（岩土工程专业论文）地下连续墙基础承载特性分析.pdf

摘要 地下连续墙基础承载特性分析 硕士研究生：李辉导师：龚维明 东南大学十木工程学院 摘要 地下连续墙基础在国外应用广泛，在我国开始引起重视，但应用实例不多，理论研究不深入。 针对这种情况，本文概述了地下连续墙基础的概念，整理了国内外地下连续墙用作桥梁基础和锚碇 基础的应用事例，归纳了地下连续墙设计和施工方面的关键问题，总结了与承载特性相关的计算模 式，并给出设计建议。最后，本文还阐述了筒桩竖向承载力的研究现状和水平荷载卜- 桩土相互作用 常用的分析计算方法。 结合交通部西部交通建设科技项目，根据已有的测试数据和试验研究成果，对竖向承载特性采 用荷载传递方法分析。对墙体和井内土体分别建立平衡方程，给出方程独立的边界条件。井内土体 相对与墙体运动状态不同，则边界条件的表达不同，然后求解方程推出在不同假定条件下墙体内外 壁的侧摩阻力。 对单片墙的水平承载特性采用p y 曲线法进行分析，通过无量纲迭代法实现p - y 曲线的求解。 将p - y 曲线法、m 法的计算结果和实测值比较，说明p - y 曲线法考虑十体的非线性，其计算结果和 实测值更吻合，并通过对单片墙数值模拟反演计算参数来模拟在水平荷载下井筒式地下连续墙的承 载特性。 国内首次在黄土地区对井筒式地f 连续墙基础进行的现场足尺静载试验，最后介绍了井筒式地 下连续墙的施工过程和试验元件布置情况。 关键词；地下连续墙，承载特性，荷载传递法，侧阻力，p - y 曲线法，数值模拟，足尺试验 a b s t r a c t a n a l y s i s0 fb e a r i n gb e h a v i o ro fd i a p h r a g m w a l lf o u n d a t i o n g r a d u a t es t u d e n t ：l 1h u i s u p e r v i s o r ：g o n gw e i - r u i n g d e p a r t m e n to f c i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ed i a p h r a g mw a l lw a sw i d e s p r e a d l yu s e da b r o a d w ep l a c em o r ee m p h a s i so nt h eu s eo ft h e f o u n d a t i o ni no u rc o u n t r yd u r i n gr e c e n ty e a r s h o w e v e r , r e s e a r c ho nt h ed i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni sn o t s u f f i c i e n t ，a n de x a m p l e sa r en o ta b u n d a n t r e p r e s e n t i n gt h ec o n c e p t i o no fd i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o n b r e v b i j y ，s o r t i n go u tt h ee x a m p l e sw h i c hw e r eu s e df o rb r i d g ea n da n c h o r , c o n c l u d i n gt h ek e yp r o b l e m s a b o u td e s i 印a n dc o n s t r u c t i o n ，g e n e r a l i z i n gc a l c u l a t i o nm o d e lr e l a t e dt ot h eb e a r i n gb e h a v i o ra n dd e s i g n s u g g e s t i o ni sg i v e n i nt h ee n d ，r e s e a r c hf i n d i n g so nv e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fc y l i n d e rp i l ea n d a n a l y c i c a ta n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sw h i c hc o n s i d e rr e c i p r o c a la c t i o n sb e t 、v e a np i l ea n ds o i la r e e x p o u n d e d a s s o c i a t i n g t h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y p r o g r a m o f m i n i s t r yo f c o m m u n i c a t i o n s ，a c c o r d i n g t od a t a o f t e s ta n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t 1 0 a dt r a n s f e rm e t h o dj sa d o p t e di no r d e rt oa n a l yt h ev e r t i c a lb e a r i n g b e h a v i o r u i l i b r i u me q u a l l o l la b o u tw a l la n ds o l ls b i t o u n d e db yt h ew a l la r ee s t a b l i s h e d a n du n a t t a c h e d b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r es p e c i f i e d i fm o t i o ns t a t et h a ts o l ls u r r o u n d e db yt h ew a l lr e l a t i v et ow a i li s d i f f e r e n t , b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ed i f i e r e n t t h e ns i d er e s i s t a n c ed e r i v e sf r o mt h es o l u t i o no fd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s p - yc u r v e sm e t h o da r ea b l et oa n a l y z el a t e r a lb e 撕n gb e h a v i o ro f s i n g l ed i a p h r a g mw a l l ，d e r i v i n gt h e r e s u l tf r o mn o n d i m e r t s i o n a li t e r a t i o nm e t h o d c o m p a r i n gt h er e s u l to fc a l c u l a t i o nw h i c hg e tf r o mp - y c u r v e sm e t h o da n dm - m e t h o dw i t hm e a s u r e dv a t u e w ea r r i v ea tt l l a tp yc n r v e sm e t h o dc o n s i d e rt h e n o n l i n e a rc h a r a c t e r , t h er e s u l to fw h i c hi sc l o s et ot h em e a s u r e dv a l u e w em a k eu s eo ft h ec a l e u l a t e d p a r a m e t e r sw h i c hd e r i v ef r o ms i n g l et h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs i n g l ed i a p h r a g mt op r e d i c tt h e l a t e r a lb e a r i n gb e h a v i o ro f s h a f td i a p b r a g mw a l l 1 1 1 i st e s ti st h ef i r s to n - s i t el a r g es i z em o d e ls t a t i cl o a dt e s tt os h a f td i a p h r a g mw a l lf o u n d a t i o ni nt h e l o e s sa r e ai no u rc o u n 打y a tl a s t ，w o r kp r o g r e s so fs h a f td i a p h r a g mw a l la n d a r r a n g e m e n ts t a t eo f m e a s u r i n ge l e m e n t sa i n t r o d u c e d k e y w o r d s ：d i a p h r a g mw a l l ，b e a r i n gb e h a v i o r , l o a dt r a n s f e rm e t h o d ，s i d er e s i s t a n c e ，p - yc u r v e sm e t h o d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l a r g es i z em o d e ls t a t i cl o a dt e s t n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 奎竖 日期： 2 0 d7 4 - 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：耋竖导师签名： 第一章绪论 1 1 地下连续墙概况 1 1 1 地下连续墙基础概念 第一章绪论 传统意义上的地下连续墙是作为施工时承受水平荷载的挡土墙或者防渗墙，工程界虽也将地下 连续墙作为主体结构的一部分，参与基础共同受力来承担上部荷载，但相对庞大的基础结构而言 其受力数值较小，设计中一般不考虑其分担上部荷载，仅将其视为支护结构物1 2 j ，不是真正意义上 的地下连续墙基础。 井筒式地下连续墙基础是利用构造接头把地下连续墙的各墙段连接成一个外形为矩形、多边形 或圆形且其内部可分为一个或多个空格的整体结构。不用挖除内部土芯，直接在墙段顶部设置封口 顶板，并与上部结构紧密连接”j ；地下连续墙和顶板共同构造成井筒状的基础形式，它可以承受和 传递上部的水平及竖向荷载，是完全意义上的地下连续墙基础口j 。也可将多个单片墙在墙顶用顶板 连接，利用地连墙刚度的方向性，合理布置其方位来满足工程实际。 1 1 2 地下连续墙相关设计规程及受力特点 建筑地基基础规范明确了地下连续墙作为支护结构及进行逆做法施工时，设计构造方面的 相关要求例。港口工程地下连续墙结构设计与施工规程明确了地下连续墙做码头和护岸工程时的 计算方法及施工和吊装方面的要求州。公路桥涵地基与基础设计规范仅明确了桩基础，人工地基 和沉井基础的设计和施工方面的要求i ，j 。日本道路协会曾提出了地下连续墙基础设计施工指针， 此后进行了修订确定了地下连续墙基础的标准设计方法。设计指针中把地下连续墙基础视为剐性体 采用8 种地基反力弹簧系数进行设计，将其视为弹性体采用4 种地基反力弹簧系数进行设计i “。 目前，地下连续墙基础主要应用于：大型桥梁基础：高耸建筑物( 灯塔、水塔和电视塔) ； 超高层楼房基础l l j ；虽然地下连续墙在大型桥梁基础中应用较多，但在我国尚未进行系统的理论 研究，在公路桥涵地基与基础设计规范中也未列出具体的设计参考准则。 井筒式地下连续墙受水平荷载时，按照弹性体进行计算时，仅考虑基础正面的水平地基反力， 基础侧面的水平地基剪切反力和基础底面的水平剪切地基反力，并未明确列出井筒内土体的正面水 平反力，侧面水平剪力和井筒内地基土的底面水平剪力，实则把整个结构作为整体考虑其抗弯刚度， 按照弹性地基上的有限长梁进行计算。正面铅直方向的地基反力系数，侧面铅直方向地基反力系数 和基础底面水平方向地基剪切反力系数各取其与作用面垂直方向地基反力系数的o 3 倍。 井筒式地下连续墙受竖向荷载作用，除考虑墙底竖向地基反力外，还要考虑井筒内外壁的侧摩 阻力和井筒内土顶及土底的竖向反力。其受理机理和有底板的刚性基础或者没有项板的类似沉井形 式的基础有很大差别。 1 2 井筒式地下连续墙在桥梁工程中的应用 地下连续墙作为大跨桥梁的支护、锚碇或者直接作为基础使用，在深基、软土、水流湍急、施 工条件困难的情况下，有相对较低的风险性和较好的经济性，该基础形式在日本有迅速的发展和使 用川。参考文献【2 6 】阐述了地下连续墙基础的优越性及在日本的发展和在实际桥梁基础中的应用。本 文介绍了井筒式地下连续墙作为锚碇基础在日本和国内的应用，并从施工和设计方案上做简要的概 述。 1 2 1 作为桥梁锚碇在工程中的应用 1 1 e t 本明石海峡大桥1 号锚墩基础 日本明石海峡大桥l 号锚墩持力层在6 0 m 以下，采用直径8 5 m ，高 5 5 m 的圆柱形地下连续墙 东南大学硕士学位论文 基础。圆形地下连续墙沿圆周方向的环形作用力会引起很大的轴向压应力。不必用钢筋加强；竖直 方向，墙体则需要钢筋加固。墙体内部填筑混凝土来承受主缆的拉应力，且碾压混凝土( r c c ) 无 坍落度故无需振捣。施工时整个圆形分成6 4 片，推进板和后续板交替进行。后进板开槽时，要对 已浇筑的推进板作斜面切割，以便牢固连接更好传递压力【8 】。为各片墙交替施工顺序如图1 1 所示， 各片墙槽段间连接形式如图1 2 所示。 o 式 热 攒 上f ) 灯 。瓷出野心 图1 1 为各片墙交替施工顺序 2 虎门大桥西锚碇基础 图1 2 为片墙槽段间连接形式 虎门大桥西锚碇用地下连续墙围水施工，锚碇基础为重力式锚。由于基岩不平，沉井施工困难， 故采用地下连续墙围水来进行锚碇的施工。圆形连续墙的直径为6 1 m ，平均深度为1 4 m ，嵌入风化 岩层1 9 如3 5 m 。墙体施工分为3 5 墙段，墙段间用“人”形接头钢板连接，计算按照铰接考虑。连 续墙内部设置三道内衬砌圈梁加固，且接头钢板清洗干净，便于与下一墙段的混凝土结合良好【9 l 。 3 武汉阳逻长江大桥南锚锭基础 武汉阳逻长江大桥南锚碇基础为满足防洪要求，其锚碇基础采用圆形地下连续墙作为支护结构。 直径为7 3 m ，壁厚为1 5 m ，总深度为5 4 5 - - 6 1 5 m 嵌入弱风化岩层为1 - 2 5 m 。地下连续墙施工完毕， 分层开挖土体，采用逆作法施工内衬，并对前趾区砾石层进行压浆加固处理。北锚碇采用放坡大开 挖深埋扩大实腹式锚体重力式锚碇，基础设在微风化细砂岩上i lo j 。 4 润扬长江公路大桥北锚碇 润扬长江公路大桥北锚碇特深基础施工，采用矩形地下连续墙基础做支护结构进行明开挖后筑 墙再分空格浇筑混凝土，连续墙的外框架尺寸为6 9 m 5 5 m ，墙厚1 2 m ，为极小厚度否则刚度不够 易变形。接头采用“v ”形钢板连接i l l j 【1 2 1 ，其立面和平面布置形式如图1 3 和图1 4 所示。 r 蚀皿气。 图1 3 矩形地下连续墙基础剖面图图1 4 矩形地下连续墙基础平面布置形式 5 江阴长江大桥北锚碇 江阴长江大桥北锚碇采用矩形地下连续墙方案，平面尺寸为6 9 m 5 1 m ，墙体厚度为l m ，中间 分3 6 个格仓如图1 5 所示，该方案不是完全意义上的井筒式地下连续墙，而是大沉井小方格的布置 形式1 1 3 】。 2 丫lll吕剧捆il 第一章绪论 出些喙掣些垫 图1 5 江阴长江大桥北锚碇沉井方格布置图 6 苏通大桥的悬索桥方案锚碇基础 图1 6 苏通大桥井筒式地下连续墙基础形式 苏通大桥的悬索桥方案锚碇基础设计中，中交公路规划设计院曾提出井筒式地下连续墙基础形 式。外轮廓尺寸为7 2 m x 5 9 6 m ，深8 6 m ，墙体厚度为2 o r e i l “，如图1 6 所示。该桥最终采用斜拉 桥形式，该基础方案未予实施。 1 2 2 作为桥梁基础在工程中的应用 井筒式地下连续墙作为大跨桥梁基础，既能承受竖向荷载又能承受风荷载和地震水平力、高速 车辆产生的较大制动力，长钢轨伸缩力、弯道离心力等【1 ”。工程中的典型代表是日本青森大桥和日 本国室兰港的白鸟大桥。青森大桥采用平面尺寸为2 0 5 m x 3 0 m 的6 室井筒式地下连续墙取代原拟 定的沉井基础。白鸟大桥则采用圆形断面的地下连续墙。 针对黄土地区建造拱桥惯用的组合桥台桩基础抵抗水平推力的能力差，易造成拱角水平位移增 大，引起拱圈开裂的缺点，西安公路交通大学公路工程学院的于书翰提出人工开挖的双室井筒式地 下连续墙基础，从工程造价，竖向承载力和水平刚度方面阐述了地下连续墙基础的优势l l q 。 宝中铁路采用圆形挖井基础，直径为2 5 m ，深度为5 m ，上部封闭，下部开口的连续墙基础。 由于内部土芯水平抗力微小，总的水平承载力与同样尺寸的实体基础相当。竖向承载时土顶反力偏 小，基础底面面积比相应实体基础小，在相同荷载下基底应力较大，下沉量也较大1 1 7j i “j 。 山西境内国道2 0 9 线河津临猗高速路上跨线桥梁，采用平面尺寸为7 r e x 7 m ，深度为1 8 m 的单 室地下连续墙基础代替原拟定的钻孔灌注桩【l ”，该工程施工类似上述项目，利用黄土的直壁性辅以 简单的支撑结构采用人工挖孔的方式成槽，到设计标高后清除槽底浮土，下放钢筋笼就地灌注混凝 土，然后进行上部承台和桥身的施工。 1 2 3 相关问题总结 结合上述工程事例，从工程设计和施工方面作如下总结 1 基础断面形式选择 在进行大型桥梁深水基础的锚碇设计时，初步设计阶段一般要进行圆形地下连续墙、矩形地下 连续墙、沉井以及排桩等方案的研究，阳逻长江大桥采用圆形地下连续墙方案【l 。经经济性比较润 扬长江大桥北锚碇基础选用矩形地下连续墙；南锚碇由于开挖深度较浅，选用冻结排桩基础，实质 也是地下连续墙基础【2 0 】。江阴长江大桥采用大沉井小方格的似井筒式地下连续墙1 1 3 ；由于土拱作用， 圆形地下连续墙对四周土体的扰动较矩形小且在水平土( 水) 压力下，断面弯矩小嗍。基底面积相 同情况下，矩形基础的惯性矩和侧面积较大，具有更好的力学稳定性能，同时侧摩阻力增大对基础 水平变位和转动有约束作用1 1 7 1 1 ”1 。 2 施工方法 在深水基础中进行地下连续墙的施工。一种方式是先在水中做成筑岛围堰，然后在里面进行地 下连续墙的施工。另一种方式是利用地下连续墙作防水及抵挡土压力的围堰，在围堰内进行挖掘， 到达设计标高后就地修筑基础和塔身，日本的青森大桥采用第一种施工方法，白鸟大桥采用第二种 3 东南大学硕士学位论文 作业方法l l “。为防水或者防倾覆墙底一般要嵌岩或者注浆来止水和加固。 3 墙段间的接头 在地下连续墙旖工时，接头是地下连续墙基础的关键部位：刚性接头不管是“人”或“v ”， 无异增大了接头刚度，抗剪强度和渗流路径。在施工可行的情况下，按照预想的功能可开发出新的 接头形式。如凹凸橛槽刚性接头，可使各槽段连接成整体，提高接头的截水防渗效果，增加强度且 传递剪力理想。具体的做法：在钢筋笼两端用钢板焊成需要的接头形式，成槽清底后，插放钢筋笼， 然后插入接头管，并浇筑混凝土，待混凝土凝结后及时拔出接头管，形成需要的接头形式。或者在 地下连续墙施工时预埋直螺纹钢筋连接器，将两片墙体可靠连接；“一”型墙槽段接头钢筋连接如 图1 7 所示，“l ”型墙槽段接头钢筋连接如图1 8 所示。 兀 图1 7 一型墙槽段接头钢筋连接图1 8l 型墙槽段接头钢筋连接 槽段问防止漏浆的施工方法：( 1 ) 做完短墙的接头缝后，施工两端接缝间的长段墙，接缝间用 钢板加焊或者采用木模板做隔板，以保证拼接紧密，另外可加塑料泡沫来防止浆液的渗漏。( 2 ) 使 用接头箱，此方法利用软管给气囊充气来防止混凝土绕流 4 墙段的划分及开挖 单片直墙或者带弧形的条形墙，片墙间只要接头合理并可靠的连接即可。在工程实际中，“十” 或“t ”形接头应用较多见图1 9 ，常有拐角的出现。对于有拐角的连续墙槽段，合理分片可实现安 全可靠连接。如果单元槽段较长，则采用水平钢筋搭接的拐角结构，将钢筋笼分两片进行制作和组 装，吊入时先将有接头钢筋的一片入槽见图1 1 0 。如果单元槽段较短，可将钢筋笼组装成l 形，整 体入槽见图1 1 1 。 图1 9 槽段的接头形式图1 1 0 分片入槽图1 1 1 整体入槽 墙段的划分要考虑结构的构造和形式( 拐角和端头) 。对矩形地下连续墙可分成“一”或“l ” 形，“l ”形采用三钻鼹抓工艺见图1 1 2 ，形成“l ”型基槽开挖可能会有麻烦但方便于接头的连接。 “一”形采用纯抓纯铣工艺，或者常规的施工方法，即先在槽段两端钻孔然后把槽孔打通形成需要 的基槽见图1 1 3 。 4 第一章绪论 縻 黝缓钐讶 i蓁i 图1 1 2 三钻两抓施工示意图图1 1 3 两端钻孔并打通形成基槽 ( 5 ) 钢筋笼的吊装1 2 1 】： 钢筋笼吊装时由水平方向变为竖直方向，要使用型钢作为起吊扁担( 见图1 1 4 ) ，进行双索或 者四索起吊，防止钢筋笼变形。下放时为防止纵向钢筋底部刮擦槽壁，应将钢筋笼底部制作成微向 内弯的闭合形式( 见图1 1 5 ) ，且闭合的程度不影响砼导管的插入。 图1 1 4 用钢管进行四点吊装图1 1 5 纵向钢筋向槽中微弯 1 3 地下连续墙设计计算方法 1 3 1 地下连续墙作为支护结构时设计原则及计算方法 1 3 1 1 地下连续墙静力计算方法 一是古典理论计算方法，二是刚性支撑梁方法，三是弹性支撑梁、弹性地基梁方法，四是共同 变形理论，前三种方法都假定土压力不随墙体的变形而变化，第四种方法考虑了土压力随墙体变形 而变化，比较符合实际。由于土体本身的各向异性复杂多变、土体蠕变时效性及地质计算参数的准 确性，不同的设计得出的结果会有差异1 2 2 1 。 1 3 1 2 地下连续墙支护结构设计原则 地下连续墙作为支护结构，基本计算原则包括地基承载力验算、抗滑动稳定性验算、抗倾覆稳 定性验算、沉降验算等整体验算，偏安全地考虑将地下连续墙作为竖向受力构件，钢筋混凝土内衬 砌作为水平受力构件，将空间结构简化为平面结构进行计算，其计算模型如图1 1 6 所示。取单位宽 度的地下连续墙，将其作为竖向弹性地基梁，梁上任一点的土抗力和该点的位移成正比。钢筋混凝 土内衬砌作为弹性支撑，开挖侧土体模拟成地基弹簧作用在地下连续墙上1 2 2 j 。计算时基本假定是： 墙体小变形，墙体及内衬砌线性受力，土体应力应变采用弹塑性模式并且土压力考虑土体的滞后作 用。其中的内衬砌作为水平支撑不仅降低了结构构件受力，而且能将各墙段连成整体，在地下连续 墙缺陷的情况下，起到加固和封水作用田1 。 存在的不足：平面杆系的计算程序，模型和实际施工受力过程存在一定的差异，虽然辅助利用 a n s y s 进行空间结构的分析计算，但其基本假定是采用第三种理论。p a r o i 程序按照第四种理论 编写，可以考虑圆形结构的拱效应，结果较前两种理论小，但比较符合实际。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 2 井筒式地下连续墙受水平荷载时分析方法 1 3 2 1 4 种弹簧的弹性基础分析方法 在受水平力作用时，对于埋深较大而刚度相对较小的基础视其为弹性，以4 种地基反力弹簧代 替周边土体，实质是总体考虑整个基础的抗弯刚度，按弹性地基上的有限长梁进行计算，其计算模 型如图1 1 7 。地面以上部分基础的微分方程为式( 1 1 ) ： 田鲁一p = 0 ( 1 1 ) 地面以下部分基础的变形微分方程为式( 1 2 ) 日箬+ ( b + 2 k v d ) ”= 0 ( 1 2 ) 叫 当基础变位较大时，计算的地基抗力大于该处的极限抗力，则取地基抗力为定值，此时的微分方程 为式( 1 3 ) ： 日g + ( ) ，归+ 2 p e v ( y ) d = 0 ( 1 3 ) 叫 若仅基础侧面的地基抗力超过其极限抗力，此时的微分方程为式( 1 4 ) ： 日等+ 岛砌+ 2 0 ，) d _ o ( 1 4 ) 公式中：j 是基础正面水平地基反力系数；缉是基础侧面水平地基反力系数；x r 是基础底面竖 向地基反力系数；足。是基础底面水平剪切地基反力系数； 变位, 是通过多次试算得到的，首先假定连续墙周围土体处于弹性状态，按式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 求解。 当某区间的地基抗力大于该区间的极限土抗力，则认为该区间的土层处于塑性状态，地基抗力表现 为定值。按照式( 1 3 ) 和式( 1 4 ) 重新假定求解到假定的塑性区间与计算的塑性区间差值不大于规定的 精度要求为止。求出水平位移”求出后，即可利用关系式伊= 考，肘= e d 咖2 u ：。，q = 脚篆等， 求出相应的转角、弯矩和剪力。 地面超载 非开挖衡 水土压力 k f ：k ”肿 州，“ k d 图1 1 6 地下连续墙支护结构平面计算模型图1 1 74 弹簧计算模型 1 3 2 28 种弹簧的刚性基础分析方法 对埋深较小而刚度相对较大的基础视其为刚性，周边地基对基础的反力用8 种弹簧地基反力表 示，按静力学方法进行设计计算，其计算模型如图1 1 8 所示。基础的水平承载能力主要由正面前后 两单片墙的水平承载力和侧面两片墙的水平外侧摩阻力提供。前后面内侧水平地基反力系数局、前 后面内侧竖向剪切地基反力系数局和侧面内侧水平剪切地基反力系数磁可忽略不予考虑1 2 4 j 6 第一章绪论 1 4 构造设计 3 暑 图1 1 88 弹簧计算模型 1 4 1 墙厚 最小墙厚一般为o 8 m ，最大厚度受成槽机械的限制，目前日本达3 2 m ，我国目前最大壁厚仅 达1 5 m ，原拟订的苏通大桥墙厚：2 0 m ，未实施。考虑施工过程及泥浆影响，墙厚分为成槽厚度、 设计厚度和有效厚度。成槽厚度指挖掘机或铣槽机成槽实际尺寸，往往大于设计厚度。有效厚度是 设计厚度减去泥膜厚度，根据日本经验一般每侧2 c m ，两侧共4 c m ，在进行稳定性计算时应使用设 计厚度，在计算钢筋混凝土截面时应使用有限厚度随墙体混凝土质量的提高，也有将有效厚度取 为设计厚度。并将主钢筋的保护层厚度适当加大。 1 4 2 平面布置 地连墙槽段平面布置灵活多样，可做成一室、二室或多室断面。平面的布置和墙体厚度、接头 布置形式、基础规模、成槽单元长度等有关。一般单室截面的最小宽度5 m 左右，有利于内部土体 稳定。单室截面的最大宽度l o m 左右，因为墙体的厚度存在上限，随跨度的增大，配筋将不经济 1 4 3 顶板( 承台) 设计 项板相当于桩基础的承台，一般将其刚度设计的比较大，加强基础的整体性。项板是按以地下 连续墙为支承的梁式混凝土板设计的，且内部土体不承受荷载。根据上部墩身混凝土是否浇筑分两 种工况进行计算来选配顶板的钢筋。当顶板的厚度( 梁高) 大大超过计算跨度的i 2 时，可将其作 为深梁混凝土板( 固定端梁板) 进行计算。 顶板必须与地下连续墙形成一个整体，否则就不能将荷载有效地传给地下连续墙，为此必须将 地下连续墙的垂直钢筋充分嵌入顶板内，且嵌入长度必须超过钢筋的锚固长度。 1 5 设计建议 对于井筒式地下连续墙基础竖向受荷时， 的测试和分析计算方法，但也不应简单忽略， 相关。设计时可不考虑，将其作为安全储备， 墙外侧的1 2 ，一起计入墙侧摩阻力。 井筒与墙芯土间的内侧摩阻力，目前尚没有比较有效 一般来说它与基础内室尺寸及简体与土体接触面性质 但对于内室尺寸较大的基础，也可将墙内侧摩阻取为 对于单片地下连续墙，竖向承载分析计算可参照钻孔灌注桩进行，并考虑尺寸效应。水平承载 分析计算可采用m 法；如变位较大，则应采用p - y 曲线法”。 1 6 论文的主要研究内容和工作 本文对黄土地区一在建拱桥的基础进行分析，为研究该基础的受力特点，将实际尺寸缩小进行 了模型墙的竖向自平衡测试和水平加载试验并结合实际工程进行现场足尺试验，这是国内首次在黄 7 东南大学硕士学位论文 土地区对井筒式地下连续墙基础进行的现场足尺静载试验。本文的主要研究内容和工作可归纳为以 下几点： 在参考文献【2 6 】的基础上，总结地下连续墙在锚碇基础中的应用，结合工程事例中总结其设 计和施工方面的经验。 对并筒式地下连续墙土芯的可能运动状态做出假定，用荷载传递推导了相应的公式并傲简单 说明。首先假定筒内土体不动，根据参考文献 2 6 1 中的实测的墙底荷载沉降曲线，推出墙顶( b 曲 线；然后在给出筒内土体位移的情况下，分别对筒体利筒内土体列平衡方程，对此两元两阶偏微分 方程进行求解得出其内外摩阻力的分布规律。求解时的边界条件是假定墙顶没有承台约束且墙底没 有刺入土体的情况下确定的。对墙顶有承台约束的情况，则假定筒内土体和墙顶的位移相同，忽略 筒内土体项部分担的竖向荷载。 总结单片墙受水平荷载作用时的计算分析方法，重点阐述了p - y 曲线法。分别用m 法和p y 曲线法对单片墙墙身变形和弯矩进行计算和比较，说明两种方法的优缺点和p y 曲线法在黄土地区 的适用性。 对单片墙的受水平荷载时的受力情况进行数值模拟，反推地层计算参数。用该参数对实际工 程中井筒式地下连续墙基础的水平承载特性进行预测。 结合现场足尺试验，介绍了黄土地区井筒式地下连续墙的施工过程和试验元件的布置情况。 1 7 本章小结 本章概述了地下连续墙基础的概念，整理了地下连续墙作为桥梁基础和桥梁锚碇在工程实际中 的应用，归纳了地下连续墙设计和施工方面的关键问题，总结了与承载特性相关的计算模式，并给 出设计建议。 参考文献 【l 】1丛蔼森编著地下续续墙的设计施工与应用【m 】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 1 【2 】刘明虎，付宇文井筒式地下连续墙基础设计及应用【j 】公路，2 0 0 6 ，5 ( 5 ) ：11 2 1 1 7 【3 】中华人民共和国建设部建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 7 2 0 0 2 ) s 北京：中国建筑工业出版 社，2 0 0 2 【4 】中华人民共和国交通部港口工程地下连续墙结构设计与施工规程( j t j 3 0 3 2 0 0 3 ) 【s 】北京： 人民交通出版社，2 0 0 3 5 】中华人民共和国交通部公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 s 5 ) f s 北京：人民交通出版社， 2 0 0 2 6 】孟凡超，陈晓东黄土地区大跨径桥梁地下连续墙和箱形基础应用研究的思路和技术路线【j 】公 路：2 0 0 4 ( 6 ) 【7 】黄宏伟，张冬梅，徐凌，杨澄宇国内外桥梁深基础形式的现状【j 公路交通科技，2 0 0 2 ，8 ( 4 ) ： 1 3 4 1 3 9 【8 】宋世樟，刘守邦日本明石海峡悬索桥西端锚碇基础的施工【j 国外公路，1 9 9 5 ( 6 ) ：3 1 3 6 【9 】王化勤，王力兵地下连续墙在桥梁基础上的应用【j 】中南公路工程。1 9 9 8 ( 1 2 ) ：3 8 - - 4 2 1 0 】徐国平，邓海武汉阳逻长江大桥总体设计 j 】公路2 0 0 4 ，1 0 ( 1 0 ) ：1 6 【1 1 】徐伟，吕凤梧，吕鹏，黄灿新5 0 m 深基坑支护开挖设计与施工理论研究 j 】建筑技术，2 0 0 2 ， 1 0 ( 1 0 、：7 5 2 - 7 5 5 【1 2 】熊孝波，孙钧，徐伟，润扬大桥北锚碇基础施工技术 j 】施_ 技术，2 0 0 3 ( 8 ) ：4 7 【1 3 陈光福江阴长江大桥特大型沉井施工评述【j 士工基础，1 9 9 9 ，9 ( 3 ) 【1 4 刘明虎，付宇文井筒式地下连续墙基础设计及应用f j 公路，2 0 0 6 ，5 ( 5 ) 【1 5 刘自明主编桥梁深水基础 m 北京：人民交通出版社，2 0 0 3 第一章绪论 【1 6 】于书翰黄土地区拱桥桥台人工开挖地下连续墙基础【j 】西安公路交通大学学报，2 0 0 0 ，1 0 ( 4 ) ： 】4 4 1 4 8 1 7 李涛铁路桥梁连续墙挖井基础设计方法的试验研究【j 1 9 9 7 ，6 ( 2 ) ：1 6 3 1 7 1 【1 8 】李涛黄土地区桥梁挖井基础设计方法研究 j 】1 9 9 7 ，5 ( 3 ) ：1 5 9 1 6 7 【1 9 】中交公路规划设计院东南大学黄土地区大跨桥梁地下连续墙基础现场载荷报告畔】，2 0 0 5 【2 0 】吴胜东，吉林，阮静润扬大桥悬索桥北锚定基础方案比较叨桥梁建设，2 0 0 3 ( 2 ) ：4 4 - 4 8 f 2 1 】上海市教育委员会地下工程施工技术f m 】北京：高等教育出版社，2 0 0 1 2 2 】盂凡超，徐国平武汉阳逻长江大桥南锚碇关键技术【c 】2 0 0 6 年全国桥梁学术会议论文集， 北京，人民交通出版社：4 8 5 3 2 3 】刘明虎圆形地下连续墙支护深基础结构受力特点及对比分析【j 】公路交通科技2 0 0 5 ，1 1 ( 1 1 ) ： 1 3 4 1 3 9 2 4 】许黎明地下连续墙桥梁基础明公路，1 9 9 5 ( 1 0 ) ：2 5 - 2 9 【2 5 】韩理安编著水平承载桩的计算 m 】长沙：中南大学出版社，2 0 0 4 ，9 【2 6 】李涛黄土地区地下连续墙基础承载特性试验研究 d 1 【硕士学位论文】南京：东南大学土_ 术 工程学院，2 0 0 6 9 东南大学硕士学位论文 第二章井筒式地下连续墙竖向承载性状荷载传递法分析 2 1 筒桩竖向承载力研究现状 井筒式地下连续墙基础是一种较为新颖的深基础形式，在国外应用广泛，在我国开始引起重视， 在受竖向荷载作用时，其受力性能类似于筒桩。文献【l 】提出筒桩、褥垫层与士共同作用形成复合地 基，没考虑土芯与桩内侧摩阻力的贡献，把起作为安全储备；文献【2 】提出单桩极限承载力标准值简 化为桩外侧摩阻力、桩端阻力和土芯的有效自重之和；文献【3 】提出土芯端阻力标准值为土芯端阻修 整系数乘以桩身端阻力标准值，土芯端阻修整系数取值范围为1 ；文献 4 】讨论了粘土中桩的承载 力与沉降量计算方法，并假设桩顶封盖下忽略内摩阻力的影响；文献【5 】和【6 】采用有限元方法分析内 摩阻力曲线基本呈指数分布，内摩阻力的发挥段从桩底向上( 1 5 , - - 3 0 ) d 范围，越靠近下端内摩阻力 越大。文献【7 】假设内侧摩阻力是外侧摩阻力的倍，运用荷载传递函数进行迭代计算，将计算值与 实测值比较说明a 的取值，说明c t = 0 1 o 2 是合适的a = 0 是偏于保守的。文献【8 】和【9 】表明在土芯项 部不承受荷载时，筒桩在荷载传递过程中，土芯将内侧摩阻力传递到土芯端部，并且内摩阻力相对 外摩阻力小得很多。文献【1 0 】通过空心桩和实心桩的承载力比较说明内摩阻力的存在，承载力提高 0 2 , - 0 3 左右。通过对比试验说明桩顶盖板可以提高桩的极限承载力，减小沉降。文献【1 l 】考虑筒桩 土芯分担荷载及筒桩与土芯内摩阻力的发挥情况，采用荷载传递函数推导出沉管灌注筒桩的荷载沉 降曲线解析式，公式要求已知量较多。 在进行带顶板( 承台) 的地下连续墙设计计算时，文献【1 2 】作者海野隆哉等人认为内侧土体有 一定的竖向和水平刚度，将内外侧土体对基础的约束作用以地基弹簧表示。文献【1 3 】作者李涛经试 验认为。当地下连续墙基础受载时，整个地基下沉而带动内部土柱整体下沉，无法形成竖向摩擦支 撑，故不计内侧土柱的影响。 岩田敏雄在按极限理论分析时，假定内壁面与土体的摩擦力为外壁面的1 2 ，而且不超过底部 开口部分的地基极限承载力1 1 4 】。在进行筒中土芯部分的内摩阻力的计算时，最简单、最适用的方法 是假定内部土芯与墙体内壁的相互作用力和墙体外部土体与墙体外壁的作用力此相比较，两者之间 存在某种关系i l ” 本章根据井筒中土体可能的运动和受力状态，做不同的假定在此条件下运用荷载传递法分析不 同状态下的受力性能。 2 2 井筒式地连墙墙顶荷载沉降曲线的推导 在同样的桩身规格、土质条件和沉积方法情况下，土塞闭塞效应的强弱与桩径成反比。试验井 筒式地下连续墙内边长为1 8 0 0 m m ，在慢速维持加载下，墙体进入土时不考虑土塞效应i 。 双折线硬化模型使得桩侧摩阻力随沉降的增大出现没有极值的问题，故本次计算桩内外侧土体 采用简单的线弹性全塑性髓其械传递表达式州加仨髫，其关系曲线如配，所示 桩底土体荷载传递函数采用弹性硬化模型，其函数表达式为 1 0 第二章井筒式地下连续墙基础竖向承载性状荷载传递法分析 见2 【屯k 4 s s , + s 毛 。s b 一) ，j ，其关系曲线如图2 2 所示。本次推导直接把井筒截面的位移j ( 力作 为井筒与筒内外土体的相对位移，即内外侧土体假定是不动的且桩内外侧的土体的弹性极限位移置。 相同，根据大量的测试结果表明，常规直径桩发挥极限摩阻力所需的相对位移氏 4 ，a 部分，后。，= c c 4 ，a ，“5 = 埘，其中桩的特征值五= 磊c 法在公路部分应 用较多。 4 k 法假定地基反力系数七( z ) 在第一弹性零点以上呈凹曲线分布，在第一弹性零点以下为常 数。由于凹形水平地基反力系数图式过低估计近地面处的土抗力，所以k 法计算所得的弯矩偏大。 且入土愈深，k 法计算所得的桩顶水平位移和转角愈大，这和桩实际工作状态不符”1 1 6 1 1 7 1 。 上述单参数计算的泥面处变形、挠度、桩身最大弯矩及位置不能同时和实测值很好的符合，下 面介绍的双参数要进行参数的调整必须要有试桩测试资料。 ( b ) 非线性弹性地基反力法( m 1 ) 土体作为弹塑性体，即使在小位移条件下，力与位移也很难满足线弹性关系。因此国内外众多 学者提出了很多非线性弹性地基反力法。国内吴恒立教授1 8 1 1 9 提出的综合刚度原理的双参数法，假 j 4 1 ， 定水平地基反力系数i ( z ) = k z 。，代入桩的挠度微分方程可得：日：寿+ d m x y = 0 和 。其实质是通过调整两个m 和i 来改变后( z ) 的分布模式，使之较好地符合桩在泥面处 的位移和桩身最大弯矩及最大弯矩所在位置。 在日本最有代表性是港湾研究所提出的港研法f l o 】，取m = o 5 ，其表达