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基坑砖护壁钢筋混凝土大直径圆形深井结构的设计与研究
基坑砖护壁钢筋混凝土大直径圆形深井结构的设计与研究
陈 军
(南京市市政设计研究院有限责任公司 210008)
摘 要:城市地下管线中深井经常受多种因素影响难以施工。本文介绍了基坑逆作法砖护壁大直径圆形钢筋混凝土井的设计和施工方法,并提出采用静止土压力对砖护壁进行计算,考虑不均匀土压力对圆形砖护壁的作用。
关键词:大直径圆井;基坑砖护壁; 逆作法
1 概述
城市污水收集管网系统中地下主管线埋深较大,通常达5~10m,甚至更深。污水管道施工经常采用非开挖技术。大直径管道采用顶管法,小直径管道采用牵引法施工。根据设计需要,污水管线中要求设检查井。根据施工需要,顶管法施工需要设工作井。与其它管线检查井相比,这些井深度更深,平面尺寸或直径更大,井的基坑开挖施工很困难。
通常的施工方案是开挖基坑前预先打支护桩,有地下水时还需要设隔水墙。或者采用沉井法施工,可以不用打支护桩。这两种方法造价均较高,而且施工工期长。尤其当井位在道路上时,井的施工会占用道路时间太长而严重影响交通。因此迫切需要施工工期短,造价低的井的施工方案。
在我国,地下砖护壁结构具有丰富的工程经验。如古代就有许多砖壁地下水井。再如人工挖孔桩挖土成孔常常采用砖护壁。但这些井的直径较小,通常Φ1000mm~Φ2000mm直径。
近几年随着各地大量建设污水管网,出现了许多深井施工技术。其中苏南地区一些工程采用了砖护壁逆作法开挖井的基坑施工方案。这些井的直径和深度较大,直径可达Φ5000mm。我公司也在一些污水管网工程设计中采用了这种方案。但这种方法尚没有成熟的设计理论,探讨也少。
2 基坑砖护壁钢筋混凝土大直径圆形深井结构的设计及施工
2.1 结构方案介绍
井的设计方案须考虑使用要求、结构受力和施工因素。后者与场地条件、工程地质、管线施工方法及当地施工水平等情况有关。
基坑砖护壁钢筋混凝土大直径圆形深井结构方案采用砖护壁开挖基坑,然后制作钢筋混凝土井。砖壁可采用实心砖或预制砌快,用水泥砂浆砌作。该方案适用于地基为中、硬粘性土,并具有较好的土体抗剪强度。适用于当井位附近没有建筑物时,不要做桩支护的情况。井壁分为内外两层。外层为砖护壁,开挖基坑时作为护壁结构。内层为钢筋混凝土,井体制作完成后承受外侧水土压力、顶管施工顶力、地面车辆荷载等,具有很好的耐久性。该方案将小直径井砖护壁技术推广到大直径井。以砖护壁护土开挖基坑,砖护壁采用逆作法施工,从上往下边砌边挖。砖护壁一方面作为基坑的护壁承担挖土施工期外侧土压力,防止坑壁塌方,另一方面可作为内部钢筋混凝土井浇筑时的外模。砖护壁砌筑灵活,可以任意开圆洞,方便井壁开洞顶出或接入顶管。
井体平面采用圆形,在外侧水平力作用下砖衬结构表现为受压,可以充分利用砖体受压性能好的特点。而且基坑可以看作土中圆洞,具有空间整体强度,井直径限制在一定范围内,土的力学性能较好时,坑壁不易坍塌。
该方案施工简单方便,施工工期短,造价省,无需大型打桩机械,尤其适用于交通不便的地方施工。借助砖护壁,可以避免大开挖土方,对路基没有扰动,不破坏道路。圆形井作为顶管工作井时,顶管方向灵活,可在任意方向顶管。
2.2 砖护壁结构计算
砖护壁结构设计需考虑井外土压力作用、结构受力性能及施工因素。砖护壁施工阶段为内部无土,外侧作用水土压力,需验算基坑稳定性和衬砌体强度。参见图1。砖护壁和钢筋混凝土井体均按圆柱壳体模型计算。设计的关键是砖护壁结构。
2.2.1 土压力的考虑
目前,针对不同类型的挡土结构,墙背作用的土压力主要有主动土压力和静止土压力两种计算理论。
(1)主动土压力理论
我国的给水排水构筑物水池和沉井结构土压力计算均采用朗肯土压力理论,按主动土压力计算。基坑支护结构工程设计中墙背土的作用也是采用主动土压力。假定墙后土体受到扰动并出现破裂面,或支护桩出现水平位移,墙后土体可能达到主动土压力状态。
粘性土郎肯主动土压力公式:
—计算点主动土压力;
—土的分层重度;
—土的分层厚度;
—地面超载;
—计算点土层总应力内摩擦角;
—计算点土层总应力粘聚力。
等效内摩擦角换算方法有土的抗剪强度相等原则、土压力相等原则两种方法。
土的抗剪强度相等原则换算如下式:
—计算点土层总应力换算等效内摩擦角。
(2)静止土压力理论
假定墙面光滑,地面水平;墙水平向刚度很大,水平位移很小可以忽略。
①墙背土压力;
—填土面以下深度处的静止土压力;
—土的静止土压力系数;
—计算点深度;
按弹性理论:;
—土的侧向膨胀系数,即土的泊松比;
—土的总应力内摩擦角;
按经验公式:;
—土的有效内摩擦角。
当土层微透水,地下水位以下采用水土合算压力。当土层为透水的砂性土,则水土分算,土的重度取浮重度。
有关侧压力的室内试验资料分析,侧压力与垂直压力的关系为;
—与土的结构强度
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