第十章地下闭合墙基础

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。第二节地下闭合墙基础承载力计算

按我国现行“桥规”，对需考虑基础周围地基弹性抗力的深埋基础，按刚性深基础处理，一般情况下，桥梁基础无需设计成弹性地下闭合墙基础，因刚性地下闭合墙基其截面尺寸较大，墙壁较厚，基础高度不大，在施工技术、机械化水平较低的情况下均可施工。

在考虑不同的施工方法前提下，刚性地下闭合墙基础的设计计算的主要内容有，计算并检算基础的竖向承载力，水平承载力及倾覆稳定性；计算在最不利荷载作用下基础变位和内力；根据内力计算结果进行基础墙壁的竖直主筋设计、细部构造及配筋设计以及施工中基础结构的受力计算等。2.1竖向承载力计算在竖向力作用下，图10-6为计算图示。地下闭合墙基础受力性状类似于挖孔灌注桩，受力比较明显。对一般良好地基土，内外墙面与地基的摩阻力均需考虑，对软弱地基和基础内部土体截面较小的情况基内摩阻力要进行折减(为了安全也可不计)。基础顶部竖向容许承载力用[v]表示，按下式计算竖向容许承载力。结合“桥规”中确定平基地基容许承载力的经验公式，(10-1)式可修改为：2.2水平承载力计算

在对基础进行抗震检算时，因在横向振动荷载作用下以及发生地震时，基内土体与基础有同步变位的趋势(或—起运动)，故考虑基内土体水平承载的作用时要进行折减，或只计基底面水平摩擦力和基础外壁面的地基反力。对非地震力，基础内土体水平抗力有效高度为h(或取一半基内土柱高度)，如图10-7所示。或者不考虑内部土体作用力，按实体基础的计算结果，再相应提高(10-20)％。(这是根据日本有关实桥基础的测试和对两组不同规模的模型试验结果的分析，给出的一个比较保守的数据，供设计中参考)。水平容许承载力[P]由下式计算。2.3基础抗覆稳定性计算

对于刚性地下闭合墙基础，当基顶有横向外力作用时（包括力矩），需进行抗倾覆稳定性检算，先要求出基础所能承受的最大容许力矩。此项检算有两种情况，见下图示，当H＋Pb<Ph+Pc时，是类型I的情况，基础的转动中心在基底以上处，即y0＜L，一般刚性地下闭合墙基础均属此类，极限抗倾覆力矩用下式计算：倾覆力摩矩：M0＝M+拆Hy0检算：M0≤MK允/F豪s其中P1、P2、P3、P4、P5的计茶算同军前。当H+直Pb富≥P膀h+埋Pc时，为恒第Ⅱ种情况扇，此种钟情况一岸般发生堤在基础讨埋得较坦浅，周像围地基惠较软弱夕的刚性腔基础，判或基底滔嵌入硬吹质土层恢，此时薄基础的本转动中苍心位于必基底以植下中心卧轴处，盆即y0颜≥L，由(10晒-8)式计算中基础的杨极限抗仍倾覆力杀矩：抗倾帆覆稳芦定性示检算新图3地下闭改合墙基颠础在横脖向荷载诵作用下柴内力认与变位庭计算3.1力学计蚊算模型设地卧下闭煤合墙盲基础殃计算傍模型禁如图10作-9所示，埋基础内想外有8种类撤型的纲地基旋弹性钻抗力屿，分岁别用Kθ、αK骨θ、Ks、εKs、K’球s、βK’胡s、Kc和Kv表示。竖因基础毛被看作遮刚性体迎，空间对刚体变昆位也非如常小，军所以在断竖向力邻、水平棕力和力道矩共同挨作用下触，可分智开进行歌计算。插假定基麻础在外抄力和周旱围地基攀弹性抗嫌力的作确用下，这绕中心萌轴处某沃点转动反，转动得角θ，基础永前后墙籍面的水六平抗力幻玉地基系姓数为：设基底础两起侧墙忆面剪酿切地教基系溉数K’s和前后筛墙面竖蓄向剪切溉地基系岛数Ks均为常搞量；基季础内部肥土的剪仓切地基庆系数分哨别为βK’淹s、εKs、αK糖e为内载部土别体水台平向护地基呼系数绒；α、ε、β为折减锣系数均朽小于1。在地源震时，盐因基础仇内土壤潜与其共摸同振动滔，以及晕在水平救荷载作崖用下，鞠基础内耗上部一妻定高度凑土体有翼与基础杠一起变辰位的起岩变位的级趋势，环因而设睁基础内痕土体抗样力作用蚊的有效顶高度为h，对皂非地刑震力责计算h也可有取一位半基绿入土灵的高烂度，猪当用榴地震斧力计叹算时微可取袄如图10注-8所示附高度瓦。当基牢础在肯外力师作用颈下，兆地基杨土对失其各滤墙壁滴面产尿生地非基反旨力，状计算送图式黑如图10-骆10所示。图10深-9力学计简算模型3.2刚性伴地下歪闭合素墙基严础变唯位计毛算根据稿力学挪计算悟图示(图10朱-1打0)，列抖出力列的平登衡方作程，演可得衔到计知算基返础变橡位的都公式田如下：其中：当y0＝L，即赴基础倦绕基恩底中事心转老动(例如创基底泡嵌入筹岩层)时，瞒则有其中愤：上式稠中m为地四基系仁数Kθ的比厌例系闲数，肃对多照层地幅基土赞。3.续3地基祖系数还为常康量的泰解答在用本稻节公式荡计算较崭干硬黄坝土地基喷中地下鹿闭合墙境基础的扇变位，衔当外力滚较小、泪位移较筒小时，茄计算结富果可能匙与实际峡结果相损差较大匆，其主砖要原因主是，计拿算公式疮是在假自定地基瞎土的弹三性抗力龙与位移族是线弹术性变化暂情况推础求的，况即σx=Cy·△x，而待实际市上，宪它们寄是非帆线弹乎塑性视变化蜂的关碑系，糊通过汇现场酒基础怕荷载会试验日，实柿测基绍础变欲位与阁外力从的关踏系是袋一曲央线，洋而计夜算出愈的是择一直饶线，严只有妹在两语条线疑相交瘦的那命一点被才是保完全烈吻合抖的，纠而这易一点专随着暴地基打系数跌的比贯例系巡寿数m的取值辨的大小纱而前移窝和后移据。如果哨按σx与位晋移△x非线朱弹塑必性变探化关优系来永推求移计算倾公式搁，将收使得落计算羊非常很复杂森，需蜂用数后值分若析法伴由计坛算机统编程屋计算访，在倍实际革应用吃中很拘不方杨便。对同一众土层假途设地基暖系数为诱常量进摊行分析密计算的独情况是侵：在实乡丰际开挖得黄土基翠坑时，除发现坑变壁挖得笋很陡直拳，有些静槽深达l0m而土壁联并不坍菊塌，沟仪槽土壁个在一定丝式深度内火保持稳碰定，这缩慧说明在欧一定的猫条件下蹦沟槽两肠壁土体米结构处金于弹性卖平衡状辛态。当坑槽孔挖算好后，怨灌注混怜凝土时克，土壁务又起着脾模板的增作用，挣混凝土世会对土买壁产生偿很大侧条压力，悠压力大纷小与槽绪孔深度袄成正比曲。然而递在混凝之土的养构护期，拘混凝土未又会逐扮渐干硬怪收缩，求侧压力炕逐渐减锈小，通档过基础戏模型试区验，测钞读各测乌点压力紫盒不同顶时间的塑静土压姻力发现秃，靠近院地面处盈测点的替土压力耻读数值毙在灌注傻混凝土震前、后(混凝听土养丙护几采天后)变化不界大。鉴葛于这种朗情况，漫对同—黄土层姻，假定关其剪切摔地基系舅数为常临数，对日水平挤访压地基钞抗力系烤数Ke也假贱定为峡常值薯能满客足一枝定的姓精度钓要求至。因水平更地基抗舱力的大映小还与抚地基土骑含水量课的多少恩、土的住容重和滤密实度(即孔止隙比e)等有荡关，浆通过神两次膏黄土牧地基爬原位耽模型陵试验厚和地剑基的卷旁压粱测试方发现被，随摩着深烟度的乎增加脱，含案水量镜也增逗大，穴土粒亦变得掠湿软延，尽蝇管容膜重增神大即嗽孔隙涂比e减小铺，而军地基尿土的书侧压槽强度推比上瓣部土祝层没蜡有多污大提霞高。齐因此嗓，Ke可按耽基础复埋深盈中部躁的完企全被钱动和奥主动上土压用力的库差值q再除念以产覆生q值的位要移△f得到本。△f通常可朗取l0亦mm计算沈。第四谁节．地下榴闭合视墙基霜础的悉细部弱结构瓶设计4.1水平密配筋肿计算如基础葬的平面刘尺寸较批大，而状墙壁又赴较薄时落，一般错要配一下定量水桑平筋，趣尤其是员单元墙伴接头处沾，必须稿设置水满平接缝浓筋。水花平筋配撕置计算统是取基膊础外周届面的地饲基反力亭较大的青一段按管框架结帮构计算乘，先按并混凝土戒结构进驰行强度探检算，陈当不满凑足要求兴时，墙输壁厚又寻不能增封加时，挡则需配者水平受军力钢筋夸。如图10-您12，取一疾定高度滚闭合墙弦基础，厌略去次稳要因素辈，(可不众考虑蚕内部瞎土体屿的作待用)计算图士式为一纹平面受豆力的框疫架结构唉，计算毯其最大抗正负弯窑矩。取S高度墙程壁按水号平框架巧计算图抚示ω：S段图形狗的面积评，也即S段高度砌内地基咳反力的踪蝶合力。对基户础底区部：粪也取S高度闭宫合墙，到一般的降