2010年6月 Journal o f H unan Institute of Eng ineering June 2010
收稿日期:2009-11-14
作者简介:牛正军(1979-),男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:基础结构、地下结构.
砖砌倒挂井在市政工程中的应用
牛正军,臧德胜
(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥230009)
摘 要:结合具体工程阐述了砖砌倒挂井的具体施工方法,并在现有理论的基础上较为完整地分析了
井壁的截面应力,为该施工方法的应用提供了理论参考依据.
关键词:砖砌倒挂井;工作坑;井壁;厚壁圆筒
中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2010)02-0076-03 砖砌倒挂井是用砖做材料,按照一定的工序施工而成的圆形工作坑.这种利用建立工作坑施工的方法,在建筑密度大,交通密集的城市优势极其明显.这种工作坑的施工,多数凭经验,缺少理论指导,所以对这种施工方法进行理论研究十分有必要.
1 施工组织设计及技术措施
结合某市一工程实例,论述砖砌倒挂井的施工组织设计及技术措施.
某市A 路与B 路下穿式立交桥(A 路下穿B 路)为沟通该市与北部城区的交通枢纽.该立交桥起讫点桩号为K 0+417 795~K 0+457 191.桥上部结构采用2跨19m 预应力混凝土简支T 型梁,面积为3192m 2,梁高采用1 3m.桥台处采用全套管咬合桩,桩径为1.2m.下部桥墩采用桩柱式结构,基础采用直径为1 3m 的钻孔灌注桩,立柱采用直径为1.2m.其中下部桥墩处桩顶高程为26 767m,原地面高程34 29m ,高差达7 5m.1.1 施工组织设计
下部桥墩处共有15根立柱,计划分两期施工,第一期施工第二联的(正桥中间部分)5根立柱,第二期施工第一,二联的(正桥两边)10根立柱.若采用常规施工方法组织第二联的5根立柱施工,必须对原地面进行大开挖,按照施工技术规范要求,基坑开挖时边坡按1 1进行放破,其顺桥向开挖宽度达到16m,这样会使两侧桥台处的液压全套管钻机的工作空间无法保证,还造成了A 路和B 路交通瘫痪.为确保两侧桥台处的咬合桩能进行正常
施工及A 路和B 路正常通车,第二联的5根立柱施工分两步进行,即首先施工立柱工作坑,然后按设计进行立柱施工.
根据桥位处地质和以往的施工经验,在确保安全的前提下充分考虑工程进度的要求,在 沉井支护 、 钢板桩支护 和 砖砌倒挂井支护 三种方案中优选了 砖砌倒挂井支护 方式.
根据立柱的直径及施工的经验,拟定该砖砌倒挂井采用净直径为3m 的竖直工作井,井深9m(包括接桩头向下挖多挖的1 5m).井壁厚度为24cm,(如图1所示).
图1 井筒实物图
1.2 施工措施
(1)用全站仪定出桩基中心位置,然后以该中心位置为圆心在原地面上放出直径为3.5m 的圆,并用石灰线做好标记.另外,将红砖、水泥、黄沙等所需材料运到现场指定的位置堆放.
(2)用破碎机将原来地面上的混凝土路面层破除,然后用H XW200型挖掘机沿着标记线向下开挖3m 深,接着人工对坑壁进行修正.
基坑尺寸经修整满足要求后,组织施工人员由
下至上沿着坑壁砌筑240mm 砖墙直至原地面.砖的强度等级为M U10,砂浆型号为M7 5.
(3)待水泥砂浆初凝后,安排施工人员沿着坑壁向下开挖1米(为防止井壁整体脱落,可以先开挖半边或1/3边,施工结束后再进行另外半边或1/3边),接着人工对坑壁进行修整.基坑尺寸经修整满足要求后,组织施工人员由下至上沿着坑壁砌筑240mm 砖墙直至上一层砖墙底部.以此类推,到砖墙底标高达到设计要求为止.
(4)在施工过程中,要注意控制分层开挖深度和各层的底部高程(除首层外,其余分层开挖深度均不得大于1m ).
2 倒挂井壁压力及计算
2.1 井壁水平荷载的确定
根据挡土墙的位移情况和墙厚土体所处的应力状态,土压力分为以下三种:
(1)静止土压力.如果挡土墙在土压力作用下不向任何方向移动或转动而保持原来的位置,则作用在墙背上的土压力为静止土压力.
(2)被动土压力.挡土墙在外力作用下向墙背填土方向转动或移动时,墙背挤压土体,使土压力逐渐增大.挡位移量达一定值时,土体也开始出现连续的滑动面,形成的土楔随挡土墙一起向上滑动.在这个土楔即将滑动时,作用在挡土墙上的土压力增至最大,这就是被动土压力,用p p 表示.
(3)主动土压力.挡土墙向前移动或者转动时,墙后土体向墙一侧伸展,使土压力减小.当位移量达某一定值时,土体处于极限平衡状态,墙背填土开始出现连续的滑动面,墙背与滑动面之间的土楔有跟随挡土墙一起向下滑动的趋势.在这个土楔即将滑动时,作用在挡土墙上的土压力为最小,这就是主动土压力.
从上面的定义及井壁受力特征可知,作用在井筒衬砌上的地压为主动土压力.
由朗肯主动土压力公式得:
粘性土:P a = z tan 2
45 - 2
-2c tan 45 - 2
砂土:p a = z tan 245 -
2
式中:P a 沿深度方向分布的主动土压力,kPa;
填土的重度,kN/m 3;
z 计算点离填土表面的距离,m ;
c 土的粘聚力,kPa; 填土的内摩擦角.
竖井穿过的表土层或者基岩破碎时,井壁围岩将产生散体地压.竖井设计中散体(松动)地压的计算广泛使用平面挡土墙公式和圆锥挡土墙计算法.
平面挡土墙计算法的实质是把表土或破碎的围岩视作无凝聚力的松散体,将井壁视为平面挡土墙,作用在井筒衬砌上的地压为主动土压力.
圆锥挡土墙计算法中,竖井井壁是个圆柱面,当土体(或破碎岩体)向内滑移时,井壁周围土体(或破碎岩体)形成空心圆锥体,按空间轴对称问题求得公式.出于方便计算,下面仅阐述常用的平面挡土墙公式.
因为把表土(破碎围岩)视为无凝聚力的松散体(c =0),所以作用在井筒衬砌上的主动土压力计算公式为:
p = z tg 2
90 -
2
(1)
式中:r -松散土体(破碎基岩)容重;
-松散土体(破碎基岩)内摩擦角;z -计算深度.
由于上式子可见,井壁压力与深度z 成正比,沿深度呈三角形分布.
当井壁由多种土层(岩层)组成时,可分层计算地压值,上部覆盖土层(岩层)荷载分层叠加.N 层以上的岩层荷载为:
顶面上: n -1
i =1 i h i = 1h 1+ 2h 2+ + n -1h n -1
底面上: n i =1 i h i = 1h 1+ 2h 2+ + n h n 任一层顶面处和底面的压力为p n = n -1
i =1 i h i tg 2
90 - i
2(2)p n = n i =1 i h i tg
2
90 - i
2
(3)
式中 1, 2, ,
n 不同岩层容重;h 1,h 2, ,h n 不同岩层厚度;
1, 2, , n 不同岩层内摩擦角.2.2 井壁压力及强度计算
根据现有理论可按厚壁圆筒进行精确计算.井筒圆环截面应力一般根据厚壁筒拉美解进行r t 可按下式计算:
(4)(5)
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第2期 牛正军等:砖砌倒挂井在市政工程中的应用
当X =R 时:
r =P ,当X =r 时: t = 1=
2R 2
P R 2-r 2
由此得径向的最大应力发生在井壁的外边缘,切向最大应力发生在井壁的内边缘
.
图2 井筒圆环截面应力图
井壁内应力可按平面变形问题分析,假设井壁为不可压缩体(泊松比v =0 5),由广义弹性定律得:
z = z E n - r E n + t E n
v =0当v =12: z =12
( r + t )
将(4)及(5)式代入上式得出: z =
R 2
R 2-r 2
(6)
根据形状改变比能理论(第四强度理论)得出计
算应力(相当应力)为:
o =
2r + 2z + 2
t - r t - t z - z r
(7)
将式子(2-1)(2-2)(2-3)代入上式,得井壁各点的计算应力:
o =3
R 2r 2
P
(R 2-r 2)X
2
由上式得危险点的计算应力在井壁内部边缘,即X
=r 处: o =3R 2
P R -r
于是得出井壁强度条件:
o =3R 2
P
R -r
[R a ]式中
[R a ] 井壁的许用应力
某市砖砌倒挂井井壁所处土层分布及各土层土的性质指标如图3所示.由公式(2)、(3)算得各土层土压力分布如图(4)所示.
按照厚壁筒进行计算,知最大计算应力为:
o =3R 2P
R -r =
3 2 242 108.47
3.24-3=1316.90
(kPa) 1.32(M Pa)
本工程使用的烧结普通砖强度等级为:M U10,砂浆的强度等级为M7.5.由此可得此砌体的的抗压强度设计值为:1.69M Pa
o =1 32MPa<1.69MPa 所以理论分析,井
壁是安全的.
该砖砌倒挂井工程,由于作业前综合考虑各方面因素理论分析准确,施工进行得较为顺利,确保了整个下穿式立交桥的如期完工.
3 结束语
砖砌倒挂井取材方便、成本低、适用较为广泛,
本文阐述了该施工方法的具体步骤,并在已有理论的基础上,结合工程事实,分析了砖砌倒挂井的内应力计算,使该施工方法有了更为清晰的理论依据.
参 考 文 献
[1] S.铁摩辛柯.材料力学:高等理论及问题[M ].科学出
版社,1979.
[2] 建井工程结构[M ].山东矿业学院出版社,1975.
Brick Upside Down Well in Municipal Engineering
NIU Zheng jun,
ZA NG De sheng
(Schoo l o f Civil Eng ineering ,H efei U niv er sity of T echno lo gy ,H efei 230009,China)
Abstract:This paper describes the co ncrete co nstr uction metho d of the brick upside do w n w ell through a particular prog ect.On the basis of the ex isting theo ry,a m ore complete analy sis of the cr oss sectio n of the w all str ess is done.A theoretical frame of reference is given fo r the application of the constr actio n m ethod.Key words:brick upside dow n w ells;w orking pit;w all;thick w alled cy linder
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