山肩邦男法在地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙玉杰，趙善國

(1. 中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津301700;2. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080)

1 工程概述

該工程為鄭州市某下穿式隧道工程，擬建場(chǎng)地周圍均為高層建筑物，基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜。工程本身包含隧道引坡和下穿式隧道兩部分，隧道及引坡凈寬15.5 m，隧道長(zhǎng)286 m，引坡兩側(cè)各185 m?；幼畲舐裆罴s12 m，引坡段U型槽底設(shè)抗拔樁，樁長(zhǎng)4 ～20 m。下穿式隧道部分采用地下連續(xù)墻和鋼管支撐。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

擬建工程在地貌上屬黃河沖積平原東部泛濫平原區(qū)，地形較平坦，地貌單一。表層為0.3 m 厚水泥地坪，下至約2.0 m為填土;2.0 m ～32.0 m為第四紀(jì)全新世沖積形成的地層，以粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主;32.0 m以下為第四紀(jì)晚更新世沖積形成的地層，以粉質(zhì)黏土為主。

2.2 水文地質(zhì)

本場(chǎng)地勘察期間地下水位埋深3.0 m 左右( 標(biāo)高約88.71 m左右) ，年變幅約1.0 m左右，在第七層粉細(xì)砂具有承壓水，據(jù)調(diào)查近20 a最高水位埋深0.5 m左右。屬第四系松散巖類孔隙潛水，地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水，場(chǎng)地環(huán)境類別屬Ⅰ類。地下水經(jīng)取樣分析對(duì)混凝土無腐蝕性。

3 基坑支護(hù)方案選擇

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型表

該工程周圍建筑物較多，場(chǎng)地比較狹窄，基坑開挖深度大，地下水位較淺，地下管線較多，因此不適于用放坡、土釘和樁錨支護(hù)。

地下連續(xù)墻剛度大，擋土結(jié)構(gòu)變形小，整體性較好，止水效果好，適應(yīng)于開挖深度大、地質(zhì)條件差且復(fù)雜的基坑，是支護(hù)結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的支護(hù)形式。它除了擋土、防水、止?jié)B外，還能承重作為結(jié)構(gòu)一部分及地下室的外墻。該基坑開挖范圍內(nèi)土層主要為新近沉積的稍密—中密狀態(tài)的粉土，可塑的粉質(zhì)黏土，土質(zhì)條件較差，且擬建場(chǎng)地內(nèi)埋藏有較多地下管線，掩埋土質(zhì)均為組成極不均勻的雜填土。經(jīng)分析論證，下穿隧道外墻應(yīng)該采用地下連續(xù)墻。該方案地下室外墻與建筑物紅線重合，不占用紅線外用地，既可保證隧道上部豎向荷載的有效傳遞，同時(shí)也可保證隧道內(nèi)部使用空間不受影響，滿足隧道的使用要求。施工開挖階段，地下連續(xù)墻為施工支護(hù)結(jié)構(gòu)，用于擋土、截水;使用階段為地下室外墻兼擋土墻。此方案完全滿足規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)要求，故采用地下連續(xù)墻作為該基坑的支護(hù)方案。

4 地下連續(xù)墻基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

地下連續(xù)墻的計(jì)算理論是從古典的假定土壓力為已知，不考慮墻體變形，不考慮橫撐變形，逐漸發(fā)展到考慮墻體變形，考慮橫撐變形，直至考慮土體與結(jié)構(gòu)的共同作用，土壓力隨墻體變化而變化，主要計(jì)算方法見表3。

本文計(jì)算采用山肩邦男近似解法進(jìn)行地下連續(xù)墻內(nèi)力計(jì)算，其基本假定為:

1) 在黏土地層中，墻體作為底端自由的有限長(zhǎng)的彈性體。

2) 墻背土壓力在開挖面以上取為三角形，在開挖面以下取為矩形( 已抵消開挖面一側(cè)的靜止土壓力) 。

3) 開挖面以下土的橫向抵抗反力取為被動(dòng)土壓力，其中( wx+ v) 為被動(dòng)土壓力減去靜止土壓力( ηx) 后的數(shù)值。

4) 橫撐設(shè)置后，即作為不動(dòng)支點(diǎn)。

5) 下道橫撐設(shè)置后，認(rèn)為上道橫撐的軸向壓力值保持不變，而且下道橫撐點(diǎn)以上的墻體仍然保持原來的位置。

6) 開挖面以下墻體彎矩M=0 的那點(diǎn)，假想為一個(gè)鉸，而且忽略此鉸以下的墻體對(duì)上面墻體的剪力傳遞。

表3 土壓力計(jì)算方法

近似解只需應(yīng)用兩個(gè)靜力平衡方程式:

由∑Y = 0 ，得

利用∑MA= 0 ，以及式(1) ，經(jīng)化簡(jiǎn)后得:

近似解法的計(jì)算步驟如下:

第一階段開挖后，式1、2 的下標(biāo)k =1，而且Ni 取為零，從式2 中求出xm，然后代入式1 求出N1 。

第二階段開挖后，式1 和2 的下標(biāo)k =2，而且Ni 只有一個(gè)N1 是已知值。從式2 求出xm，然后代入式1 求出N2 。

第三階段開挖后，k = 3，Ni 有兩個(gè)，即N1、N2 作為已知值，由式2 求得xm，然后代入式1，求出N3 。

以此類推，求得各道支撐軸力后，可進(jìn)一步求出墻體內(nèi)力。

本文在具體計(jì)算時(shí)，選取了一段面進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，該處采用3 道Φ600 鋼管內(nèi)支撐。并與等值梁法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 地下連續(xù)墻嵌固深度計(jì)算

由《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50007—2002) 可知，假設(shè)地下連續(xù)墻的臨界嵌固深度為hd，則在這一嵌固深度處，土壓力和支撐軸力對(duì)這點(diǎn)的力矩和應(yīng)為0，即:

代入相關(guān)數(shù)據(jù)有hd= 11.48 m

嵌固深度設(shè)計(jì)值hd= 1.2hd= 1.2 ×11 m = 13.2 m

所以最終取嵌固深度為hd=13 m

6 利用《深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件F－SPW》進(jìn)行計(jì)算

地下連續(xù)墻最大內(nèi)力、彎矩和位移圖見圖2。

利用里正深基坑支護(hù)軟件，簡(jiǎn)化計(jì)算，選取14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)墻幅長(zhǎng)度，即14 ×6 m。按開挖工況及3 層Φ609 ×14 鋼支撐依次進(jìn)行網(wǎng)線布置、支護(hù)布置、內(nèi)撐布置，最后進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，可得出各開挖工況墻體彎矩和內(nèi)撐力。其最大彎矩為－1287.84 kN·m，最大剪力為623.45 kN，最大位移29 mm。

7 地下連續(xù)墻接頭

地下連續(xù)墻接頭有多種形式，不是止水效果差，就是施工工藝復(fù)雜;工字鋼板接頭，是由鋼板焊成，能有效地傳遞基坑外水土壓力和豎向力，整體性好，施工方便，止水效果好，故本工程采用工字鋼板接頭。

8 結(jié)束語

1) 山肩邦男彈塑性法較古典的理論考慮墻體變形，亦可采用手算進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，簡(jiǎn)便實(shí)用。

2) 鋼管支撐具有可循環(huán)利用，安裝便捷，性能穩(wěn)定、節(jié)約投資等顯著優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在對(duì)稱設(shè)計(jì)中可適當(dāng)提高其設(shè)計(jì)軸力，但在斜撐段受力比較復(fù)雜，易設(shè)置鋼筋混凝土牛腿，讓斜撐轉(zhuǎn)化為軸向受力構(gòu)件?？刹捎脳U件標(biāo)準(zhǔn)化、制作工廠化以及安裝維修一體化來提高安裝速度和保證節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。

3) 地下連續(xù)墻工字鋼板接頭是一種較好的接頭形式，已在部分地區(qū)深基坑工程的地下連續(xù)墻接頭中得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。

［1］高大釗. 深基坑工程［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:46.

［2］朱合華. 地下建筑結(jié)構(gòu)［M］. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2005:32－34.

［3］黃強(qiáng). 深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)技術(shù)［M］. 北京: 中國建材工業(yè)出版社，1995:23－25.

［4］秦四清. 深基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］. 北京:地震出版社，1998:42－43.