山肩邦男法在地下連續墻設計中的應用

趙玉杰，趙善國

(1. 中國水電基礎局有限公司，天津301700;2. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概述

該工程為鄭州市某下穿式隧道工程，擬建場地周圍均為高層建筑物，基坑周邊環境較為復雜。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286 m，引坡兩側各185 m。基坑最大埋深約12 m，引坡段U型槽底設抗拔樁，樁長4 ～20 m。下穿式隧道部分采用地下連續墻和鋼管支撐。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質

擬建工程在地貌上屬黃河沖積平原東部泛濫平原區，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為第四紀全新世沖積形成的地層，以粉土、粉質黏土、粉細砂為主;32.0 m以下為第四紀晚更新世沖積形成的地層，以粉質黏土為主。

2.2 水文地質

本場地勘察期間地下水位埋深3.0 m 左右( 標高約88.71 m左右) ，年變幅約1.0 m左右，在第七層粉細砂具有承壓水，據調查近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，地下水的補給主要為大氣降水，場地環境類別屬Ⅰ類。地下水經取樣分析對混凝土無腐蝕性。

3 基坑支護方案選擇

表1 地層物理力學性質參數表

表2 支護結構選型表

該工程周圍建筑物較多，場地比較狹窄，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。

地下連續墻剛度大，擋土結構變形小，整體性較好，止水效果好，適應于開挖深度大、地質條件差且復雜的基坑，是支護結構中最強的支護形式。它除了擋土、防水、止滲外，還能承重作為結構一部分及地下室的外墻。該基坑開挖范圍內土層主要為新近沉積的稍密—中密狀態的粉土，可塑的粉質黏土，土質條件較差，且擬建場地內埋藏有較多地下管線，掩埋土質均為組成極不均勻的雜填土。經分析論證，下穿隧道外墻應該采用地下連續墻。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，同時也可保證隧道內部使用空間不受影響，滿足隧道的使用要求。施工開挖階段，地下連續墻為施工支護結構，用于擋土、截水;使用階段為地下室外墻兼擋土墻。此方案完全滿足規劃和建筑設計要求，故采用地下連續墻作為該基坑的支護方案。

4 地下連續墻基坑支護設計

地下連續墻的計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，逐漸發展到考慮墻體變形，考慮橫撐變形，直至考慮土體與結構的共同作用，土壓力隨墻體變化而變化，主要計算方法見表3。

本文計算采用山肩邦男近似解法進行地下連續墻內力計算，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( 已抵消開挖面一側的靜止土壓力) 。

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

4) 橫撐設置后，即作為不動支點。

5) 下道橫撐設置后，認為上道橫撐的軸向壓力值保持不變，而且下道橫撐點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，假想為一個鉸，而且忽略此鉸以下的墻體對上面墻體的剪力傳遞。

表3 土壓力計算方法

近似解只需應用兩個靜力平衡方程式:

由∑Y = 0 ，得

利用∑MA= 0 ，以及式(1) ，經化簡后得:

近似解法的計算步驟如下:

第一階段開挖后，式1、2 的下標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k =2，而且Ni 只有一個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，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，可進一步求出墻體內力。

本文在具體計算時，選取了一段面進行內力計算，該處采用3 道Φ600 鋼管內支撐。并與等值梁法計算結果進行了對比，對比結果見表4。

表4 計算結果對比

5 地下連續墻嵌固深度計算

由《建筑地基基礎設計規范》( GB50007—2002) 可知，假設地下連續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這點的力矩和應為0，即:

代入相關數據有hd= 11.48 m

嵌固深度設計值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《深基坑支護結構設計軟件F－SPW》進行計算

地下連續墻最大內力、彎矩和位移圖見圖2。

利用里正深基坑支護軟件，簡化計算，選取14個標準墻幅長度，即14 ×6 m。按開挖工況及3 層Φ609 ×14 鋼支撐依次進行網線布置、支護布置、內撐布置，最后進行協同計算，可得出各開挖工況墻體彎矩和內撐力。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 地下連續墻接頭

地下連續墻接頭有多種形式，不是止水效果差，就是施工工藝復雜;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，亦可采用手算進行內力計算，簡便實用。

2) 鋼管支撐具有可循環利用，安裝便捷，性能穩定、節約投資等顯著優點得到廣泛應用。在對稱設計中可適當提高其設計軸力，但在斜撐段受力比較復雜，易設置鋼筋混凝土牛腿，讓斜撐轉化為軸向受力構件。可采用桿件標準化、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點質量。

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

［1］高大釗. 深基坑工程［M］. 北京:機械工業出版社，1999:46.

［2］朱合華. 地下建筑結構［M］. 北京: 中國建筑工業出版社，2005:32－34.

［3］黃強. 深基坑支護工程設計技術［M］. 北京: 中國建材工業出版社，1995:23－25.

［4］秦四清. 深基坑工程優化設計［M］. 北京:地震出版社，1998:42－43.