（岩土工程专业论文）smw工法围护结构设计计算方法及应用研究.pdf

论文题目：s m w 工法围护结构设计计算方法及应用研究 专业：岩土工程 硕士生：吴大庆 指导教师：负永峰 摘要 ( 签名) ( 签名) s m w 工法是近些年来引进过来的一种比较新颖的深基坑支护方法，这种新型的施 工技术，目前由于多种因素的影响，制约了其在我国推广应用，主要表现在设计理论不 完善、施工机具滞后、大型机械协同工作的管理水平落后等。本文主要针对设计理论落 后于工程实践的问题，以天津地铁一号线某车站工程为依托，依据工程实践经验和理论 方法，并结合现有的研究成果，总结出了一整套设计计算理论。 本文对水泥土的物理力学性能和设计参数等加以探讨。其中包括水泥土的加固机 理、水泥土的止水性能、水泥土的力学性能及水泥土的本构模型，总结出作为挡墙主要 材料之一的水泥土的材料特性。 本文重点对s m w 支护结构的计算方法进行了深入系统地研究，在现有研究成果的 基础上推导了型钢水泥土挡墙非加筋区水平承载力验算公式，并结合工程实例验证了计 算方法的可靠性，为s m w 支护结构的设计提供参考。 此外，本文根据天津地铁一号某车站s m w 工法施工的实际情况，利用a n s y s 软 件对该工程进行了数值模拟分析。通过有限元计算结果与实测值的对比分析，得到一些 有价值的结论，为s m w 工法设计理论和计算方法提供参考。 关键词：深基坑支护：s m w 工法；水泥土搅拌桩；h 型钢 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nc a l c u l a t i o nm e a n sa n da p p l i c a t i o no fr e t a i n i n g s t r u c t u r ei ns m w e n g i n e e r i n gm e t h o d s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：w ud a q i n g i n s t r u c t o r ：y u ny o n g - f e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 巡生旦咝塑 ( s i g n a t u r e ) 斗叫蚶 j s m w e n g i n e e r i n gm e t h o di san e w m e t h o du s e df o rr e t a i n i n go fd e e pe x c a v a t i o ni n r e c e n ty e a r s a san e w - s t y l ee n g i n e e r i n gm e t h o d ，d u et om a n yf a c t o r s ，s m we n g i n e e r i n g m e t h o di sl i m i t e di ni t ss p r e a da n da p p l i c a t i o ni nc h i n a t h er e a s o nl i e si nt h ef a u l t i n e s so f d i v i s i o nt h e o r y , t h el a g g i n ge x e c u t i v em a c h i n et o o l s ，t h es y n e r g i s t i cb e h i n d h a n dc o n t r o ll e v e l o fl a r g e s c a l em a c h i n e ，a n de t c i na l l u s i o nt ot h el a go fd i v i s i o nt h e o r yb e h i n de n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，o nt h eb a s i so fs o m es u b w a ys t a t i o np r o j e c to ft i a n j i nm e t r ol i n e1 ，a c c o r d i n gt o e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n da c a d e m i cm e t h o d ，as e r i e so fs e l f - c o n t a i n e dc o m p u t i n gm e t h o d s w e r es u m m e du pa l s o ，d e p e n d i n go ne x i t i n gr e s e a r c hf i n d i n g i nt h i sa r t i c l et h ep h y s i c a lm e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n dd e s i g np a r a m e t e ro fs o i l c e m e n t w e r es y s t e m i c a l l ye x p a t i a t e d ，i n c l u d i n gt h er e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l eo fs o i l c e m e n t ，i t sw a t e r s e a l i n gc h a r a c t e r , m e c h a n i c a lc h a r a c t e r ，a n di t ss t r e s s s t r a i nm o d e l m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i co f s o i lc e m e n t ，o n eo f t h em a i nm a t e r i a l so f f e n d i n gw a l l ，w a ss u m m a r i z e di nt h i sa r t i c l e a ne m b e d d e da n ds y s t e m i cs t u d yo fc o m p u t i n gm e t h o do fs m wm e t h o ds t r u c t u r ew a s c a r r i e di n t h i sa r t i c l e ，o nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，s t u d yo fi nt h ec o l l e c t i o no f p a y m e n t sn o n - r e i n f o r c e dc e m e n tt e r r i t o r i e ss u f f e r e dw h a tt h ed i s t r i c tl e v e l ，a n dc h e c k e dt h e f o r m u l aa n dw o r k si nc o n j u n c t i o nw i t he x a m p l e so ft h er e l i a b i l i t yo ft h ec e r t i f i c a t i o no ft h e c a l c u l a t i o n a l lt h e s ew i l lg i v eo f f e r i n g sf o rs m w r e t a i n i n gs t r u c t u r ed e s i g n b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n s t r u c t i o ns i t u a t i o no fs m we n g i n e e r i n gm e t h o di n s u b w a ys t a t i o np r o j e c to ft i a n j i nm e t r ol i n e1 ，m a k i n gu s eo fa n s y s s o f t w a r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s e so ft h i sp r o j e c tw a sd o n ei nt h i sa r t i c l e a f t e rc o n t r a s ta n a l y s i so fl i m i t e d e l e m e n tr e s u l ta n df a c t u a lm e a s u r e dv a l u e ，v a l u a b l ec o n c l u s i o n sw e r er e c e i v e d ，w h i c hp r o v i d e r e f e r e n c ef o rd i v i s i o nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e a n so fs m w e n g i n e e r i n gm e t h o d k e yw o r d s ：r e t a i n i n go f d e e pe x c a v a t i o n s o i l c e m e n tr n i x i n gw a l lw o r k i n gp r a c t i c e s o i l c e m e n tm i x i n gp i l ehs h a p e ds t e e l t h e s i s ：r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n 要料技夫肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：安峡灰日期： o - o 占、r 8 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位做作者签名：关吠秋 指导刻雠：匀s 一手 c 沁“年r 月谚 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的依据及研究意义 随着城市建设的发展，愈益要求开发三维城市空间。各类用途的地下空间已在世界 各大中城市得到开发利用，诸如高层建筑多层地下室，地下铁道及地下车站，地下停车 库，地下商场，地下仓库，地下医院，地下民防工事以及多种地下民用与工业设施。由 此而产生了大量的深基坑工程，且规模和深度不断加大，开发和建造这些地下空间和设 施，首先要进行的就是大规模的深基坑开挖，因而作为保障深基坑开挖的围护技术也得 到了不断地发展。现代城市建设的迅速发展对基坑开挖技术提出了更高、更严的要求， 不仅要确保基坑稳定，而且还要满足变形控制的要求，以确保周围建筑物、地下管线等 的安全；同时，由于市区建筑物密集、人口密度大、交通拥挤，使得施工场地狭小，施 工条件很差；随着市场竞争日益激烈，对工程造价、工程进度、工程质量和环境保护等 方面的要求越来越高。这一切促使基坑围护技术不断创新，做到安全性、经济性与适用 性的统一，以满足现代城市建设的要求。 基坑开挖是基础和地下工程施工中的一个古老而传统的课题，同时又是一个综合性 的岩土工程难题。它既包含了土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同 时还涉及到土与支护结构共同作用的问题。 典型的基坑工程是由地面向下开挖出一个空间，最初的基坑工程就是简单放坡大开 挖，既经济又方便，在空旷地区优先采用。然而由于场地限制或周边环境等原因，人们 不得不附加开挖的支护系统，以保证施工的顺利进行，所以放坡大开挖逐渐向有l 习护开 挖方向发展。这就形成了基坑工程中的大开挖和支护开挖两个体系，前者是土力学的一 个经典课题，而后者是上个世纪5 0 年代后才面临的基坑工程课题。围护结构是在开挖 面基底下有一定插入深度的板墙结构，常用的材料有混凝土、钢、木等，可以为钢板桩、 钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、水泥土搅拌桩、地下连续墙等。根据基坑深度的不同， 围护结构可以是悬臂的，但更多的是单撑或多撑式( 单锚或多锚式) 结构。 基坑的围护结构主要承受基坑开挖卸载所产生的土压力和水压力并将此压力传递 到支撑，在城市深基坑工程中，大多采用钢板桩，深层搅拌桩，钻孔灌注桩以及地下连 续墙作围护结构，钢板桩一般用于开挖深度较浅的沟槽或基坑，其优点是施工方便、灵 活，可回收重复使用以及造价低廉，但其缺点是变形大，且防水性差，当周围沉降量控 制要求高时不宜采用。钻孔灌注桩围护属柱列式挡墙结构，这种结构既可作临时护壁又 可与内衬钢筋混凝土共同构成主体结构，具有较好的经济效益，适合中等深度的基坑工 程，但其整体性较差，一般需在桩侧做隔水帷幕( 通常为深层搅拌桩) 以防墙体渗漏， 西安科技大学硕士学位论文 然而仍难以彻底解决基坑墙体的渗漏问题。地下连续墙刚度大，适用深度较大的基坑， 对变形控制好，墙体抗渗性好，对地层的适应性强，但其成槽工艺复杂，设备较多，成 本高，且泥浆量大，对周围环境易造成污染。s m w 工法挡墙能够较好地克服以上缺点， 而且经济效益较好。 在我国，加劲水泥土挡墙的研究和应用还处在初期阶段，无论是理论分析还是计算 方法都无法满足工程实践的需要，设计施工还处在照搬别人经验的较低层次上。特别是 插入的芯材截面较小的挡墙，受力机理非常复杂，又不宜作过多简化，急需工程技术人 员作细致深入的研究。 1 2s m w 工法的发展及研究现状 1 2 is m w 工法的发展 s m w ( s o i l c e m e n tm i x i n gw a l l ) 5 2 法是基于深层搅拌桩施工方法发展起来的，具有很 大潜力的一种新颖的基坑围护方式。第二次世界大战后，美国首先研制出水泥土搅拌桩 施工方法：m i p ( m i x i n gi n p l a c ep i l e ) 工法，1 9 5 3 年由日本清水株式会社经美国普里帕 特公司允许引进日本，1 9 5 5 年在日本大阪市安治川河畔进行m i p 工法试验性施工，试 验中发现水泥土搅拌桩成桩速度很快，且噪音小，于是尝试依次连续施工做成一道柱列 式地下连续墙，这就是s m w 工法的雏形。1 9 6 4 年东京奥运会的举办刺激了日本建筑业 的繁荣发展，地下挡土墙的工程数量急剧上升，而当时地下挡土墙的主要旌工方法是钢 板桩，打桩时产生的噪音、振动形成大环境公害。而以m i p 工法施工形成的水泥土柱 列式挡土墙以其施工噪音小、无振动、施工速度快等优势受到青睐。自1 9 6 5 年起，挡 土墙工程中采用该方法的实例越来越多。 由于m i p 工法是单轴搅拌桩施工，施工时相邻桩往往搭接不完全，在这些搭接不完 全的地方发生漏水现象，漏水会冲走泥砂，从而导致邻近建筑物发生不同程度的沉降。 通常采用药液注浆工艺作为辅助止水措施，但效果并不太好。1 9 6 8 年根据搅拌钻机原理 开发出一种双轴搅拌钻机，同原型相比，水泥土成桩质量有所提高，但仍存在着以下缺 点： ( 1 ) 水泥土桩成桩的垂直精度较难保证； 位) 施工中很难保持相邻桩之间的完全搭接； ( 3 1 削孑l 过程中一旦遇到障碍物则削孔轴容易发生弯曲； ( 4 ) 在硬质粉土或活性指数较高粘土中搅拌较困难，水泥土搅拌质量较差，挡土墙墙 体可靠性差。 1 9 7 1 年日本成幸工业公司经过改进开发出多轴搅拌钻机，有效地解决了以前钻机的 缺陷，使相邻桩完全搭接，克服了挡墙渗漏、流砂等问题。同时，搅拌钻机的刚度也得 2 1 绪论 到很大程度的提高，增强了搅拌轴的稳定性，保证成桩的垂直精度。由此，s m w 工法 日趋成熟，其施工业绩备受瞩目。 经过近2 0 年的不断完善和发展至7 0 年代日趋成熟，形成了一套以相互搭接的水泥 土搅拌桩墙内插入芯材的基坑围护体系。自此，s m w 工法的旌工实绩不断提高，用途 日益扩大，有资料统计【l 】至9 3 年7 月，s m w 工法在日本施工墙壁面积已达1 2 1 6 万i n 2 ， 约合建筑面积8 0 0 万m 2 ，占日本各种工法地下墙结构施工的5 0 0 左右。目前，日本s m w 工法一次成墙宽度可达1 1 5 3 1 0 c m ，最大成墙深度为6 5 m ；水泥土强度亦较高，约在 1 1 0 3 1 0 m p a 问，钻孔精度可控制到1 2 0 0 桩长，可适应于粘性土、砂性土以及砂砾石等 地层中篪工。此外，还开发成功了矩形断面的t m w 工法施工专用机械。8 0 年代末期， s m w 工法引起我国工程界的注意，1 9 9 3 年和1 9 9 4 年在上海静安寺“环球世界”商厦和南 京某大厦基坑围护工程中得到成功应用【2 】1 3 】，后经不断完善和发展，先后在申海大厦， 上海地铁二号线的基坑工程中得到成功应用，并实现了h 型钢的回收。目前，上海地铁 明珠线二期工程、广州地铁、北京地铁及南京地铁的一些车站基坑正在采用或准备采用 这种工法作围护结构。在南京地铁珠江路车站及控制中心基坑工程中，土层主要以粉质粘 土为主，最大开挖深度达到1 9 4 5 m ，为目前国内采用s m w 围护最深的基坑工程。目前 该工法主要应用于我国东南沿海地区的软土深基坑围护中，并逐步向内地推广。 实践证明，s m w 工法完全适合中国国情，加强对该技术的研究是我们的当务之急。 1 2 2s m w 工法的研究现状 在水泥搅拌桩体内加劲性型钢，形成复合的围护结构墙体，这种在日本已成熟应用 的方法称为s m w 工法，它组合了型钢受力和水泥止水的各自优点，截面比较小，适应 性强。型钢加劲水泥搅拌桩的施工方法在我国实施以后，推动了这种复合型围护结构的 承载特性和设计计算方法的研究：同时由于我国经济条件不允许消耗大量造价高的型 钢，这是在我国推广使用这项技术的主要障碍，于是推动了工后将型钢拔出技术的研究， 上海隧道公司致力于这方面的研究已取得进展；从1 9 9 5 年以来，型钢加劲水泥搅拌桩 在基坑工程中已经在2 6 个工程项目中得到了应用，其中1 1 个工程的型钢得到回收。使 用型钢加劲水泥搅拌桩的基坑开挖的最大深度为1 4 m ，挡墙的最大深度为2 5 2 m ( 上海 交通轨道明珠线宝兴路车站) ，基坑面积最大的为东方明珠国际会议中心( 1 3 4 0 0 m 2 ) 。 加劲水泥土搅拌桩围护结构是一种连续墙体，可同时满足挡土和防渗的要求，围护 结构的插入深度及结构内力的计算与地下连续墙相同，设计的侧重面是正确确定围护墙 的水平承载能力以验算截面强度。已有的简化方法是建立在验算型钢承载力的基础上， 并视情况适当考虑水泥土对围护结构刚度的加强作用。1 9 9 8 年同济大学的博士生王健在 博士学位论文【3 3 】中论述了对加劲水泥土搅拌桩复合截面承载能力的研究成果，提出了新 的设计思路，考虑了水泥土桩与型钢的共同作用，其刚度的组合与型钢的布置方式有关。 3 西安科技大学硕士学位论文 有关试验表明：水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用， 此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳，对h 型钢还可以防止翼缘失稳，这样 可以使翼缘厚度减小到很薄( 甚至可以小于i o m m ) 。加劲水泥土组合梁是一种柔性连 接的组合，不同于钢筋混凝土的刚性连接。根据试验结果，将加劲水泥土全位组合梁的 承载过程划分为弹性共同作用、非线性共同作用和型钢单独作用三个阶段。 加劲水泥土挡墙是水泥土和芯材的组合体，其工作性能十分复杂。对此，国内外学 者作了大量研究，下面就从水泥土材料性能、组合结构工作特点、设计计算方法和型钢 的拔出研究几个方面介绍。 ( 1 ) 水泥土材料性能 水泥土作为一种特殊的建筑材料，是由水泥、土料和水三种材料构成，既具有土工 的一些特点，也具有混凝土的某些性质。水泥土常采用人工或机械的方法均匀拌和或压 实成型，水泥吸取土中的水分而产生凝结、硬化，形成水泥石骨架并包裹着土颗粒，在 土体中形成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒问的空隙中，形成网状结构，增加 了土的强度，从而改变了原地基土的物理、力学性质。 铃木健夫、国藤扎光 4 1 对水泥土地下墙的材料进行了室内实验研究，得出如下结论： 无侧限抗压强度： 吼2 8 = 聊s + n( 1 1 ) 式中：q 。一龄期为2 8 天的水泥土无侧限抗压强度； j 一含砂率； m 、”拟合直线参数。 随着砂率的增加，水泥土的透水系数增大。 在日m - 3 0 m p a 的条件下，粘聚力c ：( i 1 i 1 ) q 。 zj p h 值小的酸性粘土，其水泥土的q 。也小。 李永胜1 5 1 通过对上海地区四种土质水泥土的强度指标试验 度与水泥掺入比口。的经验关系式： q ”2 b = 七w 口。+ q “o 式中：o r 。一水泥掺入比； 得出水泥土单轴抗压强 ( 1 2 ) k 。一强度增长系数： g 。一原状土无侧限抗压强度。 张家柱嘲等通过室内对水泥土的物理、力学性能的试验研究得出： 水泥土的最大干密度接近于土料的最大干密度。击实试验得出：最优含水量为土 4 1 绪论 料最优含水量增加1 o 2 o 左右；土料的粘粒含量愈多，最优含水量愈大；水泥掺 入量愈高，最优含水量也愈大。 水泥土的强度随水泥掺入量口。的增加而增大，随着养护时间的增加而增大。养 护9 0 天龄期试样无侧限抗压强度为2 8 天龄期试样强度的1 9 2 1 倍，是天然地基土的 5 0 7 5 倍。9 0 天龄期的强度为1 8 0 天的8 0 8 5 ，据有关资料显示在l 2 年以后强 度仍有增长。 相同水泥掺入量下，水泥标号愈高，配制的水泥土的强度愈高。同样，在相同的 水泥标号下，水泥掺入量越大，水泥土的强度越高。3 2 5 号水泥每增加1 水泥掺入量 时，无侧限抗压强度平均增加2 4 4 k p a ：而4 2 5 号水泥则增加2 7 6 k p a 。 水泥土强度随着干密度的增大而急剧增加；因而干密度是导致强度增加较显著的 因素，适当提高水泥土的干密度，可获得较好的水泥土技术性能。 水泥土的强度与天然土的含水量有着直接的关系：开始其强度随土中含水量增加 而增大，到达某一峰值后随着含水量的增加而减小，只有在峰值含水量时，水泥土的强 度才能达到最高值。 水泥土受轴向应力作用时的应力一应变关系的特征是：在受力初期阶段，应力一 应变关系符合虎克定律，二者呈直线关系；当外力达到极限强度的6 5 8 0 时，应变 开始增大，应力一应变不再继续保持直线关系；当外力达到极限强度时，水泥土很快出 现脆性破坏，残余强度很小；破坏时的轴向应变为o 3 2 0 5 5 。 三轴剪切试验结果表明：水泥土抗剪强度随水泥掺入量和龄期的增长而增加；其 内摩擦角变化不大( 一般为2 0 0 2 8 0 ) ，主要是粘聚力的增长。 水泥土的水稳定性和抗冲刷性能较好，在水的作用下，不发生浸水膨胀、裂缝和 崩解，土料粘性愈大，抗冲刷能力愈强。 ( 2 ) 组合结构的工作特点 由于加劲水泥土挡墙是一种新型的组合结构，所以目前对水泥土与型钢之间共同作 用的研究还不充分。国内外的一些学者对截面含钢率比较大的s m w 工法组合结构的受 力机理进行了一定的研究。 铃木健夫【7 】取在现场养护的s m w 墙体制作试件，进行抗弯试验。结果表明：水泥 土不仅能防渗止水，还能防止型钢失稳，增强整体刚度，从而减小挡墙的位移。同时， 在含钢率较大的情形下，水泥土的刚度贡献率很低。 王健等【8 】按墙体截面受力单元制作试件进行简支组合梁模拟抗弯试验，得到“全位”、 “半位”截面形式组合梁的受力特征规律。 “全位”组合梁的受力特征可分为3 个工作阶段：弹性共同作用阶段，其特征主要 表现为在水泥土开裂前，组合粱基本处于弹性状态，组合刚度即为材料各自刚度之代数 西安科技大学硕士学位论文 和；非线性共同作用阶段，水泥土开裂初期，两材料之问发生微量粘结滑移，组合梁 挠度增大，但其组合刚度的下降速率较慢：型钢单独作用阶段，随着荷载的增加，水 泥土开裂深度越来越大，新的裂缝不断产生，组合梁挠度增长较快，水泥土的作用已不 明显，可认为只有型钢单独作用。 “半位”组合梁的受力特征分为两个阶段：准弹性共同作用阶段，其特征主要表现 为水泥土带微裂缝与型钢共同工作，组合梁刚度下降不显著，可近似认为常数；塑性 共同作用阶段，荷载的增长使组合梁上水泥土的裂缝加深，梁的刚度下降，但相对相同 荷载作用下的单根型钢比较，组合梁刚度仍较大，这说明水泥土的作用仍较为明显。 ( 3 ) 型钢拔出研究 由于加劲水泥土挡墙一般为临时围护结构，而芯材通常是造价比较昂贵的型钢，例 如，上海经验表明，型钢的造价约占水泥土墙总造价的一半左右。从这一点出发，考虑 型钢的回收，可以在不影响结构性能的前提下，大幅度的节约造价。为此，自我国工程 技术人员引进s m w 工法之初，就对型钢的起拔回收作了重点攻关。 张冠军 9 】等通过室内模拟试验和中间试验，结合理论分析，得出了型钢拔出的物理 模型和作用机理，并且提出型钢完整回收的验算公式： b = t r s h 【p 】- 0 7 0 ，a 日 ( 1 3 ) 式中：p m h 型钢起拔力，适用于变位率小于0 5 的情况； “，h 型钢与水泥土之间单位面积的极限侧摩阻力，当涂有特制的减摩剂 涂层时平均取0 0 4 m p a ； s 。h 型钢截面的周长； 0 一h 型钢的长度； p 】一h 型钢的允许拉力； 盯。一钢材的抗拉强度； a 。一h 型钢的截面面积。 应用这一方法，对上海滨江道排水总管9 # 工作井围护工程中的型钢起拔力进行估 算，与实测结果吻合较好，型钢全部实现完整回收。 ( 4 ) 设计计算方法 加劲水泥土挡墙的设计计算方法是在参照其他形式围护结构计算方法的基础上发 展起来的。日本材料学会【1o 】较早发起 s m w 工法设计施工指南的编制工作。1 9 8 8 年 1 月，日本土建领域s m w 工法设计施工规范正式发布，其主要设计思想是：当s m w 工法作挡土结构时，墙体应力由芯材和水泥土共同承担，但墙体刚度在设计中一般只考 虑芯材的刚度，而将水泥土的刚度贡献作为墙体的刚度储备。 根据上述思想，s m w 挡墙就可以折算成等刚度的混凝土壁式地下墙进行计算f l l 】。 6 1 绪论 i ；i ；j i i；i i ；ij ；j i i i i i j i i ；i i i i i i i i ；i i ；i i i i i i i i ；i ； 设型钢的宽度为w ，净距为f ，折算后的墙体厚度为h ，如图1 1 。挡墙刚度仅考虑型钢 刚度，则每根型钢应等价为宽w + f 、厚度为h 的混凝土壁式地下墙，按等刚度原则可得 e s l s = 击以w + f ) 矗3 式中：e s 、i s 一型钢的弹性模量与惯性矩5 e 。一混凝土的弹性模量。 twt 0 j 茸# = 杜i 王晋 ( 1 4 ) 图1 1 等刚度壁式地下墙厚度折算 于是，按通用的计算方法，可以计算出混凝土壁式地下墙每延米的内力和位移m ，、o ”、 u 。，换算得到每根型钢承受的内力和位移m ，、q 、u ，为： m ，= ( w + t ) m 。 o ；= ( w + t ) q 。 u ，= u 。 1 3s m w 工法的特点 作为一种新型的围护结构，s m w 工法有以下特点： ( 1 ) 占用场地少，对周围地层影响小 一般钢筋混凝土地下连续墙，墙体加导墙宽约1 0 1 2 m ，双头搅拌桩加灌注桩宽 2 m 以上，而s m w 工法一般单排为0 6 5 o 8 5 m ，国产设备双头搅拌桩为1 2 m ：s m w 工法是直接把水泥类悬浊液就地与切碎的土砂混合，不像地下连续墙或灌注桩需要开槽 或钻孔，容易造成槽( 孔) 壁坍塌，所以在施工过程中不会造成邻近地面下沉、房屋倾 7 西安科技大学硕士学位论文 斜、道路裂损或地下设施破坏等危害。 ( 2 ) 抗渗性能好 由于钻削与搅拌反复进行，使浆液与土得以充分混合形成较均匀的水泥土，且墙幅 完全搭接无接缝，比传统地下墙具有更好的止水性，水泥土渗透系数很小，达 l o 1 0 8 c m s 。 ( 3 ) 结构刚度大 s m w 工法挡墙根据使用要求，成墙厚度可在5 5 0 m m 1 3 0 0 m m 之间，内插强度和 刚度较大的芯材，使得挡墙可以达到较高的刚度，十分安全可靠。 似) 适用土质范围广 采用多轴螺旋钻机方式的s m w 工法适用于从软弱地层到砂、砂砾地层及直径 l o o m m 以上的卵石，甚至风化岩层等。如果采用预削孔方法还可运用于硬质地层或单 轴抗压强度6 0 m p a 以下的岩层。 ( 5 ) 施工噪音小、无振动、工期短 s m w 挡墙采用就地加固原位土从而一次筑成墙体，成桩速度快，墙体构造简单， 施工效率高，省去了控槽、安放钢筋笼等工序，同地下连续墙施工相比，工期可缩短近 一半。 ( 6 ) 对环境污染小，废土产生量少，无泥浆污染 水泥悬浊液与土混合不会产生废泥浆，不存在泥浆回收处理问题，先做废土基槽， 限制了废水泥土的溢流污染，最终产生的少量废水泥土经处理还可再利用作为敷设场地 道路的材料。这样既降低了成本，同时又消除了建筑垃圾的公害。 ( 7 ) 施工方法简单，施工过程中对周围建筑物及地下管线影响小。 ( 8 ) 耗用水泥钢材少，造价低，技术经济指标好。 s m w 挡土墙的主要消耗材料是水泥类悬浊液和芯材，造价仅需地下连续墙的7 0 左右。特别是如果从挡土墙只作临时结构出发，h 型钢能够回收，成本大大降低，经济 效益更加明显。 1 4 本文的主要工作 目前，s m w 工法在我国软土地区应用已取得一定的经验，而在我国分布相当广泛 的粉质粘土和砂质土地区的工程实例还很少见，为了促进s m w 工法在这些地区的推广 和应用，本文将结合天津地铁一号线某车站工程实例，探讨s m w 工法挡墙在这种地层 条件下的工作性能和设计施工的有关理论和计算方法。于是，本文的主要工作有： ( 1 ) 水泥土的物理力学性能和设计参数等加以探讨。包括水泥土的固化机理、水泥 土的止水性能、水泥土的力学性能及水泥土的本构模型。 ( 2 ) 对s m w 加劲水泥土挡墙的设计计算方法加以研究。主要包括土压力的计算、 8 1 绪论 墙身型式的选择、水泥土搅拌桩入土深度的确定、h 型钢入土深度的确定、挡墙截面设 计、承载力验算、拔出力计算等。推导组合梁非加筋区水平承载力公式，并在工程实例 中验证各公式的可靠性。 ( 3 ) n n 大型有限元分析软件a n s y s 对实际工程进行数值模拟分析，计算分析挡墙 的结构内力和变形，将计算结果与其实测数据进行比较，得出较为合理的结论，验证模 型的可靠性，为s m w 工法挡墙的变形预测、设计计算及施工提供参考。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 水泥土的性能 2 1 水泥土的固化机理 水泥土搅拌法是用固化剂水泥浆( 或水泥粉) 与外加剂( 石膏、木质素磺酸钙等) 通过搅拌机输运到软土中并加以充分拌和，固化剂和软土之间产生一系列的物理、化学 反应，改变了原状土的结构，使之硬结成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土 固化材料。不同的土质，其固化机理也有差别。应用于砂性土时，水泥土的固化原理类 同于建筑上常用的水泥砂浆，具有很高的强度，固化时间也相对较短。然而，用于粘性 土时，由于水泥掺量有限( 7 2 2 ) 且粘粒具有很大的比表面积并含有一定的活性 物质，水泥的水解和水化反应完全处于粘土颗粒的包围之下，硬化速度比较缓慢，固化 机理也比较复杂。水泥土形成过程中要产生一系列的物理化学反应，这些反应过程对水 泥土的性能影响很大。 2 1 1 水泥的水解和水化反应 水泥的主要矿物成分有硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ) 、硅酸二钙( 2 c a 0 s i 0 2 ) 、铝酸三钙 ( 3 c a o a l 2 0 3 ) 、铁铝酸四钙( 4 c a o a l 2 0 3 - f e 2 0 3 ) 、二水石膏( 3 c a o ，2 h 2 0 ) 和无水石 膏( c a s o 。) 等。当用水泥与水拌和成水泥浆时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水 解和水化反应，生成c a ( o h ) 2 、c a 3 s i 0 7 、3 c a o a 1 2 0 3 6 h z o 、3 c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 、a 1 2 0 3 3 h 2 0 等一系列水化物，这些水化物迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露，继续与水反应， 生成的水化物溶于水，直至溶液达到饱和，生成无不能再溶解，乃成为凝胶微粒悬浮于 溶液。此后，这种凝胶微粒的一部分逐渐自身凝结硬化而形成水泥石骨架，另一部分与 周围具有一定活性的土颗粒发生反应，促进土体进一步胶结。 同时，水泥矿物中的c a s 0 4 和3 c a o a l 2 0 3 一起与水反应，生成一种化合物叫“水 泥杆菌”( 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ) ，以针状结晶形式很快析出，这一反应使土中大 量自由水以结晶的形式固定下来，自由水减少量占水泥杆菌生成重量的4 6 ，但硫酸钙 的含量不能过多，否则水泥杆菌针状结晶会使水泥土膨胀破坏。 2 1 2 粘土颗粒与水泥水化物的作用 ( 1 ) 离子交换和团粒化作用 由于土为多相散布体，它与水结合时一般具有胶体的特征。土中的s i 0 2 与水即形 成硅酸胶体。经过化学反应，较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒，而且由于水泥水化 生成c a ( o h ) 2 等凝胶粒子，其比表面积比原水泥颗粒的表面积大1 0 0 0 倍，其表面能较 1 0 2 水泥土的 生能 大，吸附活性十分强烈，于是团粒进一步相结合，并且封闭了团里之间的孔隙，从而形 成较坚固的水泥团粒结构，使土的强度提高。 ( 2 ) 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，当溶液中析出的钙离子的数量超过离子交换所需数量 时，多余部分便与土体矿物中的一部分或大部分胶态s i 0 2 或a 1 2 0 3 进行反应，生成不溶 于水的、稳定的硅酸钙或铝酸钙结晶化合物，即微晶凝胶。它在水中逐渐硬化，且强度 增长，由于其结构致密，水不易侵入，它赋予水泥土一定的水稳定性。 2 1 _ 3 碳酸化作用 水泥水化物中游离的c a ( o h ) 2 能吸收水和空气中的c 0 2 ，还原为不溶于水的碳酸钙， 它能增加土的强度，但其反应速度较慢，故有助于增加后期强度，对于作为临时结构的 基坑围护结构这一作用意义不大。 水泥土的强度增长是基于水泥和软土之间的物理一化学反应，不仅存在于水泥的硬 化，而且伴随着土体与水泥水化物的相互作用。水泥土的强度构成主要有四个层次：土 的固有结构、物理改良、水泥硬化、硬凝反应。其中水泥硬化对强度的影响最大。 水泥土的强度主要来源于两部分水化物的胶结作用，即水泥本身的水化产物的胶结 作用和水泥水化时产生c a ( o h ) 2 与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结 作用。其中前者是构成水泥土强度的主要部分。 水泥土与混凝土的硬化机理存在着一定的差异：混凝土的硬化主要是水泥的水解和 水化作用，水解和水化所形成的水泥石与粗骨料( 碎石) 和细骨料( 砂子) 是不起化学 反应的，仅有表面的物理结合和化学结合作用，是一种具有堆聚作用的复合材料，在混 凝土中使用同质遥量的水泥必然产生同量的水化物；而在水泥土浆中却不同，水泥的水 解和水化反应是在具有活性的土介质围绕并参与下进行的，其物理化学作用更为复杂， 反应速度缓慢。 水泥水化作用主要有两种生成物：石灰和水化硅酸钙( c s h ) 。粘结、强度和体积 变化主要由它们来控制，其中对强度最大贡献的是具有胶结作用的水化硅酸钙( c s h ) 。 水泥水化产生的c a 2 + ，与粘土颗粒结合成钙粘土，并因水泥浆的增加促使絮凝的密度增 加。孔隙水中溶解的硅酸钙盐将与钙离子混合，凝结成附加的粘结物，这种附加的粘结 物质进一步增强颗粒之间的粘结强度，从而增加水泥强度和耐久性。 文献u 2 根据水泥土强度试验和化学分析，提出了一种水泥土硬化反应模式( 图2 1 ) 。 水泥与粘土拌和后，水化产生c a ( o h ) 2 和c s h 等水化物，c a ( o h ) 2 随即被土体吸收。如 果水泥土孔隙水仍处于c a ( o h ) 2 过饱和状态，则c s h 等水化物将不受周围土质的影响 而正常生成，且由于有充裕的c “o h ) 2 存在，土中活性物质和替代水泥加入的活性材料 变得以与c a ( o h ) 2 进行充分的硬凝反应，生成c s h 等水化物。在这种情况下，可得到 西安科技大学硕士学位论文 较高的水泥土强度。反之，若水泥土孔隙水中的c a ( o h ) 2 欠饱和，将导致c s h 生成量 的减少，土中活性物质及活性材料亦因c a ( o h ) 2 不足不能发生硬凝反应，会使水泥土强 度降低。 图2 1水泥土硬化反应模式示意图 2 2 水泥土的止水性能 水泥土的止水性能主要取决于水流通过水泥土孔隙的难易程度。故据现有的资料来 1 2 2 水泥土的性能 看，目前这方面的研究，主要是参照土的透水性的研究方向进行的。 2 2 1d a r c y 定律 地下水在土或水泥土中流动有层流和紊流两种形式。对于施工质量能够保证的水泥 土或没有较大孔隙和空洞的土体，水仅能在其孔隙中或部分较小的裂隙中流动，一般流 速也不大，属于层流运动；而对于具有较大的裂隙或空洞的土或水泥土体，水在其中流 动可能会发生紊流运动，其流线有相互交错的现象。 h d a r c y 于1 8 5 2 1 8 5 5 年在垂直管中装砂进行过砂土透水性的试验研究，研究结果 证明渗流量除与断面面积成正比外，且正比于水头损失，反比于渗径长度，即 o ：型：垒垒 ( 2 1 ) 一 三 式中：9 一单位时间渗流量； j c 一渗透系数； 爿一断面面积； 杠水头损失； 三一渗径长度。 令 v ：旦 4 ，：竺 代入( 2 1 ) 式得： v = k j ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 称作d a r c y 定律，但对于粘性土，只有当渗透坡降大于某一值山( 称作初 始坡降) 时，才开始发生渗流，因此，水在粘性土体中的渗透规律为 v = k ( j j o 、 ( 2 3 ) 对于水泥土，无论其天然土是粘性土或无粘性土，加固后的水泥土均具有粘性土的 某些性质，水在其中的渗透定律也基本符合( 2 3 ) 式。 2 2 2 渗透系数 渗透系数是指渗透坡降等于1 时的渗透平均流速。因此渗透系数的大小是直接衡量 土的透水性强弱的重要指标之一，也是判定水泥土止水效果的重要指标。 影响渗透系数的因素很多，包括流体的性质，孔隙率，孔隙形状，平均水力半径及 温度等。通过因次分析可得 k = c l d 2 ，。r ( 2 4 ) 式中：c l 一形状因素； 西安科技大学硕士学位论叉 d 一孔径大小或粒径； 九一水的重度； ，7 一水的动力粘滞系数。 根据水力学层流运动的理论可得 k ：c 1 r ：n ( 2 5 ) 。“叩 式中：c 2 一孔隙形状系数； r 片平均水力半径； y 。一水的重度； n 一水泥土的孔隙率。 但是，至今有关各种因素与渗透系数k 之间的内在关系还没有完全探明，所以在工 程实际中确定k 值常常根据一些经验数据或试验室以及现场进行试验测定。 a h a z e n ( 1 9 1 1 年) 提出用有效粒径计算渗透系数的经验关系，根据实验结果较均匀的砂 可用下面的经验公式 k ( c m s ) = 兹 ( 2 6 ) k t e r z a g h j 于1 9 5 5 年考虑土体孔隙比的影响给出渗透系数k 的计算式 k ( c m s ) = 2 碥e 2 ( 2 7 ) 在( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式中d l o 为土体有效粒径，均以m m 计，e 为孔隙比。 水泥土凝结后与天然土相比，含水量、孔隙比均有不同程度的降低。表2 1 ”】所列 是某现场的水泥土桩芯样与其相邻同深度处的天然土试样做室内对比试验的结果。 表2 1 水泥土桩体芯样试验结果 雾( k 鲅n m k 含戋纛；i 勰凯压雩k 系p 鬻a - _ 2 压裹菱未嚣q 限u ( 竺k p a )类别) ( ) (1 ) b 1 2 ( k p a ) 强，矍 天然 1 6 3 36 8 8 50 8 3 5 0 0 0 1 5 91 6 1 4 0 2 7 0 土样 桩体 1 6 4 0 5 2 4 30 6 6 8 o 0 0 0 2 41 1 0 1 7 0 7 2 7 o 芯样 此外，水泥土在其水化过程中生成大量c a ( o h ) 2 等凝胶粒子，而凝硬过程中也产生 大量微晶凝胶，其颗粒极其微小，在水泥土凝结后，其块体的颗粒级配趋向良好，且有 效粒径也将有所变小，并且天然土经加固成水泥土后连通孔隙大大减少。因此水泥土的 渗透系数比天然土降低许多，且随着加固龄期和水泥掺入比的增加而降低。 1 4 2 水泥土的性能 2 3 3 初始坡降 对于粘性土和水泥土的渗透，一般存在一个初始坡降问题，这是由于土颗粒周围结 合水薄膜的流变特性