支护结构计算之水泥土墙计算.docx
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支护结构计算之水泥土墙计算
水泥土墙计算
水泥土墙设计，应包括：
方案选择；结构布置；结构计算；水泥掺量与外加剂配合比确定；构造处理；土方开挖；施工监测。
水泥土墙一般宜用于坑深不大于6m的基坑支护，特殊情况例外。
1．水泥土墙布置
水泥土墙和平面布置，主要是确定支护结构的平面形状、格栅形式及局部构造等。
平面布置时宜考虑下述原则：
（1）支护结构沿地下结构底板外围布置，支护结构与地下结构底板应保持一定净距，以便于底板、墙板侧模的支撑与拆除，并保证地下结构外墙板防水层施工作业空间。
当地下结构外墙设计有外防水层时，支护结构离地下结构外墙的净距不宜小于800mm；当地下结构设计无外防水层时，该净距可适当减小，但不宜小于500mm；如施工场地狭窄，地下室设计无外防水层且基础底板不挑出墙面时，该净距还可减小，考虑到水泥土墙的施工偏差及支护结构的位移，净距不宜小于200mm。
此时，模板可采用砖胎模、多层夹板等不拆除模板。
如地下室基础底板挑出墙面，则可以使地下室底板边与水泥土墙的净距控制在200mm左右。
（2）水泥土墙应尽可能避免向内的折角，而采用向外拱的折线形（图6-76）,以利减小支护结构位移，避免由两个方向位移而使水泥土墙内折角处产生裂缝。
图6-76水泥土墙平面形状
（a）向内折角—较为不利的形状；（b）向外拱形—较为有利的形状
1-支护结构；2-基础底板边线
（3）水泥土墙的组成通常采用桩体搭接、格栅布置，常用格栅的形式如图6-77。
图6-77典型的水泥土桩格栅式布置
（a）n＝3；（b）、（c）n＝4；（h）、（d）、（e）n＝5；（f）、（g）n＝6；
（h）n＝7；（i），（j）n＝8；（k），（l），（m）n＝9；（n），（p）n=10
1）搭接长度Ld
搅拌桩桩径d0＝700mm时，Ld一般取200mm；
d0＝600mm时，Ld一般取150mm；
d0＝500mm时，Ld一般取100~150mm。
水泥土桩与桩之间的搭接长度应根据挡土及止水要求设定，考虑抗渗作用时，桩的有效搭接长度不宜小于150mm；当不考虑止水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。
在土质较差时，桩的搭接长度不宜小于200mm。
2）支护挡墙的组合宽度b
水泥土搅拌桩搭接组合成的围护墙宽度根据桩径d0及搭接长度Ld，形成一定的模数，其宽度b可按下式计算
b＝d0＋（n－1）（d0－Ld）（6-70）
式中b——水泥土搅拌桩组合宽度（m）；
d0——搅拌桩桩径（m）；
Ld——搅拌桩之间的搭接长度（m）；
n——搅拌桩搭接布置的单排数。
3）沿水泥土墙纵向的格栅间距离Lg
当格栅为单排桩时，Lg取1500~2500mm；
当格栅为双排桩时，Lg取2000~3000mm；
当格栅为多排桩时，Lg也可相应的放大。
格栅间距应与搅拌桩纵向桩距相协调，一般为桩距的3~6倍。
图6-77为典型的水泥土桩格栅式布置形式。
当采用双钻头搅拌桩机施工时，桩的布置应尽可能使钻头方向一致，以便于施工。
当发生钻头方向不一致时（图6-98（e）、（i）、（k）、（m）），一台桩机往往因钻头不可转向而无法施工，故需由两台桩机先后施工两个不同方向的桩体，这样先后施工的桩在搭接上质量不易控制。
表6-71为采用图6-77布置形式的不同桩径、不同搭接长度的水泥土墙墙体宽度。
各种布置形式的水泥土墙墙体宽度（mm）表6-7
d0
700
600
500
Ld
200
150
200
150
100
150
100
n
3
1700
1800
1400
1500
1600
1200
1300
4
2200
2350
1800
1950
2100
1550
1700
5
2700
2900
2200
2400
2600
1900
2100
6
3200
3450
2600
2850
3100
2250
2500
7
3700
4000
3000
3300
3600
2600
2900
8
4200
4550
3400
3750
4100
2950
3300
9
4700
5100
3800
4200
4600
3300
3700
10
5200
5650
4200
4650
5100
3650
4100
4）水泥土墙宜优先选用大直径、双钻头搅拌桩，以减少搭接接缝，加强支护结构的整体性，同时也可提高生产效率。
国外有4钻头、6钻头甚至更多钻头的搅拌桩机，其效果更佳。
5）根据基坑开挖深度、土压力的分布、基坑周围的环境平面布置可设计成变宽度的形式。
水泥土墙的剖面主要是确定挡土墙的宽度b、桩长h及插入深度hd，根据基坑开挖深度，可按下式初步确定挡土墙宽度及插入深度：
b＝（0.5~0.8）h（6-71）
hd＝（0.8~1.2）h（6-72）
式中b——水泥土墙的宽度（m）；
hd——水泥土墙插入基坑底以下的深度（m）；
h——基坑开挖深度（m）。
当土质较好、基坑较浅时，b、hd取小值；反之，应取大值。
根据初定的b、hd进行支护结构计算，如不满足，则重新假设b、hd后再行验算，直至满足为止。
按式（6-71）估算的支护结构宽度，还应考虑布桩形式，b的取值应与按式（6-70）计算的结果吻合。
如计算所得的支护结构搅拌桩桩底标高以下有透水性较大的土层，而支护结构又兼作止水帷幕时，桩长的设计还应满足防止管涌及工程所要求的止水深度，通常可采用加长部分桩长的方法，使搅拌桩插入透水性较小的土层或加长后满足止水要求。
插入透水性较小的土层的长度可取（1~2）d0，加长部分加宽度不宜小于1/2的加长段长度并不小于1200mm（图6-78），以防止支护结构位移造成加长段折断而失去止水效果。
此外，加长部分在沿支护结构纵向必须是连续的。
图6-78采用局部加长形式保证支护结构的止水效果
1-水泥土墙；2-加长段（用于止水）；3-透水性较大的土层；4-透水性较小的土层
2．水泥土墙计算
水泥土墙的全面计算应包括表6-72中的内容。
我国《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99规定的计算内容和方法如下所示：
水泥土墙计算内容表6-72
项目
验算
抗倾覆稳定
必须验算
抗滑动稳定
必须验算
整体稳定
墙体下部为软弱土层时应验算
抗隆起稳定
墙体下部为软弱土层时应验算
抗管涌（抗渗透）稳定
坑底或墙体下部为砂石及砂土时应验算
桩体强度
基坑开挖深度较大时应验算
基底地基承载力
墙体下部为软弱土层时应验算
格栅稳定
格栅分格较大时应验算
位移
对支护结构及墙背土体有位移控制要求时应验算
（1）嵌固深度计算
水泥土墙的嵌固深度设计值hd的计算，同多层支点的排桩、地下连续墙嵌固深度设计值hd的计算，亦宜按圆弧滑动简单条分法进行计算，参见图6-68，此处不再重复。
当基坑底的土质为砂土和碎石土、而且基坑内降排水且作用有渗透水压时，水泥土墙的嵌固深度除按圆弧滑动简单条分法计算外，尚应按图6-69所示按抗渗透稳定条件进行验算。
当按上述方法计算的嵌固深度设计值hd小于0.4h时，宜取0.4h。
（2）墙体厚度计算
水泥土墙厚度设计值b，宜根据抗倾覆稳定条件计算确定。
1）当水泥土墙底部位于碎石土或砂土时（图6-79a），墙体厚度设计值宜按下式确定：
图6-79水泥土墙宽度计算简图
（a）墙底位于碎石土或砂土；（b）墙底位于粘土或粉土
（6-73）
式中ΣEai——水泥土墙底以上基坑外侧水平荷载标准值的合力之和；
ΣEpj——水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；
ha——合力ΣEai作用点至水泥土墙底的距离；
hp——合力ΣEp作用点至水泥土墙底的距离；
γcs——水泥土墙的平均重度；
γw——水的重度；
hwa——基坑外侧地下水位深度；
hwp——基坑内侧地下水位深度。
2）当水泥土墙底部位于粘性土或粉土中时（图6-79b），墙体厚度设计值b，宜按下列经验公式计算：
（6-74）
当按上述计算方法确定的水泥土墙厚度小于0.4h时，宜取0.4h。
（3）正截面承载力验算
水泥土墙厚度设计值，除应符合上述要求外，其正截面承载力尚需符合下述要求：
1）压应力验算
（6-75）
式中γcs——水泥土墙平均重度；
γ0——重要性系数，见表6-64；
z——由墙顶至计算截面的深度；
M——单位长度水泥土墙截面组合弯矩设计值，按式（6-56）计算；
W——水泥土墙的截面模量；
fcs——水泥土开挖龄期的抗压强度设计值。
2）拉应力验算
（6-76）
【例】某基坑属二级基坑，开挖深度为5.5m，地面荷载q0＝20kN/m2，土的内摩擦角φ＝15°，粘聚力c＝8kN/m2，土的重度γ＝18kN/m3，拟采用水泥土墙支护结构，试计算水泥土墙的嵌固深度及墙体厚度。
【解】按《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99计算。
①嵌固深度计算
本工程为均质粘性土且无地下水，按h0＝n0h计算。
土层固结快剪粘聚力系数
采用2φ700水泥土搅拌桩，搭接200，格栅式布置，按表6-71取b＝3.70m，共设置7排。
（4）构造要求
水泥土墙采用格栅式布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7；一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2。
当水泥土墙变形不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固、水泥土墙插筋加混凝土面板或加大嵌固深度等措施。
在软弱土层中，采用坑底加固方法对控制水泥土墙的侧向位移有显著效果。
坑底加固可采用下述几种方法：
水泥土搅拌桩、高压喷射注浆桩、压密注浆及分段开挖加厚素混凝土垫层或设置配筋垫层等，其中水泥土搅拌桩加固运用最为广泛，也有工程采用水泥土搅拌桩加桩间注浆的方法。
加厚垫层或设置配筋垫层的方法往往是在工程出现未预见的过大位移及其他意外情况时才用，事前设计很少采用。
坑底加固的布置可采用满堂布置方法（图6-81a）,也可采用坑底四周布置方法，如：
梅花形布置法（图6-81b）、格栅式布置法（图6-81c）及墩式布置法（图6-81d）。
图6-81坑底加固
（a）满堂布置；（b）梅花形布置；（c）格栅式布置；（d）墩式布置
1-水泥土墙；2-工程桩；3-加固桩（注浆）
满堂布置一般适用于较小的基坑，加固桩多用满堂梅花形，必要时可在桩间增设注浆点，提高加固效果。
如采用注浆方式作满堂加固，其注浆孔也可按梅花形布置，由于注浆加固的质量离散性较大，因此，注浆孔的孔距不宜大于注浆扩散半径的1.4倍。
加固深度一般为（0.5~1.0）hd。
对大面积的基坑，坑底满堂加固的工程量太大，不经济。
此时，可采用坑底四周加固方法。
四周加固宽度可取（0.4~0.8）hd，视基坑深度及土质状况而定。
加固深度也为（0.5~1.0）hd。
坑边墩式布置还常用于坑内有多桩承台的情况，此时由于承台下桩较密，而承台之间又有较大间距，则可在承台之间布置墩式加固区。
加厚垫层或配筋垫层多用于意外处理等情况，当基坑开挖后发生过大位移，此时已无法再进行水泥土搅拌桩等坑底加固措施，则可补充设计加厚垫层或配筋垫层，必要时，还可设置反梁，利用较高强度的混凝土形成“板式支撑”，以减少水泥土墙的位移。
但应注意，采用此法必须采取“分段开挖、随挖随浇”的方法，以减小坑底的暴露面积，否则坑底开敞面过大，位移一旦发生，再浇筑加厚（或配筋）垫层也无济于事了。
此外，由于混凝土需要一定的养护期，在进行土方开挖时也应注意开挖进度，必要时，可适当提高垫层混凝土的强度等级或掺入早强剂。
基坑中还经常出现不同开挖标高及“坑中坑”的情况，此时，坑底的加固不但要考虑由外围水泥土墙的稳定及位移，还应考虑“深浅坑”或“坑中坑”的施工安全。
这类坑底加固一般应考虑坑内本身土体的稳定，同时必须充分考虑基坑上下二层的整体滑动稳定（图6-82）。
图6-82
1-上层土体的滑移曲线；2-下层土体的滑移曲线；3-考虑上下二层的整体滑移曲线
在边长较长的水泥土墙中采用局部加墩形式，对于减小水泥土墙的位移也有一定作用，同时，对水泥土墙的稳定也有帮助。
局部加墩的形式，可根据施工现场的条件及水泥土墙的长度分别采用间隔布置或集中布置的形式。
间隔布置就是每隔一段距离布置一个加强墩，对边长较大的水泥土墙应采用这一方法。
一般取加强墩的长度为3~5m、墩与墩之间的间距为10~20m，加强墩的宽度为1~2m，加强墩仍可采用格栅式布置（图6-83a）。
集中布置就是在挡土墙的一边的中央集中布置一个加强墩，其长度较间隔布置要长，一般可取水泥土墙长度的1/4~1/3。
边长相对较短的水泥土围护墙可采用这种加墩方法（图6-83b）。
加墩设计在水泥土墙整体稳定及抗倾覆稳定计算时均不计其有利作用，即水泥土墙宽度仍以未加墩处计取。
图6-83局部加墩
（a）间隔布置；（b）中央集中布置
水泥土墙起拱亦能有效地减少水泥土墙位移。
一是利用地下结构外形尽可能将水泥土墙设计成向外起拱的形状，有利于围护墙的稳定，并可减少位移；二是对于较长的直线段水泥土墙，将其设计成起拱的折线，对减少位移亦有一定作用。
采用圆弧形、多边形（图6-84a、b）及带内折角的折线形改为外拱形，都是设计中应优先考虑的布置形式。
对较长直线形水泥土墙采用起拱形式。
起拱大小对减小位移有直接影响，起拱越大，对减小位移越为有利；起拱较小，其作用也相应地减小。
但前者往往会造成开挖土方量增加及围护结构占地过大的弊病，很大的起拱一般也不可取。
起拱高度一般可按水泥土墙长度的1/100（图6-84c）。
起拱较小有时对减小墙体位移作用不很显著，但如发生位移后对地下结构施工不会产生操作面不够的情况，这仍是有利的。
图6-84水泥土墙起拱
水泥土墙顶插筋对减小墙体位移有一定作用，特别是采用毛竹插筋或钢管插筋作用更大。
插筋通常的形式有（图6-85）：
图6-85水泥土墙插筋
（a）插入钢筋；（b）墙后插入毛竹或细管；（c）墙前、墙后插入毛竹或细管
1-钢筋；2-毛竹或细管
1）插入长2m左右φ12的钢筋，每1桩（单桩）插入1根，以后将其与墙顶面板钢筋绑扎连接。
2）水泥土墙后或墙前、后插入毛竹。
由于毛竹不易插入，长度一般取6m左右，并以插入坑底以下不小于1m为宜，毛竹竹梢的直径不宜小于40mm。
过于弯曲的毛竹在插入施工前应用火烘调直，便于插入桩内。
3）水泥土墙后或墙前、后插入钢管。
由于钢管较直，刚度也大，易于插入，故采用此法可根据需要增加钢管的插入深度。
水泥土搅拌桩围护结构通常在其顶部设置100~200mm厚的面板，并适当配筋。
为减小位移，将面板加厚并加强配筋，或增设较宽的冠梁，只要面板或压顶梁与水泥土墙顶面之间能承受足够的剪力，则对于减小位移的作用是十分显著的。
在这种情况下，面板或宽冠梁的配筋应将其作为卧梁来考虑，承受水泥土墙传来的水平荷载。
为增强面板或冠梁与水泥土墙之间的抗剪强度，可在水泥土桩中增强插筋，此时，可采用下述方法（图6-86）：
图6-86加强面板或冠梁的设置
（a）加强面板；（b）冠梁
1-面板；2-冠梁；3-增强插筋
1）加大钢筋直径，如采用φ16，长度也宜适当增加。
2）增加毛竹插筋。
3）采用钢管或型钢插筋，如用φ48/3.5钢管，必要时可每桩（单桩）插入1根。
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