地下连续墙在深基坑支护中的应用

收稿日期:2005-03-28

作者简介:周 沛(1969-),男,湖北武汉人,中机国际

工程设计研究院工程师,大学本科,主要从事工程结构设计工作。

文章编号:1671-8976(2005)03-0022-05

地下连续墙在深基坑支护中的应用

周 沛

(中机国际工程设计研究院市政环保所,湖南长沙410007)

摘 要:介绍了地下连续墙结构在深基坑支护中的应用情况,阐述了地下连续墙及其支撑系统作为地下室深基坑的支护结构的设计选型和计算方法。

关键词:地下连续墙;支撑系统;弹性地基梁法;等值梁法中图分类号:TU 476+ 3 文献标识码:A

Application of underground diaphragm wall in deep foundation pit support

Zhou Pei

Abstract :The application of underground diaphragm wall in deep foundation pit support was introduced,the selection and calculation method for support structure of the deep foundation pit in basement which is formed by underground diaphragm wall and its support system were also described.

Key words :underground diaphra gm;support system;elastic foundation beam

method;equivalent girder method

1 前 言

地下连续墙是通过专用的挖、冲槽设备,沿地下建筑物或构筑物的周边按预定的位置,开挖或冲钻出具有一定宽度与深度的沟槽,用泥浆护壁,并在槽内设置具有一定刚度的钢筋笼,然后用导管浇筑水下混凝土,分段施工,用特殊方式接头,使之成为连续的地下钢筋混凝土墙体。其主要用于:基坑开挖和地下建筑的临时或永久性挡土结构;地下水位以下的可作为止水帷幕;部分工程的墙体还承受上部建筑的永久荷载,兼有挡土墙和承重基础作用等

[1]

。

近年来随着城市建设和工业的发展,以及城市用地日趋紧张,要求更多地对地下空间开发和利用,同时高层建筑、地铁、港口、桥涵、重型厂房的地下构筑物的建设,要求基础深度越来越深,所承担的荷载也越来越大。特别是在旧城改造的建筑群中建造地下工程,往往需要在极狭窄的场地内施工,并且要求较少地影响周围建筑物及地下管线的安全和使用。传统的支护方法难以满足上述要求,在东南沿海地区,深厚的饱和软粘土层及高地下水位,更增加了地下工程的施工困难。而地下连续墙技术能有效地解决上述问题,因此,该项技术得到快速发展和大力推广,已逐步成为我国城市建设中的一项重要技术。

地下连续墙深基坑支护工程一般包含以下几个分项工程: 围护结构; 支撑系统;!土方开挖;?降水和止水工程;#地基加固;?施工监测和控制;%环境保护。本文以工程

22

工程设计与建设

Engineering design and construction

第37卷 第3期2005年6月

实例为基础,着重介绍地下连续墙作为深基坑支护结构的选型以及结构受力分析[1]。

2 深基坑支护工程设计

广州某大厦是一座超高层建筑,地下四层,地上三十八层,总高度156m,基坑平面尺寸为55m&75m、普遍深度为18 9m,局部最大深度为20 3m,基坑面积4125m2。该建筑紧邻珠江,地下水位高并受珠江潮位变化的影响,地处旧城区,基坑四周紧密分布着大量建筑。因此基坑支护结构本身必须安全可靠,同时要防止因支护结构变形过大对周边建筑物产生不利影响。所以在基坑支护结构的选型上必须仔细慎重。

2 1 基坑围护设计条件

该场地为?类,场地土为软弱土,自上而下为流塑的粘性土、松散的粉砂性土和砂土、可塑的粘性土、稍密~中密的粉性土和砂土、坚硬的粘性土、强风化岩、微风化岩,地下水属潜水层,年平均地下水埋深在0 5m左右。工程基坑开挖深18 9m,属1级基坑工程。基底置于强风化岩层上。场地承压水含水层至基坑底部有30m的覆盖层,可不考虑承压水对基坑突涌的可能。

2 2 地下连续墙方案的确定

根据该工程的结构特性,以及场地环境和地质情况,此次基坑支护结构设计选择地下连续墙方案,针对工程特性此方案选型有以下特点:

(1)地下连续墙自身有较大的强度和刚度,整体性好,安全性高,能承受较大的水、土压力。

(2)可在城市密集建筑群中施工,对相邻建筑和地下设施影响较小,并且能够节省施工场地。

(3)施工时振动小,噪音低,对邻近地基扰动少,在开挖过程中采取有效的支撑系统就不会对周围的地基产生影响。

(4)可用于逆作法施工。

(5)使得临时挡土结构与永久性承重结构相结合,使桩、墙、筏板共同承担全部永久性荷载。

(6)不仅能承担永久性挡土结构的功能而且能充当止水帷幕,其防渗隔水性能好。由于连续墙整体性好而且接头技术已相当完善,采用地下连续墙可实现基坑内全封闭的防渗隔水效果[1]。

2 3 地下连续墙墙体设计

在设计中,地下连续墙同时充当基坑围护结构、止水帷幕和地下室的外壁承重结构。地下连续墙轮廓尺寸为55m&75m,墙体厚度100cm,竖向平面上分槽段施工,每槽段水平宽度6m,竖向通长。连续墙的嵌入深度按计算为8m,但考虑到连续墙作为主体承重结构的组成部分应选择与主体结构相同的基础持力层,同时为避免基坑土涌,且防止因地下水位高而导致基坑渗水,所以设计要求墙体底部嵌入微风化岩内1 0m,能起到截水防渗的作用,墙底标高随基岩高度变化而不同,变化范围为-27~-31m。

考虑到地下连续墙作为永久性挡土结构,经过长期作用之后土压力值将由主动土压力趋近为静止土压力,为增加其刚度并且增强抗渗防漏的效果,在后期施工时在连续墙内侧加设250mm厚钢筋混凝土内衬墙,设计要求在地下室楼层标高处梁位预设300mm深凹槽及预留钢筋,板位设预留板筋,以增强连续墙与地下室结构主体的连接。为防止两个槽段之间产生缝隙渗水,故将相邻两段墙体端部分别设计成圆形凹凸状,并设锁口管接头,既增加了墙体之间的整体性又能防止渗漏。由于连续墙水平方向是分段施工,为保证各段墙体能够均匀受力、协调变形,故又在墙顶设压顶梁,并在每道支撑处设置通长水平边梁。连续墙双层配筋,纵向配筋 25@100,横向配筋 20@200,两层钢筋网之间设加强钢筋桁架。

2 4 支撑体系设计

基坑支护的支撑系统选型和布置对结构安全、经济性及施工周期均会产生影响。支撑体系布置应考虑到其竖向标高与楼层标高的关系,同时水平间距布置上应避免内支撑与竖向构件

23

2005年6月周 沛 地下连续墙在深基坑支护中的应用

(柱、剪力墙、筒体)重叠交叉,影响施工。

该设计选用了高强钢丝锚杆和钢筋混凝土内支撑两种支撑结构。高强钢丝锚杆布置灵活,不占用坑内空间,有利于基坑取土及后期主体施工,但锚杆的锚固力有限,变形较大。钢筋混凝土内支撑抗压能力高,质量稳定可靠,压缩变形小,但对基坑取土及后期主体施工有一定影响。为配合基坑开挖过程中连续墙承受水土压力逐步增大的特点,充分发挥两种支撑系统的优势,设计时竖向考虑设三道支撑体系,上层为两道锚杆,锚杆水平间距1 5m,锚杆层标高分别为-3m、-7m,锚杆以向下斜30(角锚入微风化岩内。锚杆直径150m m,锚杆材料为高强钢丝,第一道锚杆为18 5m m,第二道为24 5mm。下层为双向钢筋混凝土内支撑梁,截面尺寸1 0m&1 2m,水平间距为11~12 5m,标高-13m,支撑梁下先施工直径1 2m的钻孔桩作为梁的中间支座,其间距为11~12 5m,每道支撑处均设通长边梁,截面尺0 8m&0 8m。内支撑梁设计选择两种布置形式,一种是纵横向对撑型,一种是角撑型。纵横向对撑型结构受力均匀,性能可靠;角撑型布置灵活,适合设在基坑形状弯折处。故选择两种形式共用,即在基坑边角加角撑,中间部位设纵横向对撑。同时在纵横向对撑端部设对称八字撑以减小边梁跨度。

2 5 施工程序

设计计算完全按照设定的施工程序进行,具体的施工程序为:先施工连续墙,墙体完工后分步开挖基坑,分步施工支撑系统直至坑底。而后进行基础施工,分层施工地下室结构,待结构混凝土达到强度后,逐步拆除支撑系统,以地下室结构构件的刚度和强度替换支撑系统。

地下连续墙及支撑系统平面及剖面详见图1、图2。

3 地下连续墙结构设计分析

3 1 计算分析方法

目前在深基坑开挖支护结构设计中应用较

图1 基坑支护平面布置

图2 基坑支护剖面

多的计算分析方法为等值梁法和弹性地基梁法。其中等值梁法基于极限平衡状态理论,能计算出支护结构的内力,以确定构件的刚度和强度,但不能反应支挡结构的变形协调情况。而弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调,计算支护结构的水平位移,可以初步估计开挖对临近结构物的影响程度。弹性地基梁法解决了变形问题,但强度问题基本上没有涉及,由于地下连续墙的插人深度主要取决于土的强度与墙的稳定性,而不是变形的大小,因此不能用此法来确定。

鉴于弹性地基梁法尚有以上的局限性,较为理想的计算方法是弹性地基梁与等值梁分别计算,相互参照、补充[2,3]。

3 2 地基弹簧刚度

弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(即地基反力)用土弹簧来模拟,地基反力的大小与挡墙的变形有关,即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。一般水平地基弹簧支座的模拟,与地基土的性质和施

24工程设计与建设第37卷 第3期

工措施等条件有关,地基反力的分布通常取开挖面处为零,开挖面以下的一定深度内按三角形分布,其下按矩形分布。地下连续墙的底部以垂直弹簧支座模拟。

基坑开挖面以下:

K H=k H bh

K V=k V bh

式中 K H,K V)))分别为水平向和竖直向压缩

弹簧刚度,kN/m;

k H,k V)))分别为地基土的水平向和竖

直向基床系数,宜由现场试验

确定。当无条件进行现场试验

时,可根据地基土的性质按规

范取用[2,3],kN/m3;

b,h)))分别为土弹簧的水平和垂直方

向的计算间距,m。

3 3 计算荷载

采用水、土压力分算的方法计算。墙后土压力荷载按主动土压力考虑,开挖面以下的土压力不随深度变化。假定墙后土压力与连续墙的变形无关。

不计基坑外侧地表大气压力及坑内大气压力作用于地连墙的差值的有利作用(作为安全储备考虑)。

(1)主动土压力e a[4]:

粘性土:e a=K a( h+q)-2C?tan(45(-/2)

砂性土:e a=K a( h+q)

式中 K a)))主动土压力系数,K a=tan2(45(-

/2);

)))土的容重,kN/m3;

h)))计算点的深度,m;

C)))土的粘聚力,kPa;

q)))地面施工荷载,kPa。

(2)水压力e W:

e W= W h

式中 W)))水的密度,kN/m3。

(3)地面施工荷载q:

q=30kPa

各土层计算参数见表1[5]。

表1 土层计算参数

土层编号 /(kN?m-3)C/kPa/(()m/(MN?m-4) 118 113 811 53

217 91019 35

319 2630 98

419 4634 516

519 4632 08

619 4632 416

724206080

8242060100

9242060200

1 淤泥质亚粘土;

2 淤泥质亚粘土与粉砂互层;

3 粉细砂;

4 砾砂;

5 粉细砂;

6 砾砂;

7 强风化基层;

8 弱风化基层;

9 微风化基层;m 土体基床系数。

3 4 结构计算模型

按计算工况计算各层土压力。取单位宽度的连续墙作为竖直放置的弹性地基梁,锚杆和钢筋混凝土内撑简化为弹性支撑,连续墙的墙后(未开挖一侧)受有主动土压力,墙前(开挖一侧)基坑以下的土视为弹性地基,简化成弹簧作用(土弹簧刚度系数即土体基床系数),根据不同的施工工况加设内撑弹簧和拆除地基弹簧。墙后的土压力作为分布荷载作用在连续墙上,基坑以下的墙体受到的土体弹簧作用根据临近单元长度进行分配,简化为节点上的弹性支撑[2,3]

3 5 结构计算工况

根据基坑开挖和锚杆及钢筋混凝土内撑的施工顺序共考虑4种施工工况,见表2。

表2 计算工况

工况编号开挖深度/m已施工支撑

13

271

3132

4坑底3

3 6 计算结果

(1)地下连续墙墙身内力计算,见表3[4]。

表3 单位宽度连续墙墙身内力k N?m 内力值

工 况

1234 M M m ax1351354191430

M

min

-56-112-213-920 V 对应M max901814651221

对应M

min

901743811030

(2)支撑系统最大应力,见表4、表5[4]。

25

2005年6月周 沛 地下连续墙在深基坑支护中的应用

表4 锚杆应力kN 锚杆序号纵1横1纵2横2

应力值457457558558

表5 内撑应力kN 内撑序号纵向最大纵向最小横向最大横向最小应力值7570553066704850

3 7 计算结果与实测值的比较

在基坑开挖过程中支护结构的应力状态和位移变形不断发生变化,其量值必须控制在容许的范围内,否则将对支护结构造成危害,因此必须对基坑支护结构、基坑周围土体及相邻建筑物进行综合系统的监测,确保工程顺利进行[1]。

该次支护结构的监测工程包括:基坑的水平及沉降监测;连续墙的水平位移及应力监测;支撑系统的应力及变形监测。

经计算连续墙顶最大位移为58 3mm,现场实测为54 6mm,基本相符。计算位移曲线和实测位移曲线基本吻合,墙体钢筋应力值均在计算范围内。但靠近基坑四角处位移值及墙体钢筋应力值远比计算小,这差值可能由于计算时考虑场地堆载为30kPa,但实际施工管理较好,故没有出现这么大荷载所致;另外基坑四角处墙体相互约束共同作用,其效果未能充分考虑到。

将锚杆及内支撑应力计算值与实测值比较,实测值和设计值基本相符,说明计算基本能反映实际情况。然而角撑的数值有较大差异,计算值为4850kN,而实测值仅为2900 kN,我们分析是墙体转角处刚度假定取值与实际有出入。

基坑四周地面沉降最大值计算数据为29 mm,实测值为15~28mm,建筑物沉降比较均匀,与基坑远近关系不大。

4 结 论

(1)深基坑围护设计没有固定模式,应根据当地地质条件、施工条件、材料、设备条件及环境因素,因地制宜地选取方案。该工程针对基坑深度大,地下水位高,对位移变形和抗渗效果要求严等特点,采用地下连续墙体同时充当基坑围护结构、止水帷幕和地下室的外壁承重结构是符合实际情况的,工程实践证明也是安全可靠、经济合理的。

(2)地下连续墙的全面合理的计算方法是用等值梁法计算支护结构的内力确保构件的刚度和强度,另用弹性地基梁法计算支护结构的位移变形,预估位移对周边结构物的影响程度。将二者结果相互参照、补充[2]。

(3)支撑部分在施工中会随着时间及施工阶段不同有所变动,目前的计算值只能反映平均情况。故设计时应综合考虑诸如温度变化、土体徐变、施工情况等因素,并给出一定的安全系数[1]。

参考文献:

[1] 龚晓南,等 深基坑工程设计施工手册[M] 北京:中国建

筑工业出版社,1998

[2] 曾国熙,等 地基处理手册(第一版)[M] 北京:中国建筑

工业出版社,1998

[3] 工程地质手册编委会 工程地质手册[M] 第三版,北京:

中国建筑工业出版社,1992

[4] GB5007-2002,建筑地基基础设计规范[S]

[5] GB50021-2001,岩土工程勘察规范[S]

(上接第21页)

境,要求良好的室内外环境品质和自然生态绿化,重视自然采光通风和天然建筑材料的利用。旺旺医院努力的方向,顺应了21世纪医院建筑发展的方向。参考文献:

[1] 贺镇东 医学模式转变及其对医院设计的影响[J] 世界

建筑,1988,(9)

[2] 罗运湖 现代医院建筑设计[M] 北京:中国建筑工业出

版社,2002

[3] 谭伯兰 医院建筑空间环境与心理[M] 建筑学报,1992,(6)

26工程设计与建设第37卷 第3期