地下闭合墙基础T共47

第十章地下闭合墙基础

第一节概述

地下闭合墙基础是一种土中有基，基内有土的基础形式。对一般的场地条件，凡是能够用一定的施工技术挖掘成槽的地基，均可采用此种基础，尤其是在我国60多万平方公里的黄土地区和一些较干硬的粘土、以及风化岩场地，对缺少较先进的挖槽机械时，均可利用人工开挖基槽(必要时仅需采用简单的支护措施)修筑这种基础。槽孔开挖时可根据其平面尺寸的大小、土质状况以及施工的技术条件采取全部墙断面开挖或分墙段开挖、分段浇注混凝土的施工方法。与其它基础形式比较，地下闭合墙基有以下特点：

1．施工场面因地而宜，可用于场地窄小，邻近有建筑物的场地条件。2．施工噪音低，振动小，对周围的环境影响较小。3．与沉井基础比较，同一条件下，闭合墙基础施工简单、省工、省钢材、且造价低，承载力比沉井高许多。4．与较大埋深(5米以上)的明挖基础比较，闭合墙基础开挖的土方量少三分之二以上。同等使用条件下可节省混凝土l／3左右，在适当增大槽孔深度后，也有利于基础抗洪水的冲刷，其效益十分明显。

5．与桩基比较，闭合墙基整体刚度大，水平承载力大，因桩在承台以下各桩是一个个独立受力的构件，而闭合墙基础的任一截面始终为一个整体。使用阶段，闭合墙如同土中“骨架”并和基内外土体共同承受荷载。闭合墙的刚度大、配筋少，比桩省钢材，但混凝土用量有时比桩基稍多。6．地下闭合墙基础不足之处是：对埋的较深较薄的墙体，单元接头处理需较多的钢材，对易于坍塌的地基或水下施工时，需较高的施工技术和施工精度，除了必须用护壁液外，对很深(大于50m)基槽、还要用超声波检测仪量测沟槽的垂直精度，施工难度比较大。日本在福岛市饭坂街高架桥中将原设计的8号墩气压沉箱基础改为10×10m、壁厚1.5m、挖掘深度为24m的闭合墙基。为了进行对比试验，本桥7号墩基仍采用沉箱基础。基础建成后，用钢缆绳进行了对拉试验，分级加载，最大拉力为12000kN，在两墩基所处的地质条件，基础的尺寸都相近的条件下，试验结果是：7号墩的沉箱基础顶最大水平位移达17.9mm，卸载后残留位移为9.6mm，转角为8×10-4rad。8号墩的闭合墙基础顶最大水平位移量仅为3.6mm，转角为2×10-4rad，卸载后残存位移为0.3mm。比较在12000kN的水平力作用下的试验结果，扣除一些其它因素的影响，按地下闭合墙计算与按普通沉井计算结果的比较如下：1.水平位移，前者（闭合墙）为后者（沉井）的40％,（试验结果是前者为后者的21％）；2．由外力引起的基底反力，前者仅为后者的50％；3．前者正面地基都处于弹性状态，而后者在地面以下约4m深度内已为塑性状态；4．前者正面墙上地基反力为后者的50％。20世纪80年代以来，日本在地下闭合墙基础的施工技术方面有了很大的发展。首先反映在钻挖机械的性能改进方面，20世纪七十年代钻挖机施工深度仅20-30m，现在日本许多公司开发的钻挖机都能在保证所需施工精度的前提下，钻挖深度达到100m以上，对于地下闭合墙基础来说，由于受放入钢筋笼的准确程度，重量及吊机能力等限制，钻挖深度一般以70-80m为根据排渣方式不同，钻挖机可分两类，即抓斗式和旋转式。前者适用于粘性土地基，后者适用于砂性土地基。钻挖机上装有能自动测量倾斜变位的仪器，可以大大提高钻挖精度。装倾斜变位计的挖掘机，在钻挖深度为100m时，垂直精度可达到1/2000。施工技术的提高还反映在护壁液性能的改进方面。从稳定壁面来看，护壁液的比重较大为好，但对钻机寿命和水下混凝土质量都有坏的影响，作为永久承重的地下闭合墙基础，对混凝土质量要求较高。所以对护壁液的要求是：既要护壁，又要与水下混凝土有良好的置换性，为了便于清基，还要求护壁液中的钻渣粒子沉降速度快。近年来，日本开发了一种高分子聚合物外，还有膨润土，分散剂等等添加成分，它在满足上述要求方面比一般的膨润土泥浆要好，倒用次数也比膨润土多。地下连续墙单元之间连接的可靠性是与施工技术密切相关的一个重要问题，连续接头是施工最易发生缺陷的部位。日本新干线上桥梁的地下闭合墙基础，基本上都是U型钢板式接头。图10-3地下闭合墙的分段图和接头形式到1999年，日本在十余座公路铁路桥梁上使用了七十余个地下闭合墙基础。1992年修建的青森斜拉桥两塔基础，平面形状为单箱六室，尺寸为20.5×330．0m，入土深度为42m，壁厚1.5m。室兰港白乌大桥为三跨双铰加劲公路悬索桥，中跨720m，主塔基础采用了37m的地下闭合墙基础，墙厚1.5m，入土深度为106m及70m。第二节地地下闭闭合墙基基础承载载力计算算按我国现现行“桥桥规”，，对需考考虑基础础周围地地基弹性性抗力的的深埋基基础，按按刚性深深基础处处理，一一般情况况下，桥桥梁基础础无需设设计成弹弹性地下下闭合墙墙基础，，因刚性性地下闭闭合墙基基其截面面尺寸较较大，墙墙壁较厚厚，基础础高度不不大，在在施工技技术、机机械化水水平较低低的情况况下均可可施工。。在考虑不不同的施施工方法法前提下下，刚性性地下闭闭合墙基基础的设设计计算算的主要要内容有有，计算并检检算基础础的竖向向承载力力，水平平承载力力及倾覆覆稳定性性；计算算在最不不利荷载载作用下下基础变变位和内内力；根根据内力力计算结结果进行行基础墙墙壁的竖竖直主筋筋设计、、细部构构造及配配筋设计计以及施施工中基基础结构构的受力力计算等等。2.1竖向承载载力计算算在竖向力力作用下下，图10-6为计算图图示。地地下闭合合墙基础础受力性性状类似似于挖孔孔灌注桩桩，受力力比较明明显。对对一般良良好地基基土，内内外墙面面与地基基的摩阻阻力均需需考虑，，对软弱弱地基和和基础内内部土体体截面较较小的情情况基内内摩阻力力要进行行折减(为了安全全也可不不计)。基础顶顶部竖向向容许承承载力用用[v]表示，按按下式计计算竖向向容许承承载力。。结合“桥桥规”中中确定平平基地基基容许承承载力的的经验公公式，(10-1)式可修改改为：2.2水平承载载力计算算在对基础础进行抗抗震检算算时，因因在横向向振动荷荷载作用用下以及及发生地地震时，，基内土土体与基基础有同同步变位位的趋势势(或—起运动)，故考虑基基内土体水水平承载的的作用时要要进行折减减，或只计计基底面水水平摩擦力力和基础外外壁面的地地基反力。。对非地震震力，基础础内土体水水平抗力有有效高度为为h(或取一半基基内土柱高高度)，如图10-7所示。或者不考虑虑内部土体体作用力，，按实体基基础的计算算结果，再再相应提高高(10-20)％。(这是根据日日本有关实实桥基础的的测试和对对两组不同同规模的模模型试验结结果的分析析，给出的的一个比较较保守的数数据，供设计中中参考)。水平容许许承载力[P]由下式计算算。2.3基础抗覆稳稳定性计算算对于刚性地地下闭合墙墙基础，当当基顶有横横向外力作作用时（包包括力矩）），需进行行抗倾覆稳稳定性检算算，先要求求出基础所所能承受的的最大容许许力矩。此此项检算有有两种情况况，见下图图示，当H＋Pb<Ph+Pc时，是类型型I的情况，基基础的转动动中心在基基底以上处处，即y0＜L，一般刚性性地下闭合合墙基础均均属此类，，极限抗倾倾覆力矩用用下式计算算：倾覆力矩：：M0＝M+Hy0检算：M0≤MK/Fs其中P1、P2、P3、P4、P5的计算同前前。当H+Pb≥≥Ph+Pc时，为第Ⅱ种情况，此此种情况一一般发生在在基础埋得得较浅，周周围地基较较软弱的刚刚性基础，，或基底嵌嵌入硬质土土层，此时时基础的转转动中心位位于基底以以下中心轴轴处，即y0≥L，由(10-8)式计算基础础的极限抗抗倾覆力矩矩：抗倾覆稳定定性检算图图3地下闭合墙墙基础在横横向荷载作作用下内内力与变位位计算3.1力学计算模模型设地下闭合合墙基础计计算模型如如图10-9所示，基础础内外有8种类型的地地基弹性抗抗力，分别别用Kθ、αKθ、Ks、εKs、K’s、βK’s、Kc和Kv表示。因基基础被看作作刚性体，，空间刚体体变位也非非常小，所所以在竖向向力、水平平力和力矩矩共同作用用下，可分分开进行计计算。假定定基础在外外力和周围围地基弹性性抗力的作作用下，绕绕中心轴处处某点转动动，转动角角θ，基础前后后墙面的水水平抗力地地基系数为为：设基础两侧侧墙面剪切切地基系数数K’s和前后墙面面竖向剪切切地基系数数Ks均为常量；；基础内部部土的剪切切地基系数数分别为βK’s、εKs、αKe为内部土体体水平向地地基系数；；α、ε、β为折减系数数均小于1。在地震时时，因基础础内土壤与与其共同振振动，以及及在水平荷荷载作用下下，基础内内上部一定定高度土体体有与基础础一起变位位的起变位位的趋势，，因而设基基础内土体体抗力作用用的有效高高度为h，对非地震震力计算h也可取一半半基入土的的高度，当当用地震力力计算时可可取如图10-8所示高度。。当基础在外外力作用下下，地基土土对其各墙墙壁面产生生地基反力力，计算图图式如图10-10所示。图10-9力学计算模模型3.2刚性地下闭闭合墙基础础变位计算算根据力学计计算图示(图10-10)，列出力的的平衡方程程，可得到到计算基础础变位的公公式如下：其中中：当y0＝L，即即基基础础绕绕基基底底中中心心转转动动(例如如基基底底嵌嵌入入岩岩层层)时，，则则有有其中中：：上式式中中m为地地基基系系数数Kθθ的比比例例系系数数，，对对多多层层地地基基土土。。3.3地基基系系数数为为常常量量的的解解答答在用用本本节节公公式式计计算算较较干干硬硬黄黄土土地地基基中中地地下下闭闭合合墙墙基基础础的的变变位位，，当当外外力力较较小小、、位位移移较较小小时时，，计计算算结结果果可可能能与与实实际际结结果果相相差差较较大大，，其其主主要要原原因因是是，，计计算算公公式式是是在在假假定定地地基基土土的的弹弹性性抗抗力力与与位位移移是是线线弹弹性性变变化化情情况况推推求求的的，，即即σx=Cy·△△x，而而实实际际上上，，它它们们是是非非线线弹弹塑塑性性变变化化的的关关系系，，通通过过现现场场基基础础荷荷载载试试验验，，实实测测基基础础变变位位与与外外力力的的关关系系是是一一曲曲线线，，而而计计算算出出的的是是一一直直线线，，只只有有在在两两条条线线相相交交的的那那一一点点才才是是完完全全吻吻合合的的，，而而这这一一点点随随着着地地基基系系数数的的比比例例系系数数m的取取值值的的大大小小而而前前移移和和后后移移。。如如果果按按σx与位位移移△x非线线弹弹塑塑性性变变化化关关系系来来推推求求计计算算公公式式，，将将使使得得计计算算非非常常复复杂杂，，需需用用数数值值分分析析法法由由计计算算机机编编程程计计算算，，在在实实际际应应用用中中很很不不方方便便。。对同同一一土土层层假假设设地地基基系系数数为为常常量量进进行行分分析析计计算算的的情情况况是是：：在在实实际际开开挖挖黄黄土土基基坑坑时时，，发发现现坑坑壁壁挖挖得得很很陡陡直直，，有有些些槽槽深深达达l0m而土土壁壁并并不不坍坍塌塌，，沟沟槽槽土土壁壁在在一一定定深深度度内内保保持持稳稳定定，，这这说说明明在在一一定定的的条条件件下下沟沟槽槽两两壁壁土土体体结结构构处处于于弹弹性性平平衡衡状状态态。。当当槽槽孔孔挖挖好好后后，，灌灌注注混混凝凝土土时时，，土土壁壁又又起起着着模模板板的的作作用用，，混混凝凝土土会会对对土土壁壁产产生生很很大大侧侧压压力力，，压压力力大大小小与与槽槽孔孔深深度度成成正正比比。。然然而而在在混混凝凝土土的的养养护护期期，，混混凝凝土土又又会会逐逐渐渐干干硬硬收收缩缩，，侧侧压压力力逐逐渐渐减减小小，，通通过过基基础础模模型型试试验验，，测测读读各各测测点点压压力力盒盒不不同同时时间间的的静静土土压压力力发发现现，，靠靠近近地地面面处处测测点点的的土土压压力力读读数数值值在在灌灌注注混混凝凝土土前前、、后后(混凝凝土土养养护护几几天天后后)变化化不不大大。。鉴鉴于于这这种种情情况况，，对对同同—黄土土层层，，假假定定其其剪剪切切地地基基系系数数为为常常数数，，对对水水平平挤挤压压地地基基抗抗力力系系数数Ke也假假定定为为常常值值能能满满足足一一定定的的精精度度要要求求。。因水水平平地地基基抗抗力力的的大大小小还还与与地地基基土土含含水水量量的的多多少少、、土土的的容容重重和和密密实实度度(即孔孔隙隙比比e)等有有关关，，通通过过两两次次黄黄土土地地基基原原位位模模型型试试验验和和地地基基的的旁旁压压测测试试发发现现，，随随着着深深度度的的增增加加，，含含水水量量也也增增大大，，土土粒粒变变得得湿湿软软，，尽尽管管容容重重增增大大即即孔孔隙隙比比e减小，，而地地基土土的侧侧压强强度比比上部部土层层没有有多大大提高高。因因此，，Ke可按基基础埋埋深中中部的的完全全被动动和主主动土土压力力的差差值q再除以以产生生q值的位位移△△f得到。。△f通常可可取l0mm计算。。第四节节．地下闭闭合墙墙基础础的细细部结结构设设计4.1水平配配筋计计算如基础础的平平面尺尺寸较较大，，而墙墙壁又又较薄薄时，，一般般要配配一定定量水水平筋筋，尤尤其是是单元元墙接接头处处，必必须设设置水水平接接缝筋筋。水水平筋筋配置置计算算是取取基础础外周周面的的地基基反力力较大大的一一段按按框架架结构构计算算，先先按混混凝土土结构构进行行强度度检算算，当当不满满足要要求时时，墙墙壁厚厚又不不能增增加时时，则则需配配水平平受力力钢筋筋。如如图10-12，取一一定高高度闭闭合墙墙基础础，略略去次次要因因素，，(可不考考虑内内部土土体的的作用用)计算图图式为为一平平面受受力的的框架架结构构，计计算其其最大大正负负弯矩矩。取S高度墙墙壁按按水平平