力简图是不一样的。而前述的荷载结构法的各种计算方法是采用取 定一种支撑情况荷载一次作用的计算图式，它无法反映施工过程中挡土结构受 力的变化情况。为此产生了所谓修正的荷载结构法。其代表为日本学者山肩邦 男法和日本建筑结构基础设计规范中的弹性法和弹塑性法。现以山肩邦男 法为例，简单介绍此类方法的基本思想。 山肩邦男法考虑了逐层开挖和逐层设置支撑的施工过程，此法假定土压力 也是已知的，另外根据实测资料，又引入一些简化的假定。它假定： ( 1 ) 下道横撑设置以后，上道横撑的轴力不变； ( 2 ) 下道横撑支点以上的挡土结构变位是在下道横撑设置前产生的，下道 横撑点以上的墙体仍保持原来的位置，因此下道横撑支点以上的地下连续墙的 弯矩不改变： ( 3 ) 在粘土地层中，地下连续墙为无限长弹性体； ( 4 ) 地下连续墙背侧主动土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下 取为矩形，这是考虑了已抵消开挖面一侧的静止土压力的结果； ( 5 ) 开挖面以下土体横向抵抗反力作用范围可分为两个区域，即高度为f 的 被动土压力塑性区以及被动抗力与墙体变位值成正比的弹性区。 山肩邦男法的的计算简图如图2 6 所示沿地下墙可分成3 个区域，即 第k 道横撑到开挖面的区域，开挖面以下的塑性区域和弹性区域。建立弹性微 分方程式后，根据边界条件及连续条件即可导出第k 道横撑轴力n k 的计算公 式及其变位和内力公式，该方法称为山肩邦男法的精确解由于精确解计算方 程式中有未知数的5 次函数，因此用手算是非常繁琐的，为简化计算，山肩邦 男又提出了近似解法，其计算简图如2 7 所示。其基本假定与精确法大同小 异，所不同处为以下三点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 6 山肩邦男法精确解计算简图 e 。，og n t 叁i i i r 一 j i 十_ n l + 螯砷 一铷一 一 _ 姒 釜 一 a - 图2 7 山肩邦男法近似解计算简图 ( 1 ) 在粘土地层中，地下连续墙作为底端自由的有限长梁； ( 2 ) 开挖面以下土的横向抵抗反力采用线性分布的被动土压力； ( 3 ) 开挖面以下地下连续墙弯矩为零的那点假想为一个铰，忽略此铰以 下的挡土结构对铰以上挡土结构的剪力传递。 山肩邦男法近似解法只需应用两个静力平衡方程式，即e y = o 和：e m a = 0 ， 即作用于地下连续墙的墙前墙后所有水平作用力合力为零和所有水平作用力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 对地下连续墙墙底自由端合力矩为零。由e y = o 得： 1 k - i 1 n 。= 去私：+ 订k 一j 一玩一去配 ( 2 2 ) 由m a i o 和注意到式( 6 2 ) 的关系可得： 式中m 第f 道支撑的轴力； k 第f 道支撑到基坑底面的距离； 露主动土压力系数； 勃+ f 基坑底面下z 处被动土压力减静止土压力后的净土压力值a 应用以上两式的具体计算步骤如下： ( 1 ) 在基坑第一次开挖和设置第一道支撵时，令式( 2 一- - 2 ) 和式( 2 3 ) 中 的下标k = 1 ，而且j 先取为零，式( 2 - - 3 ) 求出厶，然后代入式( 2 - 2 ) 求得 第一道支撑轴力l ： ( 2 ) 第二次开挖和设置第二道支撑时，相应式( 2 _ 2 ) 和式( 2 中七= 2 ， 此时式( 2 3 ) 中m 为已知的第一道支撑轴力i ，而且m 为第二道支撑轴力 n 2 ，待从式( 2 - - 3 ) 中求出厶后，代入式( 2 - - 2 ) 中可求之。 ( 3 ) 重复以上步骤可求得各道横撑轴力，于是不难求得地下连续墙结构的 内力。 。日本建筑结构基础设计规范”中的弹性法和弹塑性法两种计算方法和山 肩邦男法的基本假定和计算过程相差不大，此处不作讨论。从上述计算过程中 可以看出，山肩邦男法是已知外荷载的结构分析方法，应该规类于荷载结构法， 但它的计算过程一定程反映了逐步开挖和逐道设置支撑的施工过程，为区别于 一 荨；誊蕊扛谆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 经典的荷载结构法，故称它为修正的荷载结构法。 2 4 弹性地基梁的数值解法 随着电脑的普及应用，数值解方法已成为地下连续墙等深基坑挡土结构的 设计计算有效方法。其中弹性地基梁的数值解是此类方法中相当实用，且使用 广泛的一种计算方法。 弹性地基梁的数值解法又称为杆系有限元法。该方法实际上是矩阵位移法 与弹性地基梁法的结合。该计算方法沿纵向取单位宽度的地下连续墙挡土结 构，将其视为一个竖放的弹性地基梁。连续墙墙体根据要求剖分为若干段梁单 元，支撵可用二力桁架单元模拟，地层对地下连续墙的约束作用可用一系列弹 簧来模拟。弹簧的作用可按通常的弹性地基梁方法假定，既可采用弹性地基梁 的局部变形理论即文克尔假定。也可考虑土体弹簧之间的相互影响，即采用所 谓的整体变形理论。图2 - _ 9 为设置了三层支撑的地下连续墙几个工况的计算 简图。 2 4 1 荷载 弹性地基梁的数值解法对荷载的处理方法，与前述的荷载结构法相比有较 大的不同，荷载图式如图2 - - 8 所示。 墙背侧的土压力为主动土压力，一般可用朗金理论计算确定，考虑了地面 超载后，在开挖面以上为梯形分布，开挖面以下为矩形分布。墙背开挖面以下 主动土压力图形按朗金理论计算也应该为具有一定斜率的梯形分布，这里采 用矩形分布，是考虑了地下连续墙开挖面被动一侧的静止土压力与墙背主动一 侧部分主动土压力相抵消的结果。 图2 - _ 8 中虚线所围的三角形即为相互抵消掉的部分土压力。而被动一侧 由墙体位移而产生的抗力，是由设置的弹簧支座提供。显然被动土抗力的大小 和分布情况取决于墙体变位的计算结果。墙体哪一点的侧向位移越大，该点处 的弹簧支座压缩量就越大，相应土体对墙体的弹性抗力强度值也就越大。荷载 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 ( 抗力) 与结构变形相联系，这正是弹性地基梁的数值解法对经典的荷载结构 法的一大改进。 作用于地下连续墙墙背的主动土压力的大小和图形分布还随开挖面位置 变化而变化，随着开挖面下移，主动土压力也随着增大。图2 9c a ) ( b ) ( c ) ( d ) 分别表示了四种不同开挖深度时，作用于连续墙主动压力值的变化过程。 圈2 8 地下连续墙荷载简圈 水压力的确定，涉及到是采用“水土分算”和“水土合算”中哪一种模式 当地层为砂性土对，通常将水压力和土压力分别计算，这时计算土压力时地下 水位以下土的重度应取浮重度；作用于地连续墙上的水压力分布图形可参照经 典法的方法确定。当地层为粘性土时，可采用“水土合算”模式，只计算主动 土压力，而不再另外计算水压力。 2 4 2 计算简图 设置多道支撑的地下连续墙，其受力与基坑土方开挖过程和支撑设置的时 间、顺序有非常密切的关系。实际上施工过程中各层支撑( 或拉锚) 受力先后是 不同的，支撑是在基坑开挖到一定深度后才加上的，在这以前墙体己产生一定 数量的内力和位移。另外，先加上去的上道支撑较早参与了工作，而后设置的 下道支撑则较迟才能起作用如果像前述的经典方法那样，把连续墙看作一次 受街载的多跨连续梁计算，显然是不能反映墙体真实受力情况，弹性地基梁的 数值法可采用多种工况的计算简图，于是能反映地下连续墙荷载和内力随施工 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 不同阶段的变化过程。图2 - 9 表示设有三道支撑地下连续培的四个阶段的受 力状态。从图中可以看出作用于墙背的主动土压力( 已扣除了基琬底面以下墙 前静止土压力) ，是随这基坑开挖深度的增加而逐渐增加的。在具体应弹性地 基粱的数值法计算时，还有。全量法”和“增量法”两种方法的选择。图2 _ 9 实际上是设有三道支撑的地下墙的“全量法”计算图式。 所谓“全量法”是指对每一个旋工工况，相应的主动土压力全部作用于支 护结构上，求得内力和实际位