深基坑围护结构地下连续墙结构设计

,建筑工程学院,CACE,第七章 地下连续墙结构,第一节 概 述,第二节 结构设计,第三节 接头设计,第七章 地下连续墙结构,一、地下连续墙的概念,槽壁法 ，1950年首次应用于意大利的米兰地下建筑工程中。,我国的水电部门于1958年开始，在山东青岛月子口水库工程中采用这种技术修建防渗墙，随后又在北京、云南、贵州、广东、广西、甘肃、吉林、江西等省市，五十多项工程中采用地下连续墙技术，取得良好的技术、经济效果。,近期在城市基坑工程中得到普遍应用。如北京王府井宾馆（基坑深度,16.0m,墙厚,0.6m,深,20m,）,上海金茂大厦（基坑深度,15.0m,墙厚,1.0m,深,36m,）等,第一节 概 述,一、地下连续墙的概念,zz,地铁,1,号线国贸站地下连续墙,第一节 概 述,左、右线上下重叠地下三层侧式站台车站，,基坑总长,238.49m,，深约,25m,，,一、地下连续墙的概念,zz,地铁,1,号线国贸站地下连续墙,第一节 概 述,标准段宽度：车站为,20.25m,，连续墙总长度,541m,，成墙面积,1.47m,2,。连续墙划分为标准中幅（幅度,6m,）,69,幅，非标准幅,13,幅及特殊幅,14,幅，共计,96,幅，,一、地下连续墙的概念,zz,地铁,1,号线国贸站地下连续墙,第一节 概 述,定义：,利用挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注混凝土而形成一道具有防渗,(,水,),、挡土和承重功能的连续的地下墙体，称为地下连续墙。,第一节 概 述,一、地下连续墙的概念,二、地下连续墙的施工方法,第一节 概 述,导墙施工,第一节 概 述,泥浆制备厂,成槽机挖土,第一节 概 述,接头箱,钢筋笼制作,钢筋笼起吊,钢筋笼吊放,浇注混凝土,优点,施工时对环境影响小。没有噪音，无振动，不必放坡，可紧邻相近的建筑和地下设施施工；,墙体刚度大，整体性好，结构和地基变形都较小，即可用于超深围护结构，也可用作主体结构；,连续墙为整体连续结构，耐久性和抗渗性好；,可实行逆作法施工，有利于施工安全，加快施工进度；,适用于多种地质条件。,第一节 概 述,三 地下连续墙的特点及适用条件,缺点,弃土和废泥浆处理。除增加工程费用外，若处理不当，还会造成新的环境污染。,地质条件和施工的适应性问题。,槽壁坍塌问题。,现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙，如果对墙面要求较高，虽可使用喷浆或喷砂等方法进行表面处理或另作衬壁来改善，但增加工作量；,地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构，不如采用钢板桩尚可拔出重复使用来得经济。,第一节 概 述,三 地下连续墙的特点及适用条件,适用场合：,基坑深度大于,10m;,软土地基或砂土地基；,在密集的建筑群或重要的地下管线条件下施工，对基坑工程周围地面沉降和位移值有严格限制的地下工程。,围护结构与主体结构相结合，对抗渗有严格要求时；,采用逆作法施工，内衬与护壁形成复合结构的工程。,第一节 概 述,三 地下连续墙的特点及适用条件,四,地下连续墙的技术要点,1),如何在各种复杂地基中开挖出符合设计要求,(,如几何尺寸、偏斜度等,),的槽孔来,?,2),如何保证槽孔在开挖和回填过程中的稳定,?,3),如何用适宜的材料回填到槽孔中，形成一道连续的、不透水的并能承受各种荷载的墙体来,?,4),如何解决各个墙段之间的接缝连接问题,?,一 地下连续墙受力特点,施工阶段和使用阶段几种典型的工作状态：,槽段土方开挖阶段 槽段侧壁的稳定性,地下连续墙浇筑形成 开挖前的受力状态,基坑第一层开挖 悬臂受力状态、地面侧向位移,基坑土方开挖阶段 墙的结构强度、基坑稳定及变形量,基坑土方工程结束 基坑底部隆起、基坑整体失稳,工程竣工 水土压力和上部地面建筑的垂直载荷共同作用下的强度和变形,第二节 结构设计,二 结构体系的破坏形式,稳定性破坏,整体失稳,基坑底隆起,管涌及流沙,强度破坏,支撑强度不足或压屈,墙体强度不足,变形过大,第二节 结构设计,三 地下连续墙设计计算的主要内容,(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),验算开挖槽段的槽壁稳定，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、截面强度验算、接头的联结强度验算和构造处理。,（一）施工阶段,基坑开挖水土压力；,施工荷载，若采用逆作法考虑上部结构自重。,四 荷载确定,（二）使用阶段,水土压力；,主体结构传递的恒载和活载。,水土压力的确定是荷载确定的关键！,水土压力的计算规定,1粘性土按水土合算，非粘性土按水土分算，按水土分算时，应考虑地下水是否有渗流。,2.,土压力分布模式：泰沙基试验,4某些规范规定土压力分布应按入土深度和墙体侧向位移选用。如,港口工程地下连续墙结构设计与施工规程,（,JTJ 303- 2003,），,上海市基坑工程设计规程,等。,土压力类别与墙体位移,/,基坑深度,H,的关系,土压力类别,土压力类别,静止土压力,降低的被动土压力,提高的主动土压力,被动土压力,主动土压力,水土压力计算规定,（一）槽幅：一次成槽的槽壁长度,槽壁长度,槽段划分,五 槽幅设计,（二）槽壁长度确定规定,槽壁长度应与成槽机械尺寸成模数关系，最小不小于机械的尺寸，最大尺寸由槽壁稳定性确定。,目前常用为,36m,一般不超过,8m,。,（三）槽幅稳定性验算,梅耶霍夫经验公式法,临界深度,H,cr,五 槽幅设计,黏土、泥浆的有效重度，,kN/m,3,;,条形基础的承载力系数。,槽壁的平面宽度、长度，,m,。,（三）槽幅稳定性验算,梅耶霍夫经验公式法,槽壁坍塌安全系数,F,s,五 槽幅设计,开挖外侧（土压力,),槽底水平压力强度；,开挖内侧（泥浆压力）槽底水平压力强度。,（三）槽幅稳定性验算,梅耶霍夫经验公式法,开挖槽壁的横向变形,五 槽幅设计,计算点深度，,m;,土的压缩模量，,kN/m,2,。,（三）槽幅稳定性验算,非粘性土的经验公式,安全系数,五 槽幅设计,砂土、泥浆的重度，,kN/m,3,;,砂土的内摩擦角。,（四）槽段划分,考虑的因素,成槽施工顺序,连续墙接头形式,主体结构布置及设缝要求,五 槽幅设计,导墙截面形式,C20,混凝土，厚度,200300mm,；,导墙深度深入原状土不小于,300mm,；,顶面高出地面,100200mm,；,宽度大于连续墙设计宽度的,3050mm,。,六 导墙设计,连续墙厚度依据不同阶段的受力、变形和裂缝控制要求确定，常用规格,600,、,800,、,1000,、,1200mm,；,连续墙的入土深度（基坑地面以下的深度）与基坑深度之比，称为入土径比，据经验依据地质条件取,0.71.0,；,可用古典稳定判别方法,板桩稳定平衡状态法得出初值。,七 连续墙厚度深度初选,古典稳定判别方法,板桩底端为自由的稳定状态,入土深度过小,七 连续墙厚度深度初选,支撑或锚杆水平轴力；,墙入土深度；,被动侧总压力；,主动侧总压力。,古典稳定判别方法,板桩底端为嵌固的稳定状态,悬壁桩,七 连续墙厚度深度初选,据实际变形情况，设墙体绕,E,转动，则,E,以上墙后为主动土压，墙前为被动土压，,E,点以下则相反。,E,点以下墙段对上段的作用力记为,P,（图）。,可求出嵌深的上段,t,，再乘,由,以,1.2,作为嵌固深度,土压分布与前类似，但这里多一未知量，超静定，用,等值梁法,求解。,设合土压,=0,处,M,=0,（近似, x,0,/H,和,有关），由,CA,段,S,M,C,=0,，可求出拉力,T,、,P,0,；,由下段,S,M,C,=0,求,t,，再乘以,1.2,。,板桩底端为嵌固的稳定状态,带撑或锚,（一）较古典的计算方法：,假设条件：土压力已知，不考虑墙体和支撑变形。,方法：假想梁法、,1/2,分割法、泰沙基法,八、地下连续墙计算理论及方法,（二）横撑轴向力、墙体弯矩不变：,假设条件：土压力已知，考虑墙体变形，不考虑支撑变形。,方法：山肩帮男法,（三）横撑轴向力、墙体弯矩可变：,假设条件：土压力已知，考虑墙体、支撑变形。,方法：日本弹塑性法、有限元法,（四）共同变形理论：,假设条件：土压力随墙体变位而变化，考虑墙体、支撑变形。,方法：森重龙马法、有限元法,（二）横撑轴向力、墙体弯矩不变化的计算方法,该类计算理论是以某些实测现象作依据的,横撑轴向压力、墙体弯矩不随开挖过程变化,（二）横撑轴向力、墙体弯矩不变化的计算方法,1山肩邦男法（精确解）,基本假定：,（1）在粘土地层中，墙体作为无限长的弹性体；,（2）墙背土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下取为矩形；,（3）开挖面以下土的横向抵抗反力分为两个区域；达到被动土压力的塑性区，高度为,l,，,以及反力与墙体变形成直线关系的弹性区；,（4）横撑设置后，即作为不动支点；,（5）下道横撑设置后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，而且下道横撑点以上的墙体仍然保持原来的位置。,（二）横撑轴向力、墙体弯矩不变化的计算方法,2山肩邦男法（近似解法）,基本假定：,（1）在粘土地层中，墙体作为,底端自由的有限长,的弹性体；,（2）墙背土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下取为矩形（已抵消开挖面一侧的静止土压力）；,（3）开挖面以下土的,横向抵抗反力取为被动土压力,（4）横撑设置后，即作为不动支点；,（5）下道横撑设置后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，而且下道横撑点以上的板桩仍然保持原来的位置。,（6）,开挖面以下板桩弯矩为0的那点，假想为一个铰，而且忽略此铰以下的墙体对上面墙体的剪力传递。,三、地下连续墙计算理论及方法,2山肩邦男法（近似解法）,2山肩邦男法（近似解法）,解题的步骤,:,a),在第一阶段开挖后，,k=1,由式,(2),求出,x,m,，将,x,m,代入式,(2),算出,N,1,;,b),在第二阶段开挖后，,k=2,，,N,1,已知，由式,(2),求出,x,m,，将,x,m,代入式,(2),算出,N,2,;,c),在第三阶段开挖后，,k=3,，,N,1,、,N,2,已知，由式,(2),求出,x,m,，将,x,m,代入式,(2),算出,N,3,;,3国内常用的计算方法,（二）横撑轴向力、墙体弯矩不变化的计算方法,3国内常用的计算方法,3国内常用的计算方法,将两式合并,实例：,如图所示，己加粘土的物理力学指标为：,=18kN,m,3,，,=14,，,c,7kN,m,2,，地面超载,g=18kN,m,2,，地下水位离地面,1m,。开挖深度,18m,，采用地下连续墙，并设四道支撑，试求支撑袖力及墙体弯矩。,解：利用朗肯土压力理论计算土压力，并按地下水位计算水压力。延墙体长度方向取,1m,。,计算墙前被动土压力,第,1,阶段开挖，深度,6m,，单支撑,求出,第,2,阶段开挖，深度,10m,，两道支撑,求出,第,3,、,4,阶段开挖，支撑轴力和墙体弯矩,?,4.弹性法,基本假设,墙体作无限长的弹性体；,已知水、土压力，并假定为三角形分布；,开挖面以下作用在墙体上的土抗力，假定与墙体的变位成正比例；,横撑（楼板）设置后，即把横撑支点作为不动支点；,下道横撑设置以后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，其上部的墙体也保持以前的变位。,公式推导,在第,K,道横撑到开挖面的区间,公式推导,在开挖面以下的弹性区间,公式推导,在开挖面以下的弹性区间,待定系数的求解,连续条件,弹性曲线的最终形式,弹性曲线的最终形式,弹性法的计算步骤：,a）,第一次开挖时，第一道横撑支点作为不动，求第一道横撑的轴向压力,N,1,以及第二道横撑预定位置的变位,2,；,b）,第二次开挖时，把,N,1、,2,作为定值，求第二道横撑的轴压力,N,2,，,以及第三道横撑预定位置的变位,3,；,c）,第三次开挖时，把,N,1,、N,2,及,3,作为定值，求第三道横撑的轴向力,N,4,，,以及求第四道横撑预定位置的变位,4,。,以下即重复计算。,实例：,己加粘土的物理力学指标为：,=18kN,m,3,，,=14,，,c,7kN,m,2,，地面超载,g=18kN,m,2,，地下水位离地面,1m,。,k,h,=20000kN/m,3,Es=k,h,1=,20000kN/m,2,开挖深度,18m,，采用地下连续墙，厚度,800mm,，,C25,混凝土，设四道支撑，试求支撑袖力及墙体弯矩。,解：地下连续墙厚,80cm,，,水土压力分布同前，则 ，开挖深度、支撑同前,单支撑：,单支撑：,由 计算公式,求第,2,道支撑的变位 （此时以,x=0,代入公式）则,第,24,道支撑计算省略。,最终弯矩和轴力图,该法基本点是：,考虑支撑的弹性变位，图中弹簧表示支撑；,主动侧的土压力可用实测资料，假设为坐标的二次函数；,入土部分为已达到朗金被动土压力的塑性区及土抗力与墙体变位成正比的弹性区；,墙体作为有限长，前端支撑可以是自由、铰结、固定。,（三）横撑轴向力，墙体弯矩随开挖变化的计算方法,符号约定：,（三）横撑轴向力，墙体弯矩随之变化的计算方法,未知量共,4,（,K+1,）个,弹性曲线方程的建立,区间：,弹性曲线方程的建立,（三）横撑轴向力，墙体弯矩随之变化的计算方法,区间：开挖面以下主动土压力为定值,区间,根据0、,A、B,点条件，使用计算机完成。,未知量共,4,个,未知量共,4,个，总未知量为,5K+13,个,考虑墙体和支撑的变形，土压力随墙体变形而变化。,（,1,）森重马龙法,（,2,）有限元法,弹性地基杆系有限元法,弹性地基薄板有限元法,弹性地基薄壳有限元法,二维有限元法,了解各方法的基本原理。,参考书：,（四）共同变形理论简介,1,关宝树，,地下工程,，高等教育出版社,.,2,陈忠汉、,程丽萍, ,深基坑工程,，机械工业出版社,.,3,丛葛森，,地下连续墙的设计施工与应用,，中国水利水电出版社。,考虑墙体和支撑的变形，土压力随墙体变形而变化。,（,1,）森重马龙法,（四）共同变形理论简介,一 接头类型：施工接头 结构接头,施工接头,是浇筑地下连续墙时连接两相邻单元墙间的接头；,结构接头,是已竣工的地下连续墙墙体与地下结构物其它构件（梁、柱、楼板等）相连接的接头。,第三节 地下连续墙接头设计,一 接头类型：施工接头 结构接头,施工接头,直接连接,接头管,接头箱,隔板,预制构件,第三节 地下连续墙接头设计,一 接头类型：施工接头 结构接头,结构接头,直接连接,间接连接,铁板媒介连接,剪刀块连接,第三节 地下连续墙接头设计,（一）施工接头,1直接连接构成接头：,墙体直接与土体接触，受力和防渗性能较差。,第三节 地下连续墙接头设计,（一）施工接头,2.使用接头管（也称锁口管）建成接头：应用较广，常用圆形钢管,第三节 地下连续墙接头设计,（一）施工接头,3使用接头箱建成的接头,第三节 地下连续墙接头设计,（一）施工接头,4用隔板建成的接头,第三节 地下连续墙接头设计,（一）施工接头,5用预制构件建成的接头,第三节 地下连续墙接头设计,（二）结构接头,1直接连接成的接头,2间接连接成的接头,见,P232,图,9-27,和,9-28,第三节 地下连续墙接头设计,