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1、深基坑工程,第三章 水泥土墙工程,一、概述,水泥土墙：利用水泥材料为固化剂，采用特殊的拌合机械（深层搅拌机或高压喷射）在地基土中就地将原状土和固化剂强制拌合，经过一系列的物理化学反应，形成具有一定强度、整体性和水稳定性的加固土圆柱体（水泥土桩），由这些水泥土桩两两相互搭接而形成的连续壁状的加固体。,水泥土桩,深层搅拌桩,高压喷射旋喷桩,水 泥 土,二、水泥土搅拌桩与高压喷射注浆桩,（一）水泥土搅拌桩,1.施工设备：深层搅拌机（湿法和干法） 2.水泥土的物理力学特性 3.加固机理及影响因素 4.水泥土搅拌桩的特点,深 层 搅 拌 机,深层单轴搅拌机,搅拌叶片,水泥土的工程特性,（1）水泥土的物理
2、性质 1）重度 当水泥掺入比在8%20%之间，水泥土重度比原土增加约3%6%。 2）含水量 随水泥掺合量的增大而降低，一般比原土降低1518%。 3） 抗渗性 渗透系数k一般在10-810-9cm/s。,（2）水泥土的力学性质 1）无侧限抗压强度 水泥土的无侧限抗压强度qu在0.34.0MPa之间，比原状土提高几十倍乃至几百倍。 2）抗拉强度 水泥土抗拉强度与抗压强度有一定关系，一般情况下，抗拉强度在（0.150.25）qu之间。 3）抗剪强度 当水泥土qu=0.54MPa时，其粘聚力c在1001000kPa之间，其摩擦角在2030之间。 4）变形特性 当qu=0.54.0MPa时，其50d后
3、的变形模量相当于（120150）qu。,加固机理,（1）水泥的水解水化反应 （2）土颗粒与水泥水化物的作用 1）离子交换和团粒化作用 2）硬凝反应 （3）碳酸化作用,（1）基本不存在挤土效应，对周围地基扰动小； （2）可根据不同土质和工程设计要求，合理选择固化剂及配方，应用较为灵活； （3）施工无振动，无噪音，污染小，可在市区和建筑物密集地带施工； （4）土体加固后，重度基本不变，软弱下卧层不致产生较大附加沉降 ； （5）结构型式灵活多样，可根据工程需要，选用柱状、壁状、格栅状或块状。 （6）隔水防渗性能良好，基坑内外可以有水位差。,水泥土搅拌桩的特点,（二）高压喷射注浆法,1.高压喷射注浆桩
4、的分类,（1）按照喷射流移动轨迹分类： 旋喷、定喷和摆喷。,单管 （浆液）,双管 （内浆外气）,三重管 （气、水、浆）,（2）按注浆管类型分类： 单管法、双管法、三管法和多重管法。,a.柱状 b.壁状 c.格栅状 d.块状,（3）按照加固体形状分类： 柱状、壁状、格栅状和块状。,2.高压喷射注浆桩的特点及适用范围 主要特点：适用范围广、施工灵活方便、环保效果好。 适用范围：适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。 不宜用于处理硬粘性土、含较多块石或大量植物根茎以及地下水流速过大的地基。,三、水泥土墙的设计,（一）一般规定,适用条件：水泥土挡墙适
5、用于开挖深度不大于7m的淤泥和淤泥质土基坑。 水泥掺入量：水泥土挡墙所用的深层搅拌桩水泥掺入量宜为被加固土重量的15%18%。 按50cm直径计算，每米长度桩约为0.2立方米，淤泥重度约1.5t/m3，每米长度桩土重约300kg，每米桩长水泥用量4554kg。（同样直径，旋喷桩每米桩长水泥用量130kg）,（二）水泥土墙的布置,1.平面布置,水泥土墙平面布置可采用壁状体。若壁状的挡墙宽度不够时，可加大宽度，做成格栅状支护结构，即在支护结构宽度内，不需整个土体都进行搅拌加固，可按一定间距将土体加固成相互平行的纵向壁，再沿纵向按一定间距加固肋体，用肋体将纵向壁连接起来。,壁状,格栅状,（格栅状可改
6、进成全处理，三角形布置）（置换率0.907）,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，以利减小支护结构位移，避免由于两个方向的位移而使水泥土墙内折角处出现裂缝。,支护结构沿地下结构底板外围布置，且与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。,（1）桩的搭接：水泥土桩与桩之间的搭接宽度不宜小于150mm；当搅拌桩较长时，应考虑施工时垂直度偏差问题，增加设计搭接宽度。常规设计中搭接宽度200mm。 （2）水泥土墙采用格栅布置时，格栅的面积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；格栅内侧长宽
7、比不宜大于2。,2.构造要求,例：,桩径0.6m，搭接0.15m,上、下每边减去0.015/2,在2.25m长度内，用24根0.6m桩径的桩，面积6.78平米。 6.78/2.25/0.9=3.35m,每个格栅内的土体面积应符合下式要求：,A 格栅内土体的截面面积； 计算系数；对粘性土，取0.5；对砂土、粉土，取0.7；,c 格栅内土的粘聚力； u 计算周长； m格栅内土的天然重度； 对成层土，取水泥土墙 深度范围内各层土按厚 度加权的平均天然重度。,桩径0.6m，搭接0.15m，桩距0.45m， 40.45-0.6/42=1.5m 50.45-0.6/42=1.95m u=1.52+1.95
8、2=6.90 c取6kPa，6*6.9/15=2.76m2 1.5*1.95=2.925m2 再乘以系数d,肯定不满足要求,3.剖面形式,水泥土挡墙支护结构断面形式,4.嵌固深度和宽度,嵌固深度：对淤泥质土，不宜小于1.2h，对淤泥，不宜 小于1.3h。,挡墙宽度：对淤泥质土，不宜小于0.7h，对淤泥，不宜 小于0.8h。,重力式水泥土墙采用格栅状布置时，由于加固土的重度与天然土的重度接近，按桩体与它所包围的土体共同作用考虑，通常取格栅状外包线宽度作为挡墙宽度。,5.水泥土墙体强度,水泥土墙体28d无侧限抗压强度不宜小于0.8MPa。当需要增强墙身的抗拉性能时，可在水泥土桩内插入杆筋。杆筋可采
9、用钢筋、钢管或毛竹。杆筋的插入深度宜大于基坑深度。杆筋应锚入面板内。,6.水泥土墙顶面宜设置混凝土连接面板，面板厚度不宜小于150mm,混凝土强度等级不宜低于C15。,（三）水泥土墙设计计算,1.破坏形式及设计方法,（1）墙体强度破坏,墙身材料应力超过抗拉、抗压或抗剪强度而使墙体断裂。,截面选择：,基坑面以下主动、被动土压力强度相等处（剪力最大） 基坑底面处（弯矩最大） 水泥土墙的截面突变处（截面面积减小）,方法：正截面应力验算。,（2）稳定性破坏,a）倾覆破坏；b）整体破坏；c）基坑隆起破坏,墙整体倾覆 墙整体滑移 土体整体滑动 墙下地基承载力不足而使墙体下沉并伴随基坑隆起 地下水渗流造成的
10、土体渗透破坏,水泥土墙事故,2.水泥土墙的设计计算,（1）水泥土墙的设计步骤 a)根据土体整体稳定性安全系数或基坑抗隆起条件确定水泥土墙嵌固深度。已有资料分析表明，根据整体稳定求得的嵌固深度能够满足抗隆起条件。 b)根据抗倾覆条件确定水泥土墙的宽度。此宽度一般情况下也能满足抗滑移稳定条件。 C) 特殊条件下（如各土层性质变化较大）进一步验算抗隆起和抗滑移安全条件。 d)验算水泥土墙强度。 e)计算墙顶位移。,（2）计算公式,a)抗滑移稳定性,b)抗倾覆稳定性 对于水泥墙坑内脚，总的抗倾覆力矩与总倾覆力矩之比，Eak、Epk中包含水压力,c)土体整体稳定性 费伦纽斯条分法,粘性土坡的条分法,滑面
11、为曲面，近似为圆弧面 1. 瑞典条分法（费伦纽斯条分法） 不考虑单一土条力的不平衡 各土条安全系数相同（抗剪强度发挥作用相同） 根据总滑动力矩与总抗滑力矩平衡,考虑滑动力矩与抗滑力矩平衡，条间作用力对圆心力矩作为内力抵消,Wi条块重量,包括上覆荷载 ai-i条块滑面倾角 li-i条块滑面长度 选取不同圆心与半径，安全系数最小的滑面为最危险滑面，该安全系数代表土坡稳定性,c)土体整体稳定性 费伦纽斯条分法,由于水泥土强度比淤泥土大得多，最危险滑面（安全系数最小）绕墙脚，水泥土墙嵌入深度小，安全系数小，会不满足安全要求。以安全系数大于等于1.3来确定水泥土墙嵌入深度。 经验值： 桩长： 挡墙宽度：
12、,d)墙体正截面应力验算,拉应力,压应力,剪应力,矩形截面，弯矩作用下，抵抗矩： 验算拉应力时减去自重应力 验算压应力时加上自重应力乘以重要性系数与安全系数 抗拉强度取开挖时抗压强度的15% 抗剪强度取抗压强度的1/6。 m墙体材料的抗剪断系数，0.40.5,水平位移可采用经验公式法、弹性地基“m”法和非线性有限元法进行计算。,e)水泥土墙的水平位移计算,当插入深度hd(0.81.2)h（h为基坑开挖深度），墙宽b(0.61.0)h时，可采用下列经验公式进行估算：,式中 墙顶水平位移计算值； Lmax基坑最大边长； 施工质量系数，取0.81.5，质量越好，取值越小； 量纲换算系数，单位用mm时
13、，=1， 单位用cm时，=10。,上海基坑工程技术规范建议方法,水泥土墙计算图式,1）假定 根据土质情况和基坑开挖深度，先按经验设定桩长和墙的宽度： 桩长： 挡墙宽度：,2）土压力计算 为简化计算，对成层分布的土体，墙底以上各层土的物理力学指标按层厚加权平均计算。,3）抗倾覆计算,4）抗滑动计算,5）整体稳定性计算,重力式围护结构的整体稳定性计算应考虑两种破坏模式：一种是如图所示的滑动面通过挡墙的底部；,另一种考虑圆弧切墙的整体稳定性，验算时需计算切墙阻力所产生的抗滑作用，即墙的抗剪强度所产生的抗滑力矩。,整体稳定性验算,一般最危险滑动面在墙底下0.51.0m。当墙下土层很差时，危险滑弧的位置还可能更深，此时应增大计算深度，直至s值增大为止。当墙体无侧限抗压强度不小于1MPa时，一般不必计算切墙体滑弧的安全系数；当小于1MPa时，可取=0，c=（1/101/15）qu，作为墙体指标来计算切墙体滑弧的安全系数。,6）墙体应力计算,在侧向土压力作用下，墙身产生弯矩，墙体偏心受压，应验算墙体正应力与剪应力。 水泥土墙通常布置成格栅式，作正应力计算时应取水泥土的截面作为有效计算截面，不计桩间土的截面。为简化计算可取b（为水泥土的置换率）为计算截面面积。 正应力验算一般取坑底截面处及墙体变截面处。如计算不满足要求，应加大支护结构宽度。,7）挡墙基底地基承载力验算,