山肩邦男法在地下连续墙设计中的应用

赵玉杰，赵善国

(1. 中国水电基础局有限公司，天津301700;2. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 工程概述

该工程为郑州市某下穿式隧道工程，拟建场地周围均为高层建筑物，基坑周边环境较为复杂。工程本身包含隧道引坡和下穿式隧道两部分，隧道及引坡净宽15.5 m，隧道长286 m，引坡两侧各185 m。基坑最大埋深约12 m，引坡段U型槽底设抗拔桩，桩长4 ～20 m。下穿式隧道部分采用地下连续墙和钢管支撑。

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

拟建工程在地貌上属黄河冲积平原东部泛滥平原区，地形较平坦，地貌单一。表层为0.3 m 厚水泥地坪，下至约2.0 m为填土;2.0 m ～32.0 m为第四纪全新世冲积形成的地层，以粉土、粉质黏土、粉细砂为主;32.0 m以下为第四纪晚更新世冲积形成的地层，以粉质黏土为主。

2.2 水文地质

本场地勘察期间地下水位埋深3.0 m 左右( 标高约88.71 m左右) ，年变幅约1.0 m左右，在第七层粉细砂具有承压水，据调查近20 a最高水位埋深0.5 m左右。属第四系松散岩类孔隙潜水，地下水的补给主要为大气降水，场地环境类别属Ⅰ类。地下水经取样分析对混凝土无腐蚀性。

3 基坑支护方案选择

表1 地层物理力学性质参数表

表2 支护结构选型表

该工程周围建筑物较多，场地比较狭窄，基坑开挖深度大，地下水位较浅，地下管线较多，因此不适于用放坡、土钉和桩锚支护。

地下连续墙刚度大，挡土结构变形小，整体性较好，止水效果好，适应于开挖深度大、地质条件差且复杂的基坑，是支护结构中最强的支护形式。它除了挡土、防水、止渗外，还能承重作为结构一部分及地下室的外墙。该基坑开挖范围内土层主要为新近沉积的稍密—中密状态的粉土，可塑的粉质黏土，土质条件较差，且拟建场地内埋藏有较多地下管线，掩埋土质均为组成极不均匀的杂填土。经分析论证，下穿隧道外墙应该采用地下连续墙。该方案地下室外墙与建筑物红线重合，不占用红线外用地，既可保证隧道上部竖向荷载的有效传递，同时也可保证隧道内部使用空间不受影响，满足隧道的使用要求。施工开挖阶段，地下连续墙为施工支护结构，用于挡土、截水;使用阶段为地下室外墙兼挡土墙。此方案完全满足规划和建筑设计要求，故采用地下连续墙作为该基坑的支护方案。

4 地下连续墙基坑支护设计

地下连续墙的计算理论是从古典的假定土压力为已知，不考虑墙体变形，不考虑横撑变形，逐渐发展到考虑墙体变形，考虑横撑变形，直至考虑土体与结构的共同作用，土压力随墙体变化而变化，主要计算方法见表3。

本文计算采用山肩邦男近似解法进行地下连续墙内力计算，其基本假定为:

1) 在黏土地层中，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，其中( wx+ v) 为被动土压力减去静止土压力( ηx) 后的数值。

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。

6) 开挖面以下墙体弯矩M=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。

表3 土压力计算方法

近似解只需应用两个静力平衡方程式:

由∑Y = 0 ，得

利用∑MA= 0 ，以及式(1) ，经化简后得:

近似解法的计算步骤如下:

第一阶段开挖后，式1、2 的下标k =1，而且Ni 取为零，从式2 中求出xm，然后代入式1 求出N1 。

第二阶段开挖后，式1 和2 的下标k =2，而且Ni 只有一个N1 是已知值。从式2 求出xm，然后代入式1 求出N2 。

第三阶段开挖后，k = 3，Ni 有两个，即N1、N2 作为已知值，由式2 求得xm，然后代入式1，求出N3 。

以此类推，求得各道支撑轴力后，可进一步求出墙体内力。

本文在具体计算时，选取了一段面进行内力计算，该处采用3 道Φ600 钢管内支撑。并与等值梁法计算结果进行了对比，对比结果见表4。

表4 计算结果对比

5 地下连续墙嵌固深度计算

由《建筑地基基础设计规范》( GB50007—2002) 可知，假设地下连续墙的临界嵌固深度为hd，则在这一嵌固深度处，土压力和支撑轴力对这点的力矩和应为0，即:

代入相关数据有hd= 11.48 m

嵌固深度设计值hd= 1.2hd= 1.2 ×11 m = 13.2 m

所以最终取嵌固深度为hd=13 m

6 利用《深基坑支护结构设计软件F－SPW》进行计算

地下连续墙最大内力、弯矩和位移图见图2。

利用里正深基坑支护软件，简化计算，选取14个标准墙幅长度，即14 ×6 m。按开挖工况及3 层Φ609 ×14 钢支撑依次进行网线布置、支护布置、内撑布置，最后进行协同计算，可得出各开挖工况墙体弯矩和内撑力。其最大弯矩为－1287.84 kN·m，最大剪力为623.45 kN，最大位移29 mm。

7 地下连续墙接头

地下连续墙接头有多种形式，不是止水效果差，就是施工工艺复杂;工字钢板接头，是由钢板焊成，能有效地传递基坑外水土压力和竖向力，整体性好，施工方便，止水效果好，故本工程采用工字钢板接头。

8 结束语

1) 山肩邦男弹塑性法较古典的理论考虑墙体变形，亦可采用手算进行内力计算，简便实用。

2) 钢管支撑具有可循环利用，安装便捷，性能稳定、节约投资等显著优点得到广泛应用。在对称设计中可适当提高其设计轴力，但在斜撑段受力比较复杂，易设置钢筋混凝土牛腿，让斜撑转化为轴向受力构件。可采用杆件标准化、制作工厂化以及安装维修一体化来提高安装速度和保证节点质量。

3) 地下连续墙工字钢板接头是一种较好的接头形式，已在部分地区深基坑工程的地下连续墙接头中得到广泛应用，并取得了较好的效果。

［1］高大钊. 深基坑工程［M］. 北京:机械工业出版社，1999:46.

［2］朱合华. 地下建筑结构［M］. 北京: 中国建筑工业出版社，2005:32－34.

［3］黄强. 深基坑支护工程设计技术［M］. 北京: 中国建材工业出版社，1995:23－25.

［4］秦四清. 深基坑工程优化设计［M］. 北京:地震出版社，1998:42－43.