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1、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。
2、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l3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
3、，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1010m、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17.9 mm，卸载后残留位移为9.6mm，转角为810-4rad。8号墩的闭合墙基础顶最大水平位移量仅为3.6m
4、m，转角为210-4rad，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
5、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
6、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20.53300m，入土深度为42m，壁厚1.5m。室兰
7、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、
8、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，
9、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HPbPh+Pc时，是类型I的情况，基础的转动中心在基底以上处，即y0L，
10、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：,倾覆力矩：M0M+Hy0检算：M0MK/Fs 其中 P1、P2、P3、P4、P5的计算同前。当H+PbPh+Pc时，为第种情况，此种情况一般发生在基础埋得较浅，周围地基较软弱的刚性基础，或基底嵌入硬质土层，此时基础的转动中心位于基底以下中心轴处，即y0L，由(10-8)式计算基础的极限抗倾覆力矩：,抗倾覆稳定性检算图,3 地下闭合墙基础在横向荷载作用下内力与变位计算,3.1力学计算模型设地下闭合墙基础计算模型如图10-9所示，基础内外有8种类型的地基弹性抗力，分别用K、K、Ks、Ks、Ks、Ks、Kc和Kv表示。因基础被看作刚性体，空
11、间刚体变位也非常小，所以在竖向力、水平力和力矩共同作用下，可分开进行计算。假定基础在外力和周围地基弹性抗力的作用下，绕中心轴处某点转动，转动角，基础前后墙面的水平抗力地基系数为：,设基础两侧墙面剪切地基系数Ks和前后墙面竖向剪切地基系数Ks均为常量；基础内部土的剪切地基系数分别为Ks、Ks、Ke为内部土体水平向地基系数；、为折减系数均小于1。在地震时，因基础内土壤与其共同振动，以及在水平荷载作用下，基础内上部一定高度土体有与基础一起变位的起变位的趋势，因而设基础内土体抗力作用的有效高度为h，对非地震力计算h也可取一半基入土的高度，当用地震力计算时可取如图10-8所示高度。当基础在外力作用下，地
12、基土对其各墙壁面产生地基反力，计算图式如图10-10所示。,图10-9 力学计算模型,3.2刚性地下闭合墙基础变位计算,根据力学计算图示(图10-10)，列出力的平衡方程，可得到计算基础变位的公式如下：其中：,当y0L，即基础绕基底中心转动(例如基底嵌入岩层)时，则有,其中：,上式中m为地基系数K的比例系数，对多层地基土。,3.3 地基系数为常量的解答,在用本节公式计算较干硬黄土地基中地下闭合墙基础的变位，当外力较小、位移较小时，计算结果可能与实际结果相差较大，其主要原因是，计算公式是在假定地基土的弹性抗力与位移是线弹性变化情况推求的，即x=Cyx，而实际上，它们是非线弹塑性变化的关系，通过现
13、场基础荷载试验，实测基础变位与外力的关系是一曲线，而计算出的是一直线，只有在两条线相交的那一点才是完全吻合的，而这一点随着地基系数的比例系数m的取值的大小而前移和后移。如果按x与位移x非线弹塑性变化关系来推求计算公式，将使得计算非常复杂，需用数值分析法由计算机编程计算，在实际应用中很不方便。,对同一土层假设地基系数为常量进行分析计算的情况是：在实际开挖黄土基坑时，发现坑壁挖得很陡直，有些槽深达l0m而土壁并不坍塌，沟槽土壁在一定深度内保持稳定，这说明在一定的条件下沟槽两壁土体结构处于弹性平衡状态。当槽孔挖好后，灌注混凝土时，土壁又起着模板的作用，混凝土会对土壁产生很大侧压力，压力大小与槽孔深度
14、成正比。然而在混凝土的养护期，混凝土又会逐渐干硬收缩，侧压力逐渐减小，通过基础模型试验，测读各测点压力盒不同时间的静土压力发现，靠近地面处测点的土压力读数值在灌注混凝土前、后(混凝土养护几天后)变化不大。鉴于这种情况，对同黄土层，假定其剪切地基系数为常数，对水平挤压地基抗力系数Ke也假定为常值能满足一定的精度要求。因水平地基抗力的大小还与地基土含水量的多少、土的容重和密实度(即孔隙比e)等有关，通过两次黄土地基原位模型试验和地基的旁压测试发现，随着深度的增加，含水量也增大，土粒变得湿软，尽管容重增大即孔隙比e减小，而地基土的侧压强度比上部土层没有多大提高。因此，Ke可按基础埋深中部的完全被动和
15、主动土压力的差值q再除以产生q值的位移f得到。f通常可取l0mm计算。,第四节地下闭合墙基础的细部结构设计,4.1水平配筋计算如基础的平面尺寸较大，而墙壁又较薄时，一般要配一定量水平筋，尤其是单元墙接头处，必须设置水平接缝筋。水平筋配置计算是取基础外周面的地基反力较大的一段按框架结构计算，先按混凝土结构进行强度检算，当不满足要求时，墙壁厚又不能增加时，则需配水平受力钢筋。如图10-12，取一定高度闭合墙基础，略去次要因素，(可不考虑内部土体的作用)计算图式为一平面受力的框架结构，计算其最大正负弯矩。,取S高度墙壁按水平框架计算图示,：S段图形的面积，也即S段高度内地基反力的合力。,对基础底部：
16、也取S高度闭合墙，一般的情况下，S为单位高度。s：基底摩擦力（kPa）t：墙壁厚度（m）1、2：如图10-11基础底部地基反力围成阴影部分的面积。对，应理解为，基础在外力作用下外壁后墙地基土在弹性范围内，地基对墙面静土压力的减小值，可近似按计算。取=（0.20.4）。解释见下图。,4.3顶盖板的设计一般情况下顶盖板的厚度为150-300cm，混凝土标号150号。必要时，也需对顶盖板进行强度检算，计算图10-15所示有两种情况，取最不利者。根据计算结果调整顶盖板的厚度及钢筋网的布置。图10-15中符号含义为：1：由墩（台）底面传到单位宽盖板上分布力(kN/m)；2：单位宽顶盖板重量(kN/m);R1，R2：顶盖作为悬臂计算时，单位宽闭合墙的支承反力：R1，R2：顶盖按简支梁计算时，单位宽闭合墙墙壁对其支承反力，以上力均可根据墙壁与顶盖交界面以上的竖向力求出。,
