计算分析模拟基坑分层挖土及锚杆分层施打、张拉的实际施工过程,分为若干个连续相关的工况,每个工况的计算分析要利用上一工况的计算结果。计算中考虑了锚杆施加之前墙体已产生了一定的位移这一实际情况,同时也考虑了墙体在基坑开挖过程中有时会向基坑外位移的情况,使得计算分析更接近于实际情况。典型断面连续墙的计算结果见图3。
图3 典型段面计算结果
地下连续墙在作为临时支护结构的任务完成后,还将作为建筑物的永久结构继续在使用阶段发挥作用。在进行使用阶段连续墙的受力分析时,要充分考虑其已存在的内力与变形,这样才能正确分析连续墙的工作状态。地下室各层楼板施工完成后,随锚杆全部拆除,各层楼板成为连续墙的新支点,地连墙内力重分布,其各阶段及最终内力、变形与实测墙体位移的对比见图3、图4。
3.2 锚杆设计 预应力锚杆技术是本基坑工程成败的关键。在如此之深的基坑中,连续墙上的绝大部分水平荷载传至锚杆,准确地确定锚杆的承载力和变形性能,科学地进行锚杆设计是基坑支护结构安全可靠、经济合理的保障。为此,在工程锚杆施工之前进行了锚杆基本试验,以检验其承载力和变形性能,作为设计依据。锚杆设计综合考虑了以下问题:
图4 墙体计算位移与实测值比较
(1)锚杆所在的地层条件; (2)连续墙的水平位移计算值不超过30mm; (3)力求使连续墙的弯矩分配合理,不要出现局部过大弯矩; (4)锚杆的位置在满足地下室施工的前提下尽量接近地下室楼板,以减少锚杆拆除后连续墙内力的突变; (5)为了减小连续墙在施工阶段的内力和位移,锚杆在地下室施工至±0.00后拆除。 设计计算时,通过调整各设计参数,经过多次试算得到最优化的计算结果。
3.3 配筋设计 配筋计算考虑施工开挖挡土支护阶段和建成使用阶段(内力重分布后)不同的内力值。取各阶段内力包络值为配筋计算依据,按现行混凝土设计规范进行承载力计算。混凝土强度等级C40,Ⅱ级钢筋。图5为墙段配筋示意。钢筋保护层厚度75mm。墙段内钢筋网为柔性绑扎,便于施工吊装一次就位。纵向钢筋接头采用机械接头,接头位置尽量避开内力弯矩最大处。
图5 槽段接头与配筋示意
3.4 连接构造设计 (1)地下连续墙施工接头型式 槽段间接头采用圆形接头管,直径取墙厚800mm,见图5。 这种接头型式方便施工,可以分段开挖,同时施工,缩短工期。而且,圆形接头管型式简单,端部容易清理,接头处混凝土质量易得到保证。我们也曾考虑过带凸榫形等其它型式的接头管,虽然整体性更好,但由于本工程槽段很深,淤积在接头管表面的泥浆难以清理,影响工程质量,反而会使接头处更薄弱。 (2)地下连续墙与内部结构之间的连接节点设计 地下连续墙与内部结构有多种连接方法,如在地下连续墙内再做内衬墙,作为主体结构的外墙,这种作法施工方便,结构连接可靠,缺点是占用了使用空间。在本工程的设计中,为满足有效的建筑使用空间,我们采用单壁式墙体的连接节点设计。 ①地下连续墙与基础底板之间的连接 基础底板采用了预埋钢筋接驳器的连接方法。见图6。
图6 基础底板钢筋连接大样
②地下连续墙与地下室各层楼板及墙体之间的接头 采用直接连接的方法,即在连续墙内预埋连接钢筋,墙内一端满足锚固要求,另一端弯折后紧贴墙面,主体结构施工时,将弯折筋扳直,与楼板或内墙的受力筋搭接。见图7。
图7 楼板钢筋连接大样
③地下连续墙与主体结构梁之间的接头 梁的纵向受力筋直径均较大,无法采用钢筋直接连接的接头形式。我们也采用了预埋钢筋接驳器的连接方法,参见“基础底板钢筋连接大样”。 上述地下连续墙与水平楼板、梁之间的连接构造设计属首次应用。设计中,我们主要考虑以下几点: ①当楼板承受竖向荷载时,地下连续墙与水平楼板之间的连接措施必须可靠,不能发生移动和错位。实际上,水平楼板作为地下连续墙在使用阶段的支撑,土的侧压力在楼板处形成很大的水平力,由于楼板与地下连续墙接触面粗糙,相应在该接触面上产生摩擦力,该摩擦力与水平推力成正比。本工程基槽很深,地下连续墙受到的土压力大,产生的摩擦力足以保证板在竖向荷载下,端部不发生位移。 ②预埋在地下连续墙内的钢筋不仅可以承受设计弯矩,也能承受一定的剪力,有销键作用。 ③地下连续墙竖向钢筋采用75mm保护层,在与基础板、楼板连接处,将保护层剔凿掉,再连接板筋,浇筑板混凝土,使板钢筋及混凝土能嵌入地下连续墙,有利于连接处抗剪和避免端部位移。 (3)施工中地下连续墙与预埋件的定位控制 由于地下连续墙是地下室的外墙,而且其上埋设多种与内部结构相连接的铁件,因此施工要确保墙体及预埋件的定位准确。本工程施工采取以下措施: ①地下连续墙成槽前,沿地下室外墙位置布设导墙,在导墙上将每个槽段的位置放线。连续墙挖槽、接头管及钢筋笼就位严格对线,保证连续墙平面位置的准确。 ②连续墙成槽过程中,随时用仪器监测槽壁的垂直度,保证连续墙的垂直度满足要求。 ③钢筋笼入槽就位时,用水准仪测量钢筋笼的高程,保证连续墙垂直方向的位置准确。 ④钢筋笼严格按图纸绑扎,并于钢筋笼两侧绑扎保护层垫块;预埋件绑扎在钢筋笼上,绑扎时保证预埋件与钢筋笼相对位置的准确。
3.5 防水设计 地下连续墙和基础防水采用XYPEX结晶防水材料,这是一种新型的高效防水材料,能和混凝土共同形成可靠的刚性防水屏障,见图8。
图8 防水大样
XYPEX与水混合涂于混凝土表面,其中的化学物质发生反应,生成不溶性的纤维状结晶,封住混凝土中的空隙及毛细管道,阻止了水和其它液体的渗透。当用于承受水压的地下工程时,由于XYPEX内所含的化学物质对水有亲和力,在地下水的渗透过程中,结晶体沿混凝土内部空隙及毛细管逐渐形成,在很高的水压下,这种作用仍然发生。 通过本工程实践,作为与地下连续墙配套使用的XYPEX刚性防水材料效果很好。 地下连续墙及地下室各层楼板施工完成后所进行的观察和检测结果显示,地下连续墙槽段间结合完好,与内部结构连接处混凝土质量可靠,防水效果理想,说明我们采取的构造设计是成功的。
4 地连墙底部压浆技术的应用 本工程首次在地连墙底部采用后压浆技术,使这一技术应用领域有了新的扩展。由于基坑开挖深,地连墙的最大开槽深度达29m多。挖槽机开挖后,槽底沉渣彻底清理干净非常困难。此外,泥浆护壁的质量、挖槽机挖槽的竖向偏差等可能引起槽壁坍塌,造成地连墙槽底沉渣量加大。考虑本工程特点,地连墙在使用阶段除挡土功能外,还要承受上部结构楼板和外墙传来的较大竖向荷载,槽底沉渣量过大,会使地连墙产生附加竖向沉降。附加沉降使地连墙与基础板、楼板间产生附加沉降差。槽底虚土和沉渣越多,沉降差越大。这将对上部结构的外墙和楼板间的连接构件产生影响,同时无法满足高档建筑装修的要求。因此,设计和施工必须考虑这一影响,并采取措施消除沉降差。经现场测量槽底虚土和沉渣厚度约15cm。为去除其不良影响,降低槽底沉渣压缩量,设计将用于桩基的桩底压浆技术扩展到本工程地连墙槽底加固。压浆采用C25水泥浆,控制压力平均为2MPa,利用压浆管将水泥浆液压入槽底,在槽底形成水泥浆加固区,去除虚土和沉渣的不良影响。经现场施工后连续观测,地连墙沉降量甚小,上部结构墙体与相连楼板间没有发现不良变化,保证了建筑装修的要求。
5 地连墙各阶段监测结果 本工程对地连墙自基坑开挖至地下室楼板结构施工完毕、地连墙锚杆拆除等全过程进行监测。监测内容包括地连墙顶部侧向位移、地连墙墙身位移、墙内钢筋应力变化、周围建筑物及周边地面沉降观测。监测结果显示: (1)周边环境:周围建筑物的沉降仅为0.2mm,基坑相邻地面的沉降大都在10mm左右,周围的地下设施无一受到损坏,说明基坑开挖对周边环境的影响甚微。 (2)连续墙位移:除南侧局部因特殊情况提前拆除部分锚杆导致连续墙墙顶位移增加外,其它部位连续墙体的位移均小于30mm,达到了预期的目的,满足了连续墙的变形要求。实测墙体水平位移沿深度的变化见图4,从图中可以看出,墙体位移的计算曲线与实测曲线变化规律相同,数值接近,表明理论分析正确可行。
6 结 论 通过本工程地连墙的设计与施工,我们主要有以下几点体会: (1)对于施工阶段支护与使用阶段挡土承重合一的地连墙,应按实际施工加载过程计算。在基坑开挖及锚杆拆除后,考虑内力重分布的影响。以往设计者只按施工时基坑开挖挡土阶段及建成后挡土与承受上部荷载阶段单独计算,从而导致结果的较大误差。 (2)必须进行严格的变形设计。对支护与使用合一的地连墙,除强度设计外,变形设计非常重要。在这种条件下,地连墙及锚杆(内力)设计主要由变形设计控制,因此不能忽视。 (3)地连墙与楼板连接节点安全可靠,保证了建筑设计要求的使用空间,为建筑设计的自由度提供了技术保证。 (4)在地连墙底采用压浆技术可以有效控制地连墙竖向位移,使地连墙与基础底板的变形协调一致。 (5)伴随优质的防水材料的产生和应用,使地连墙的技术更易被人们所接受和使用。 目前中银大厦结构已经基本施工完成。实践表明,设计和施工成功可行,所采用的新技术、新方法具有一定的工程借鉴意义。 本文得到中国建筑科学研究院何广乾教授的指导,特此感谢。 |