逆作法工程地下连续墙施工的关键问题研究

摘要: 本文提出了运用逆作法进行地下连续墙施工的关键问题是控制接头构造质量、中间柱连接质量及控制沉降量,在详细分析质量隐患产生机理的基础上,提出了通过相关理论验算与施工质量控制措施相结合的地下连续墙施工关键问题控制技术。

关键词: 逆作法;地下连续墙施工;施工验算;关键技术

1.引言

高层建筑推广应用逆作法,能够提高地下工程的安全性,可以大大节约工程造价,缩短施工工期,防止周围地基出现下沉采用逆作法施工,并得到了广泛的应用。为保证工程施工质量,进行必要的施工验算和施工控制,进行全过程的质量控制是地下连续墙成败的关键,因此,有必要对关键施工环节进行分析,提出可靠的质量保证技术。

2. 地下连续墙的理论计算

2.1荷载计算

作用于地下连续墙主动侧的土压力值,与墙体刚度、支撑情况及加设方式、土方开挖方法等有关。所以,当地下连续墙的变形较大时,用其计算主动土压力基本能反映实际情况。

(l)水平荷载标准值应按当地可靠经验确定,无经验时可按下列规定计算。

l)对于碎石土和砂土,当计算点位于地下水位以上时:

(式2.1)

式中第j层的主动土压力系数;

(式2.2)

当计算点位于地下水位以下时:

式中-计算点深度;-计算参数,zj

2)对于粉土及粘性土

(式2.4)

(2)基坑外侧竖向应力标准值的计算。

(式2.5)

1)计算点深度Zj处的自重竖向应力

①计算点位于基坑开挖面以上时:, (式2.6),式中-深度以上土的加权平均天然重度。

②计算点位于基坑开挖面以下时: (式2.7),开挖面以上土的加权平均天然重度。

2)当围护结构外侧地面满布附加荷载度附加竖向应力标准值可按下式确定:。(式2.8)

3)上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时,将计算点深度相应下移,其竖向应力也可按上述计算确定。

2.2内力计算

根据我国的情况,对设有支撑的地下连续墙,可采用竖向弹性地毕梁(或板) 的基床系数法(m法)和弹性线法。应优先采用前者,对一般性工程或墙体刚度不大时,亦可采用弹性线法。此外有限元法,亦可用于地下连续墙的内力计算。

地下连续墙视为埋入地基土中的弹性杆件,假定其基床系数在坑底处为零,随深度成正比增加。当a2h≤2.5时,假定墙体刚度为无限大,按刚性基础计算;当a2h>2.5时,按弹性基础计算,其中变形系数:。(式2.9)

式中m―地基土的比例系数,有表可查,参阅有关地下连续墙设计与施工规程;E―地下连续墙混凝土的弹性模量;J―地下连续墙的截面惯性矩;b―地下连续墙的计算宽度(一般取b=lm)。

根据弹性梁的挠曲微分方程,可得坑底以下墙体的表达式为:

(式2.10),解上述微分方程,可得各截面处的弯矩和剪力。

2.3沉降计算

作为支护结构使用的地下连续墙,一般不需进行沉降计算。如果要计算,则可按下述方法进行。地下连续墙的底端为承受荷载的作用面,假定该作用面内的荷载为均布。在此均布荷载q作用下产生的土中应力的竖向分量,按下式计算:

(式2.11)

式中σ, z―墙底端长方形荷载面角点下离荷载面深Z(m)处的竖向应力(kN/m2);

m, n―墙底端长方形荷载面的两个边长与Z之比;沉降量按下式计算:

(式2.12)

式中s―沉降量(cm);z一荷载作用的深度(cm) ; e1―应力等于σ1z时土的孔隙比; e2―应力等于σ2z时土的孔隙比;σ1z―计算的地下连续墙修建前z处的有效应力(kN/m2);σ2z―计算的地下连续墙修建后z处的有效应力(kN/m2)

3. 逆作法工程地下连续墙施工的关键

3.1地下连续墙的接头构造施工技术要求

(1)锁口管接头,施工时,待一个单元槽段土方挖好后,于槽段端部用吊车放入接头管,然后吊放钢筋笼并浇筑混凝土,待浇筑的混凝土强度达到0.05-0.20MPa时,开始用吊车或液压顶升架提拔接头管,上拔速度应与混凝土浇筑速度、混凝土强度增长速度相适应,一般为2-4米每小时,应在混凝土浇筑结束后8小时以内将接头管全部拔出。接头管拔出后,单元槽段的端部形成半圆形,继续施工即形成两相邻单元槽段的接头,增强整体性和防水能力。

(2)隔板式接头。由于隔板与槽壁之间难免有缝隙,为防止新浇筑的混凝土渗入,要在钢筋笼的两边铺贴纤维尼龙等化纤布。化纤布可把单元槽段钢筋笼全部罩住,也可以只有2-3m宽。要注意吊入钢筋笼时不要损坏化纤布。带有接头钢筋的榫形隔板式接头,能使各单元墙段形成一个整体,是一种较好的接头方式。但插入钢筋笼较困难,且接头处混凝土的流动亦受到阻碍,施工时要特别加以注意。

(3)铣接头。由于采用液压铣槽机施工,铣轮在旋转的过程中不断的将I期槽的混凝土切割成锯齿状,这相当于在原有的混凝土表面打毛;浇筑II期槽的混凝土时可以很好地与I期槽混凝土结合,是一种较为理想的连续墙接头形式;同时该接头形式施工的工艺简单。

3.2中间支承柱立柱连接施工

在逆作法施工中,中间支承柱是重要的竖向支撑构件,施工期间中间支承柱需承受的荷载很大。

(1)插入柱脚长度的计算

钢立柱的柱脚插入部分和混凝土之间的内力传递,主要靠粘结力,这部分钢柱与混凝土之间的内力传递可按式(2.10)与式(3.1)结合计算,并取其中的小值。

取前两式相等,即可求出柱脚根部的插入长度。

(式3.2)

若l>lb,应按式(3.1a),即由抗剪与支承来决定插入长度; 若l

因此,为了保证钢柱和核心混凝土的整体性,避免因柱脚处桩身混凝土产生剪切应保证柱脚插入深度大于几,工程实践中通常将其取为3m。允许粘结强度是计算粘结力的一个重要参数。我国规范并未规定粘结强度的计算公式,而是规定了最小锚固长度等构造措施。国内外试验表明,型钢与混凝土的粘结力大约只相当于光面钢筋粘结力的45%,极限粘结强度约与混凝土的抗拉强度成正。考虑到施工柱仅是辅助结构体,参照日本SRC构件的粘结强度试验结果,允许粘结强度可取,式中fc为混凝土抗压设计强度。

(2)中间支承柱垂直度控制

地下室每层钢结构临时支柱的偏差,如在允许范围内,只要不改变垂直受力性能,待施该层柱的钢筋工程前,可以做调整。但是如在地下较深处的垂直精度己超过允许值时,则必须调整。

中间支承柱的垂直精度可通过调整台架进行调整,为了确保钢柱的平面安装精度,在己成为框架的水平杆件上插入滑动件,装上可水平移动的杆件。利用推拉手柄调整水平位置,进而再用嵌入内部的液压千斤顶进行微调后再加以固定。也可在套管内部布置液压千斤顶用于止振,必要时可以用其调整任意部位的水平设置。

(3) 中间支承柱混凝土的浇筑与质量控制

钢管柱安装结束后,应尽快进行砼的浇筑。对用潜水电钻成孔的情况,一般采用导管法进行砼的浇筑,因此钢管的内径要求比导管接头处的直径大50-100mm。

同时砼柱的顶端,一般应高出底板底面标高300mm左右,高出底板部分的砼,在构筑底板时将其凿除,以保证底板与中间支承柱连成一体。

对采用套管成孔或人工挖孔的情况,则常采用串筒浇筑砼,但也可采用导管法。对钢管内的浇筑,则可采用立式手工浇捣法、泵送顶升法或高位抛落无振捣法。采用第一种方法时,对管内砼应分层捣实,可以采用电动铰链提升的振动器进行振捣,每次提升的高度为500mm,砼的浇灌速度也不大于500mm,以确保砼振捣密实。后两种方法则无需振捣。无论采用何种浇注方式,施工中严禁碰撞钢柱及其支撑,并确保砼连续浇筑。

3.3逆作法施工中差异沉降的产生及控制

立柱桩之间及立柱桩与地下连续墙之间的差异沉降是客观存在的,控制结构的不均匀沉降是逆作法施工的关键技术之一,是关系到基坑工程逆作法施工的成败。施工中应通过各种措施控制差异沉降,否则已浇筑的楼板与梁系就会产生裂缝,引起渗漏问题,甚至危及永久结构的安全。

3. 3. 1立柱桩之间

(1)产生机理。在逆作法施工期间,桩身所承受的荷载包括桩身自重、上部外荷载、正摩阻力、负摩阻力、桩端阻力等,这些力共同作用的结果,使桩发生沉降与抬升的变形。地下室及上部结构施工后,由于上部结构的不断加荷,桩身承担的向下荷载增加,立柱就会沉降;而基坑土方的开挖,其卸载作用又会引起坑底土体的回弹,带动立柱上移。控制不好就会产生过大的不均匀沉降。

(2)控制措施。目前要事先精确计算立柱桩在底板封底之前的沉降抬升量还有一定的困难,因此完全消除沉降差也是不可能的,施工前应根据(式2.11)进行验算,进行事前控制。同时可以通过采取措施,减小沉降差。

1)在桩身表面涂布沥青质材料,这样虽然对桩的承载力有一定影响,但对减小相邻立柱桩的沉降差十分有效;2)基坑内增设支撑,增加支撑刚度,合理确定地下连续墙的刚度和入土深度,坑内外进行地基土加固等,设计合理的桩径、桩型、桩长,减少开挖的暴露时间;这些都有利于减少坑底隆起,从而减少坑底隆起对立柱桩的抬升影响;3)桩底注浆、增大桩径及桩长、选定高承载力的桩端持力层等,增大立柱桩的承载力,从而减小立柱桩的沉降及不均匀沉降;4)使立柱之间形成刚性较大的整体,共同协调不均匀变形。

3.3.2立柱桩与地下连续墙之间

(1)产生机理。地下连续墙墙体和立柱桩的差异沉降产生原因主要在于墙体自重较大,同时墙体空间整体连成一体,自身刚度较大;相对而言,立柱桩的自身抗上浮刚度很小,一般地下室柱距都在8m以上,柱网-楼板的共同刚度也十分有限。此外楼板荷载的不均匀分布以及车辆在楼板上的行走也是造成这些差异沉降的原因之一。

(2)控制措施。1)逆作法施工顺序是事先设定的,在挖土各个阶段,立柱桩与地下连续墙受力可以正确计算,按荷载与地基桩的地质指标对各施工工况对立柱桩及地下连续墙进行沉降估算,协调基坑开挖与在桩上施加荷载,使立柱桩与地下连续墙沉降差满足结构设计要求;2)使立柱桩与地下连续墙处在相同的持力层上,减小二者之间的差异沉降;3)斜撑方案。采用该方案来控制地下连续墙与立柱桩的差异沉降。由于增加了临时钢支撑,增大了地下结构的整体刚度,能有效抑制地下连续墙与立柱桩之间的差异沉降;4)边柱方案。在靠近地下连续墙的位置再加设立柱,通过有效减小边柱与地下连续墙的距离,使地下连续墙与立柱桩的差异沉降减小。

4.结语

随着高层和超高层建筑的发展以及人们对地下空间的开发和利用日益增多,基坑工程不仅数量增多,推广应用逆作法,可以大大节约工程造价,缩短施工工期。本文详细讨论了逆作法施工中地下连续墙施工中接头构造、中间支撑柱施工及施工沉降控制等关键问题,提出了相应的分析和应用方法,为工程建设中选用适宜的施工方法奠定了基础。

参考文献:

[1]徐至钧,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002

[2]吴旭君.人工成孔地下连续墙逆作法施工技术[J].施工技术,2008.4

[3]堂兰远.地下连续墙槽段接头形式的探讨[J].探矿工程,2004.9

[4]关振长,谢雄耀.逆作法施工中地下连续墙入土深度的探讨[J].岩土力学,2005.7

作者简介:

姓名:庞万凯 性别:男 出生年月:1971年04月 籍贯:河北省唐山市

单位:唐山开滦勘察设计有限公司职称:高级工程师 研究方向:建筑工程技术