地下连续墙作为支护结构的内力计算

地下连续墙作为支护结构时的内力计算(2009-01-07 16:40:54)标签：分类：（一）荷载用作支护结构的地下连续墙，作用于其上的荷载主要是土压力、水压力和地面荷载引起的附加荷载。

若地下连续墙用作永久结构，还有上部结构传来的垂直力、水平力和弯矩等。

作用于地下连续墙主动侧的土压力值，与墙体刚度、支撑情况及加设方式、土方开挖方法等有关。

当地下连续墙的厚度较小，开挖土方后加设的支撑较少、较弱，其变形较大，主动侧的土压力可按朗肯土压力公式计算。

我国有关的设计单位曾对地下连续墙的土压力进行过原体观测，发现当位移与墙高的比值△／H达到1‰一8‰时，在墙的主动侧，其土压力值将基本上达到朗肯土压力公式计算的土压力值。

所以，当地下连续墙的变形较大时，用其计算主动土压力基本能反映实际情况。

对于刚度较大，且设有多层支撑或锚杆的地下连续墙，由于开挖后变形较小，其主动侧的土压力值往往更接近于静止土压力。

如日本的《建筑物基础结构设计规范》中既做如此规定。

至于地下连续墙被动侧的土压力就更加复杂。

由于产生被动土压力所需的位移(我国实测位移与墙高比值△／H需达到1％一5％才会达到被动土压力值)往往为设计和使用所不允许，即在正常使用情况下，基坑底面以下的被动区，地下连续墙不允许产生使静止土压力全部变为被动土压力的位移。

因而，地下连续墙被动侧的土压力也就小于被动土压力值。

目前，我国计算地下连续墙多采用竖向弹性地基梁(或板)的基床系数法，即把地下连续墙入土部分视作弹性地基梁，采用文克尔假定计算，基床系数沿深度变化。

（二）内力计算作为支护结构的地下连续墙，其内力计算方法国内采用的有：弹性法、塑性法、弹塑性法、经验法和有限元法。

根据我国的情况，对设有支撑的地下连续墙，可采用竖向弹性地基梁(或板)的基床系数法(m 法)和弹性线法。

应优先采用前者，对一般性工程或墙体刚度不大时，亦可采用弹性线法。

此外有限元法，亦可用于地下连续墙的内力计算。

用竖向弹性地基梁的基床系数法计算时，假定墙体顶部的水平力H、弯矩M及分布荷载q1和q2作用下，产生弹性弯曲变形，坑底面以下地基土产生弹性抗力，整个墙体绕坑底面以下某点O转动(图4-2-1 )、在O点上下地基土的弹性抗力的方向相反。

图4-2-1 竖向弹性地基梁基床系数法计算简图地下连续墙视为埋入地基土中的弹性杆件，假定其基床系数在坑底处为零，随深度成正比增加。

当α2h≤时，假定墙体刚度为无限大，按刚性基础计算；当α2h＞时，按弹性基础计算，其中变形系数α2= (4-2-1)式中m——地基土的比例系数，有表可查，参阅有关地下连续墙设计与施工规程。

如流塑粘土，液性指数I L≥l，地面处最大位移达6mm时，m＝300--500；E——地下连续墙混凝土的弹性模量；J——地下连续墙的截面惯性矩；b——地下连续墙的计算宽度(一般取b＝1m)。

根据弹性梁的挠曲微分方程，可得坑底以下墙体的表达式为：（4-2-2）解上述微分方程，可得各截面处的弯矩和剪力。

如地下连续墙上有支撑或拉锚时，如图4-2-2所示。

则先根据支点处水平变形等于零，用力法求出支撑或拉锚的内力R a、R b、R c。

再将支撑(拉锚)内力R a、R b、R c作为集中荷载作用在墙上，然后用上述方法计算墙的内力和变形。

图4-2-2 有支撑（拉锚）的地下连续墙计算简图如土方分层开挖并分层及时安设支撑，则需根据实际分层挖土情况，分别用上述方法对各个工况进行计算，其计算简图如图4-2-3所示。

如拆除支撑的方案已定，还需计算各拆撑工况的内力。

图4-2-3 分层挖土和安设支撑时的计算简图（a）分层挖土和支撑安设图；（b）地下连续墙为悬臂墙；（c）地下连续墙为单支撑的墙；（d）地下连续墙为两个支撑的墙（三）沉降计算作为支护结构使用的地下连续墙，一般不需进行沉降计算。

如果要计算，则可按下述方法进行。

地下连续墙的底端为承受荷载的作用面，假定该作用面内的荷载为均布。

在此均布荷载q 作用下产生的土中应力的竖向分量，按下式计算：(4-2-3)式中σ z——墙底端长方形荷载面角点下离荷载面深Z(m)处的竖向应力(kN／m2)；m、n——墙底端长方形荷载面的两个边长与Z之比。

沉降量按下式计算：s＝(4-2-4)式中s——沉降量(cm)；z——荷载作用的深度(cm)；e1——应力等于σ1z时土的孔隙比；e2——应力等于σ 2z时土的孔隙比；σ1z——用式(3—4)算得的地下连续墙修建前z处的有效应力(kN／m2)；σ 2z——用式(3—4)算得的地下连续墙修建后z处的有效应力(kN／m2)。

（四）构造处理I混凝土强度及保护层现浇钢筋混凝土地下连续墙，其设计混凝土强度等级不得低于C20，考虑到在泥浆中浇筑，施工时要求提高到不得低于C25。

水泥用量不得少于370kg／m3，水灰比不大于，坍落度宜为180--210mm。

混凝土保护层厚度，根据结构的重要性、骨料粒径、施工条件及工程和水文地质条件而定。

根据现浇地下连续墙是在泥浆中浇筑混凝土的特点，对于正式结构其混凝土保护层厚度不应小于70mm，对于用作支护结构的临时结构，则不应小于40mm。

II接头设计总的来说地下连续墙的接头分为两大类：施工接头和结构接头。

施工接头是浇筑地下连续墙时在墙的纵向连接两相邻单元墙段的接头；结构接头是已竣工的地下连续墙在水平向与其他构件(地下连续墙和内部结构，如梁、柱、墙、板等)相连接的接头。

1．施工接头(纵向接头)确定槽段间接头的构造设计时应考虑以下因素：（1）对下一单元槽段的成槽施工不会造成困难。

（2）不会造成混凝土从接头下端及侧面流入背面。

（3）能承受混凝土侧压力，不致严重变形。

（4）根据结构设计的要求，传递单元槽段之间的应力，并起到伸缩接头的作用。

（5）槽段较深需将接头管分段吊入时应装拆方便。

（6）在难以准确进行测定的泥浆中能够较准确的进行施工。

（7）造价低廉。

常用的施工接头有以下几种：（1）接头管(亦称锁口管)接头。

这是当前地下连续墙施工应用最多的一种施工接头。

施工时，待一个单元槽段土方挖好后，于槽段端部用吊车放入接头管，然后吊放钢筋笼并浇筑混凝土，待浇筑的混凝土强度达到时(一般在混凝土浇筑后3—5h，视气温而定)，开始用吊车或液压顶升架提拔接头管，上拔速度应与混凝土浇筑速度、混凝土强度增长速度相适应，一般为2—4m／h，应在混凝土浇筑结束后8h以内将接头管全部拔出。

接头管直径一般比墙厚小50mm，可根据需要分段接长。

接头管拔出后，单元槽段的端部形成半圆形，继续施工即形成两相邻单元槽段的接头，它可以增强整体性和防水能力，其施工过程如图4-2-4所示。

此外，还有“注砂钢管接头工艺”等施工方法。

图4-2-4 接头管接头的施工顺序（a）开挖槽段；（b）吊放接头管和钢筋笼；（c）浇筑混凝土；（d）拔出接头管；（e）形成接头1-导墙；2-已浇筑混凝土的单元槽段；3-开挖的槽段；4-未开挖的槽段；5-接头管；6-钢筋笼；7-正浇筑混凝土的单元槽段；8-接头管拔出后的孔洞（2）接头箱接头。

接头箱接头可以使地下连续墙形成整体接头，接头的刚度较好。

接头箱接头的施工方法与接头管接头相似，只是以接头箱代替接头管。

一个单元槽段挖土结束后，吊放接头箱，再吊放钢筋笼。

接头箱在浇筑混凝土的一面是开口的，所以钢筋笼端部的水平钢筋可插入接头箱内。

浇筑混凝土时，接头箱的开口面被焊在钢筋笼端部的钢板封住，因而浇筑的混凝土不能进入接头箱。

混凝土初凝后，与接头管一样逐步吊出接头箱，待后一个单元槽段再浇筑混凝土时，由于两相邻单元槽段的水平钢筋交错搭接，而形成整体接头，其施工过程如图4-2-5 所示。

图4-2-5 接头箱接头的施工顺序（a）插入接头箱；（b）吊放钢筋笼；（c）浇筑混凝土；（d）吊出接头管；（e）吊放后一槽段的钢筋笼；（f）浇筑后一槽段的混凝土，形成整体接头1-接头箱；2-接头管；3-焊在钢筋笼上的钢板此外，图4-2-6所示用U形接头管与滑板式接头箱施工的钢板接头，是另一种整体式接头的做法。

这种整体式钢板接头是在两相邻单元槽段的交界处，利用U形接头管放入开有方孔且焊有封头钢板的接头钢板，以增强接头的整体性。

接头钢板上开有大量方孔，其目的是为增强接头钢板与混凝土之间的粘结。

滑板式接头箱的端部设有充气的锦纶塑料管，用来密封止浆，防止新浇筑混凝土浸透。

为了便于抽拔接头箱，在接头箱与封头钢板和U形接头管接触处皆设有聚四氟乙烯滑板。

图4-2-6 U形接头管与滑板式接头箱（a）U形接头管；（b）滑板式接头箱；1-接头钢板；2-封头钢板；3-滑板式接头箱；4-U形接头管；5-聚四氟乙烯滑板；6-锦纶塑料管施工这种钢板接头时，由于接头箱与U形接头管的长度皆为按设计确定的定值，不能任意接长，因此要求挖槽时严格控制槽底标高。

吊放U形接头管时，要紧贴半圆形槽壁，且其下部一直插到槽底，勿将其上部搁置在导墙上。

这种整体式钢板接头的施工过程如图4-2-7所示。

图4-2-7 U形接头管与滑板式接头的施工顺序（a）单元槽段成槽；（b）吊放U形接头管；（c）吊放接头钢板和接头箱；（d）吊放钢筋笼；（e）浇筑混凝土；（f）拔出接头箱；（g）拔出U形接头管1-U形接头管；2-接头箱；3-接头钢板；4-封头钢板；5-钢筋笼（3）隔板式接头。

隔板式接头按隔板的形状分为平隔板、榫形隔板和V形隔板(图4-2-8 )。

由于隔板与槽壁之间难免有缝隙，为防止新浇筑的混凝土渗入，要在钢筋笼的两边铺贴维尼龙等化纤布。

化纤布可把单元槽段钢筋笼全部罩住，也可以只有2—3m宽。

要注意吊入钢筋笼时不要损坏化纤布。

图4-2-8隔板式接头（a）平隔板；（b）榫形隔板；（c）V形隔板1-正在施工槽段的钢筋笼；2-已浇筑混凝土槽段的钢筋笼；3-化纤布；4-钢隔板；5-接头钢筋带有接头钢筋的榫形隔板式接头，能使各单元墙段形成一个整体，是一种较好的接头方式。

但插人钢筋笼较困难，且接头处混凝土的流动亦受到阻碍，施工时要特别加以注意。

2．结构接头地下连续墙与内部结构的楼板、柱、梁、底板等连接的结构接头，常用的有下列几种：（1）预埋连接钢筋法。

预埋连续钢筋是应用最多的一种方法，它是在浇筑墙体混凝土之前，将加设的设计连接钢筋弯折后预埋在地下连续墙内，待内部土体开挖后露出墙体时，凿开预埋连接钢筋处的墙面，将展出的预埋连接钢筋弯成设计形状，与后浇结构的受力钢筋连接(图4-2-9 )。

为便于施工，预埋的连接钢筋的直径不宜大于22mm，且弯折时加热宜缓慢进行，以免连接筋的强度降低过多。

考虑到连接处往往是结构的薄弱处，设计时一般使连接筋有20％的富余。

（2）预埋连接钢板法。

这是一种钢筋间接连接的接头方式，在浇筑地下连续墙的混凝土之前，将预埋连接钢板放入并与钢筋笼固定。

浇筑混凝土后凿开墙面使预埋连接钢板外露，用焊接方式将后浇结构中的受力钢筋与预埋连接钢板焊接(图4-2-10 )。