（岩土工程专业论文）phc管桩作为劲性水泥土墙芯材的应用研究.pdf

摘要 p x c 管桩作为劲性水泥土墙芯材的应用研究 摘要 p h c 管桩以其优越的抗弯性能以及可靠的质量保证在基坑支护工程中得到了不少应用。此外， 随着s m w 工法的引进，劲性水泥土墙以其独特的优点在我国也得到了很快发展。本文综合利用p h c 管桩承载力高和劲性水泥土墙施工便捷、环保文明的特点，提出了一种新型的支护工艺，即以p h c 管桩作为劲性水泥土墙芯材的支护工艺，简称p c m w 工法。这种工艺克服了s m w 挡墙刚度小的缺 陷，在控制基坑变形方面效果显著，同时避免了因锤击p h c 管桩而产生的土体扰动现象等缺点。 本文主要研究了p c m w 工法的设计方法以及施工工艺，并通过a n s y s 有限元软件对工程实例 进行数值模拟，与现场监测数据进行了比较分析。主要内容包括： ( 1 ) 根据已有的基坑设计理论，提出了适合p c m w 工法的设计计算流程，并根据刚度等效原 理，提出了将p c m w 挡墙等效成地下连续墙来计算支护结构内力的方法，以及支护结构承载力验算 方法等。 ( 2 ) 运用了材料力学和弹塑性力学理论，对水泥土填芯的p h c 管桩抗弯承载力进行了理论推 导，通过计算对水泥土的抗弯承载力的贡献率做出定量分析，发现水泥土的刚度贡献很小。因此， 建议计算p c m w 挡墙时只要考虑p h c 管桩的承载力即可。 ( 3 ) 简要说明了p c m w 工法的适用范围，总结归纳了p c m w 工法的施工流程，以及施工质量 和验收的标准等； ( 4 ) 介绍了p c m wi 法的应用实例，对基坑的变形监测数据进行了分析，总结p c m w 挡墙的 变形特点。另外，分析了p c m w 工法的各种优点，包括结构的承载力性能、经济效益、环保文明等 方面，为进一步推广这种工艺打下良好基础。 ( 5 ) 运用a n s y s 软件对实际工程进行数值模拟，对p c m w 挡墙的结构内力和变形进行计算， 并将计算结果与实测数据进行比较，得到了较为合理的结论，验证了模型的可靠性，也为p c m w 挡 墙的变形预测、设计计算及施工提供参考。 关键词：p h c 管桩劲性水泥土墙基坑支护p c m w 工法施工工艺有限元 s t u d yo na _ p p l i c a t i o no fp h ct u b ep i l et h 忪l tb e u s e da sc o r em 认t e r i a li nr e i n f o r c e d s o i lm i x i n g c a 山l a b s t r a c t p h ct u b ep i l e sa r eu s e di nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gp r o j e c tw i d e l yb e c a u s eo ft h e i rs u p e r i o rf l e x u r a l b e h a v i o ra n dr e l i a b l eq u a l i t yg u a r a n t e e m o r e o v e r , w i t ht h es m wt e c h n o l o g yi n t r o d u c e d ，r e i n f o r c e ds o i l m i x i n gw a l li sd e v e l o p e dq u i c k l yi no u rc o u n t o r yf o ri t su n i q u ea d v a n t a g e s b yc o m p r e h e n s i v eu t i l i z i n gt h e h i g hb e a r i n gc a p a c i t yo fp h ct u b ep i l ea n dt h ec o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n t a lo fr e i n f o r c e d s o i lm i x i n gw a l l ，an e ws u p p o r tt e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r n a m e l y , w i t hp h ct u b ep i l eb eu s e d a sc o r em a t e r i a li nr e i n f o r c e ds o i lm i x i n gw a l l f o rs h o r tp c m w t e c h n o l o g y t h i sm a t h o do v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n go fs m a l ls t i f f n e s so fs m wr e t a i n i n gw a l l ，w i t hr e m a r k a b l ee f f e c ti nd e f o r m a t i o nc o n t r o lo f f o u n d a t i o np i t , a tt h es a m et i m e ，a v o i d st h ep e r f o r m a n c eo fs o i ld i s t u r b a n c ew h i c hi sc a u s e db yh a m m e r i n g t u b ep i l e ，a n ds oo n t i l i sp a p e r m a i n l ys t u d i e dt h e d e s i g nm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fp c m w t h e nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t ac o m p u t e df r o mf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sw a sc o m p a r e dw i t ht h eo n - s i t e m o n i t o r i n gd a t a 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) t h es u i t a b l ed e s i g na n dc a l c u l a t i o np r o c e d u r eo fp c m wt e c h n o l o g yw a sg o tf r o mt h ee x i s t i n g f o u n d a t i o np i td e s i g nt h e o r y a n dt h es t r u c t u a li n t e m a lf o r c e sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h es t a i n i n gs t r u c t u r e b e a r i n g c a p a c i t yc h e c k i n gm e t h o dw e r ea l s og o tf r o mt h er e s u l tt h a tt h er e t a i n i n gw a l lw a se q u i v a l e n ti n t o t h ed i a p h r a g mw a l l ( 2 ) at h e o r e t i c a ld e r i v a t i o nt ot h ef l e x u r a lb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep h ct u b ep i l ef i l l e dw i t hc e m e n t - s o i l w a sc a r r i e do u tw i t ht h et h e o r yo fm a t e r i a lm e c h a n i c sa n de l a s t i c - p l a s t i cm e c h a n i c s t h e nt h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i st ot h ec o n t r i b u t i o nr a t eo ft h ef l e x u r a lb e a r i n gc a p a c i t yf r o mt h ec e m e n t s o i lw a sg o tf r o mt h e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ec o n t r i b u t i o nr a t ef r o mt h es t i f f n e s so ft h ec e m e n t - s o i lw a s s m a l l t h e r e f o r e ，o n l yt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ep h cp i l e sw o u l db ec o n s i d e r e dd u r i n gt h ec o m p u t a t i o n o ft h ep c m w r e t a i n i n gw a l l ( 3 ) s y n o p t i c a i l ys p e c i f i e st h es c o p eo fa p p l i c a t i o no ft h ep c m wt e c h n o l o g y , s u m m a r i z et h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so fp c m w a sw e l la st h es t a n d a r do fc o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n da c c e p t a n c e ，e t c ( 4 ) t h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e so fp c m wi si n t r o d u c e d ，a n dt h ed a t a so fm o n i t o rr e s u l t so ff o u n d a t i o np i t d e f o r m a t i o n sa r e a n a l y s e d e ，t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd e f o r m a t i o n so fp c m wr e t a i n i n gw a l li s s u m m a r i z e d b e s i d e s ，f o rt h ep u r p o s eo fp r o m o t i n gt h i st e c h n i c s ，k i n d so fa d v a n t a g e so fp c m wa r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n gb e a r i n gc a p a c i t yo fs t r u c t u r e s ，e c o n o m i cb e n e f i t ，a n de n v i r o n m e n tb e n e f i t ( 5 ) m a d ean u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gw i t ha n s y ss o f t w a r e ，a n dc a l c u l a t e dt h e s t r u c t u r a li n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a n c eo ft h ep c m wr e t a i n i n gw a l l ，t h e nc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t ht h em e a s u r e dd a t a , m o r er e a s o n a b l ec o n c l u s i o ni so b t a i n e d r e l i a b i l i t yo ft h em o d l ei sv e r i f i e d w h i c h c a l lb eu s e da sr e f e r e n c ef o rp r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr e t a i n i n gw a l l ，d e s i g n i n gc a l c u l a t i o na n d c o n s t r u c t i o n k e y w o r d ：p h ct u b ep i l e ；r e i n f o r c e ds o i lm i x i n gw a l l ；f o u n d a t i o np i t ；p c m wt e c h b o l o g y ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ；f e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人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取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 立雌e t 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：掉导师签名： e t 期：2 星兰： ! 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论帚一早珀t 匕 上世纪8 0 年代以来，改革开放带来了国民经济的飞速发展，城市化进程也是随之发展起来，许 多城市特别是沿海经济发达的地区兴建了大量的各类建筑，城市的三维空间发展愈加显著1 1 i 。地下 空间也得到了广泛的开发和利用，诸如大规模高层建筑的地基基础与地下室、大型的地下商场与停 车场、地铁车站及地下交通枢纽、地下仓库、地下民防工程、大型地下排水与污水处理系统等1 2 1 。 此类地下结构的施工产生了大量的深基坑工程，而且此类基坑的规模和深度也在不断扩大：另外城 市建设的快速发展对基坑支护工程提出了更高更严的要求，不仅要保证支护结构的稳定以及周边建 筑和地下管线等的安全，还要严格控制支护结构的变形1 3 】：同时，由于工程地质和水文条件复杂多 变、环境保护要求越来越高、工期进度及资源节约、市场竞争日益激烈等开发条件要求日益复杂等 m 。这一切都促进了基坑支护技术的不断创新，更加要求安全性、经济性和适用性的统一，以满足 现代城市建设发展的需要。近年来，我国基坑工程呈现出新的特点 6 - 8 i ，主要表现在： ( 1 ) 基坑开挖深度逐渐增加，开挖深度达2 0 - - - 3 0 m 的基坑屡见不鲜。例如，国家大剧院基坑 工程，大部分开挖深度2 6 m ，局部达到3 2 5 m ；上海外环隧道浦西基坑工程，最大开挖深度3 4 m ： 润扬大桥南汉北锚锭深基坑开挖深度更是达到了5 0 m 。 ( 2 ) 基坑的规模越来越大，主楼与裙楼连成一片、大面积地下车库、地下商业与休闲中心一体 化的开发模式频频出现，使得面积在1 0 0 0 0 , 5 0 0 0 m 2 的基坑越来越多。典型的如上海浦东金茂大厦， 基坑开挖面积2 0 0 0 m 2 ；上海铁路南站北广场，基坑开挖面积4 0 0 0 m 2 ；而上海仲盛商业中心，基坑 开挖面积则达到5 0 0 0 m 2 。 ( 3 ) 基坑场地紧张，有些地方紧贴红线，使得基坑施工空间变小，施工难度增加。 ( 4 ) 基坑周边环境复杂多变，临近大量管线、高层建筑与地铁构筑物等。如，上海新金桥广场 基坑底部4 m 处埋藏有正在运营的地铁一号线区间隧道：上海太平洋广场基坑，距离地铁隧道外边 线仅3 8 m ；上海兴业银行大厦基坑，周边临近八栋上海优秀近代保护建筑且周边有年代久远的复杂 地下管线。 由于功能要求日益复杂、支护体系种类繁多、各种施工工艺的联合使用，其复杂程度对深基坑 工程的理论研究、设计与施工均提出了诸多挑战性问题，并已成为当前建筑业的一大技术热题。深 基坑工程涉及到基础工程、结构力学、工程结构、工程地质和施工技术等，是一项综合性很强的工 程，同时影响基坑工程的因素多，因此深基坑工程是一项风险性很大的工程，稍有不慎就会酿成巨 大的工程事故。文献 9 】统计表明深基坑工程事故发生率占基坑工程数量的1 0 以上，而高地下水位 软土地区甚至可达3 0 ，表明了深基坑的设计和施工面临着较为严峻的形势。此外，大城市的基坑 工程往往周边建筑物密集、地下管线众多、环境保护要求高，因此，基坑支护结构除满足自身强度 要求外，还须满足变形的要求，将基坑周边土体的变形控制在允许的范围内，保证周围建筑和管线 的正常使用，从而使得基坑工程的设计及施工从强度控制转向了变形控制。 目前基坑工程中支护型式主要包括支挡型和加固型两大类，常用的支护结构有：钢板桩、钢筋 混凝土板桩、柱列式灌注桩、地下连续墙等 i o l 。钢板桩一般用于开挖较浅的沟槽或基坑，施工方便、 工期短，可以回收且能重复使用，但开挖后变形较大，打拔桩时对周围环境影响大，防水性能差【1 1 】： 钻孔灌注桩属柱列式支护桩，它既可作临时护壁又可与内衬钢筋混凝土构成主体结构，具有较好经 济效益，但不具备防渗功能，需借助深层搅拌桩以防墙体渗漏；地下连续墙整体刚度大，止水性好， 可兼做主体结构，适于软弱地层的中等深度基坑，但成槽工艺复杂，造价高1 2 i 【1 2 l 。 现阶段水泥土搅拌桩在基坑工程中应用的主要形式是重力式水泥土墙，它是由水泥土搅拌桩搭 接形成的连续壁状加固体。水泥土自身受力特点( 强抗压、弱抗弯、弱受剪) 决定了难以用在深大的 基坑；另一方面基坑工程施工受到土地资源利用的制约，这在安全的前提下限制了支护结构的厚度 1 1 3 】。为了解决这个矛盾，行之有效的方法就是在水泥土中插入型钢、钢筋或竹筋等劲性材料。这样 l 东南大学硕士学位论文 不但可以有效减小墙体厚度，提高墙体抗弯和抗剪能力，而且能够增强其连续性，利于防渗，使之 形成集受力和防渗于一体的复合结构。于是，一种名为s m w ( s o i lm i x i n gw a l l ) - v 法的围护结构施工 新技术应运而生。s m w 工法是基于深层搅拌桩施工方法发展起来的一种新型施工技术1 1 4 。s m w 组 合挡墙在实际工程中较多见以h 型钢为芯材的形式出现，但是h 型钢的柔性很难满足变形要求，因 此在一些超深及对变形控制要求严格的基坑工程中不宜采用。为了解决这一缺陷，本课题选用了刚 度较大的p h c 管桩作为水泥土墙的芯材，简称p c m w 工法，这样提高了复合挡墙的整体刚度，有 利于控制结构变形，同时兼具s m w 工法的其他一些优蒯1 5 l ： ( 1 ) 对周围环境影响小 这种工法采用就地切削土体、且与水泥悬浊液充分搅拌混合的方法，无须开槽或钻孔，施工噪 音小，从而减少了对邻近土体的扰动，降低对邻近地面、道路、建筑物、地下设施的危害。 ( 2 ) 防渗性能好 相邻桩体完全搭接无接缝，且水泥土搅拌充分均匀，与传统的地下连续墙和钻孔灌注桩相比具 有更好的止水性。 ( 3 ) 环保节能施工 水泥悬浊液与土体充分搅拌无废泥浆产生，无需回收处理泥浆。少量废水泥土可以存放至事先 设置的基槽中，限制其溢流污染；最终将其处理后可用于敷设场地道路，达到降低造价，消除建筑 垃圾公害的目的。 ( 4 ) 适用土层范围广 采用经过改进的多轴螺旋钻机，此工法适于从软弱地层到砂、砂砾地层以及直径在1 0 0 m m 以 上的卵石，甚至风化岩层等。如果用预削孔方法还可以适用于硬质地层或单轴抗压强度在6 0 m p a 以 下的岩层。 ( 5 ) 工期短，投资省 p c m w 工法就地施工，一次成墙。同地下连续墙施工相比，其工艺简单、成桩速度快，工期缩 短近一半。造价方面，围护结构本身约为地下连续墙的7 0 左右。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 预应力管桩在基坑支护工程中的应用研究现状 预应力管桩按混凝土强度等级分为预应力混凝土管桩( p c 管桩) 和预应力高强混凝土管桩( p h c 管桩) 。由于预应力管桩制作工艺简单，质量容易保证，植桩方便，耐打性好，造价便宜，检测方便， 施工速度快和桩基抗震性好等优点，目前在桩基工程中用应十分广泛，是一种重要的桩基材料。因 此，近十年来，预应力管桩在我国的生产与应用以惊人速度迅猛发展，管桩的生产企业在1 0 年内也 增加了近1 0 倍1 1 6 l 。生产地区也由珠江三角洲地区发展到整个沿海、沿江城市。但是目前的p h c 管 桩主要用于地基基础，主要承受的是竖向荷载。那么p h c 管桩能否承受一定的水平方向的荷载，以 此作为基坑支护的材料昵? 实际上通过p h c 管桩的抗弯强度试验，证明了p h c 管桩抗弯强度很高。 同时通过大量的实际工程的应用也证明了p h c 管桩用于基坑支护工程的是可行的，而且效果很好 【t m 。所以，将p h c 管桩用于基坑支护是一个很值得探讨的问题，如果该问题能得到理论上、技术 上和实践中的支持，那么它将带来较大的经济效益和较好的环保效益。 长江大学肖桃李等通过工程实例，探讨了p h c 管桩在深厚软土基坑中应用的可行性，并在此基 础上提出了p h c 管桩用作基坑桩锚支护的若干原则要求，他们提出深厚土层上必须有一层粘土层或 粉质粘土( 俗称硬壳层) 提供锚杆足够的抗拔力；管桩施工完毕后，对桩芯采取补强技术，即利用 管桩的原有内径空间，在桩芯内现浇钢筋混凝土而形成桩芯桩，芯桩与原管桩形成一个整体共同工 作，提高桩的抗裂能力f 2 2 1 。 文献 2 2 】研究了p h c 管桩在超深基坑支护工程中的应用，并通过了工程实例提出了预应力管桩 在深基坑支护工程中的应用原则：选用桩身为a b 型的p h c 管桩，桩身混凝土有效预应力较大， 密实性好；选用单节长桩，中间不得接驳；桩底不用桩尖，对减少挤土效应很有好处。 2 第一章绪论 文献【2 3 】提出了预应力管桩的选型原则以及施工过程中应注意的问题：压桩时应严格控制桩 顶标高一致，便于锁口梁施工；由于管桩施工挤土效应明显，且支护桩间距小，为避免因挤桩产 生桩身质量事故，压桩时应严格跳打施工；为避免支护桩未达持力层使支护结构产生较大的竖向 沉降，施工时应将支护桩压至较好的持力层，地质情况变化时可适当增加桩长。由于预应力管桩 的接头刚度较差，支护桩施工时应以单节桩为宜，避免接桩。 文献【1 7 】主要从p h c 管桩作为基坑支护桩的可行性及适用条件、p h c 管桩的挤土效应及对基坑 支护的影响、p h c 管桩一锚杆基坑支护的设计计算、p h c 管桩基坑支护在实际工程中的应用情况等 方面展开研究。研究了以下内容：p h c 管桩作为基坑支护桩的可行性及适用条件。从受力特性、 抗弯性能、经济效益、环保和施工工期及在实际工程中的应用等几个方面研究了p h c 管桩作为基坑 支护桩的可行性。( 孕p h c 管桩的挤土效应及对基坑支护的影响。p h c 管桩与传统的支护桩有所区别： 传统的基坑支护桩一般均为非挤土桩，对桩侧土体没有挤压或挤压力很小；而p h c 管桩属于挤土桩， 在沉桩过程中要产生挤土效应。随着基坑的开挖，这种挤土效应将对基坑的变形和内力产生很大影 响。p h c 管桩一锚杆基坑支护的设计计算方法探讨。结合p h c 管桩的自身的特点，研究了适用 于p h c 管桩锚杆基坑支护的设计计算方法。 1 2 2 劲性水泥土墙的研究现状 所谓劲性水泥土墙是指利用搅拌机具形成连续水泥土体，然后在水泥土体中插入芯材，利用水 泥土体的良好抗渗性作为防水帷幕，芯材承受水土压力，从而形成一种复合的挡土围护结构。这种 施工方法就是通常所说的s m w 工法，其中芯材多以h 型钢为主。s m w 工法是基于深层搅拌桩施 工方法发展起来的、具有很大经济潜力的一种新颖的围护形式1 2 3 - - 2 s i 。 ( 1 ) 水泥土的性能研究 2 6 - - 2 9 1 水泥土的力学性能受到很多因素的影响，诸如水泥掺入量、土样含水量、土层土质的变化、搅 拌均匀程度以及地层环境等。水泥搅拌桩作为一种地下建筑用材，是由水泥、土和水三种材料构成 的，它既具有土的某些性质，同时也具有混凝土的一些特点。水泥土通常采用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 形成大量结晶，并不断延伸充填到颗粒间的空隙中，进而形成网状结构，从而改变了原地基土的物 理、力学性质，增加了土体的强度。 日本的铃木健夫、国藤扎光对水泥搅拌桩材料进行了室内试验研究，得到以下结论： 相同注浆量的水泥土，水灰比小的水泥土无侧限抗压强度大；含砂率大的水泥土的无侧限抗 压强度也大。对实验结果进行回归分析，得经验公式： 吼2 8 = m s + n ( 1 - 1 ) 式中：q u 2 s 一龄期为2 8 天的水泥土无侧限抗压强度； s 一含砂率5 m 、咒一拟合直线参数。 随着砂率的增加，水泥土的透水系数增大。 11 在吼2 8 3 0 m p a 的条件下，粘聚力c = ( 去寺) 吼a 二) p h 值小的酸性粘土，其水泥土吼的也小。 国内的张家柱等通过室内对水泥土的物理和力学性能的试验研究得出以下结论【2 9 1 ： 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：最优含水量为土料最优含水 量增加1 0 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a 0 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 3 东南大学硕士学位论文 样无侧限抗压强度为2 8 天龄期试样强度的2 倍左右，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 9 6 ，据有关资料显示在1 - - 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，应力一应交 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0 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 ) 组合结构承载力性能研究i 3 0 - ，4 1 铃木健夫( 1 9 8 2 ) 取现场养护的s m w 墙体制作试件进行了抗弯试验研究；青木雅路等( 1 9 9 3 ) 对某 建筑1 3 年前施工的s m w 地下墙进行了耐久性调查试验。这些研究取得了不少实用性成果，为制定 s m w 工法设计施工标准或规范提供了依据。 s m w 工法中由于型钢与水泥土的相互作用，使 整体抗弯刚度得到提高。图1 1 为日本材料协会对h 型钢与水泥土共同作用的试验结果曲线，曲线磙 示水泥土与h 型钢混合体荷载挠度的关系，曲线b 为h 型钢的相应关系。由图1 1 可见，相同荷载作用 下水泥土与h 型钢的混合体挠度要小一些，其抗弯 刚度比相应h 型钢的刚度要大2 0 ，刚度的提高可 用刚度提高系数口表示： 囊啪 答：m o d 口移i o1 62 。o 疑皮r 以0 1 _ 口：( 玩l ) ( e l ) ( 1 - 2 ) 图1 1 劲性桩与h 型钢压弯比较 式中：e 。、e 。分别为h 型钢混合体与h 型钢的弹性模量，l 、l 分别为h 型钢混合体与h 型钢的惯 性矩。 王健等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，组合梁基本处于弹性状态，组合刚度即为材料各自刚度之代数和；非线性共同作 用阶段，水泥土开裂初期，两材料之间发生微量粘结滑移，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，水泥土的作用己不明显，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，组合粱刚度下降不显著，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，粱的刚度下降，但相对相同荷载作用下的单根型钢比较，组 合粱刚度仍较大，这说明水泥土的作用仍较为明显。 粱仁旺等( 2 0 0 0 年) 进行了加筋水泥土梁的抗弯试验1 3 5 1 。试验梁是仿照钢筋混凝土梁的制作方法， 4 一 ，i 谴鬣 第一章绪论 在梁的受拉区加入钢筋，在粱高、梁宽都相同的情况下，通过对比不同的配筋率和不同水泥掺入比 的条件下，在不同跨度时，梁的抗弯承载力的情况。 不同梁的破坏特征虽有相同点，但也存在着较大差异，其中跨度对梁有较大影响。 配筋率提高，梁的开裂荷载及破坏荷载都有提高。 随着掺入比的增加，梁的破坏荷载也有所提高，但水泥掺入比的作用不十分明显。 剪跨比对水泥土梁的开裂荷载及破坏荷载有较大影响。 ( 3 ) 计算方法研究现状 3 6 - - 3 9 1 随着s m w i 法的广泛应用和研究，其设计方法已达到了较为成熟的阶段。s 椰挡墙的设计计算 方法是在参照其他支护结构计算方法基础上发展起来的。日本材料学会较早成立s 胛工法设计施工 指南编制委员会，委员有土木、建筑领域的研究人员和从事施工技术工作的专家组成。同时，部 分委员又参加了日本建筑学会进行的建筑基础构造设计规范及说明的修订工作。因此，日本材 料学会制订的s 姗工法设计施工指南的内容被日本建筑学会的规范采纳。1 9 8 8 年1 月日本土建领 域的s m w 工法设计施工规范正式颁布。其主要设计思想是当采用s o i 法施工挡土墙时，墙体的应力由 芯材和水泥土共同承担，但设计中一般只考虑芯材的刚度作为墙体的刚度计算，而忽略水泥土的刚 度。这是因为一些试验研究表明水泥土的刚度贡献率只有芯材刚度的融2 0 9 6 ，只作为墙体刚度储备。 另外，日本铁道技术协会深开挖挡墙设计法( 1 9 9 3 年9 月) 规定，芯材采用型钢，其使用型 号范围：h 型钢h 2 0 0 - 6 0 0 ，i 型钢1 - 2 0 。同时进行基底安全性验算时，挡土墙与地层的摩擦 强度按以下取值： 砂土：当n 1 0 时，= 0 5 n 粘性土：当n 1 0 时，f = g 。2 ( t h m 2 ) ( t h m 2 ) 其中n 为土的贯入击数。 根据日本规范关于s m w 挡墙的设计思想，通常跟据刚度等效原理将s m w 挡墙等效成地下连续 墙的形式进行支护结构内力计算。设型钢的宽度为w ，净距为t ，折算后的墙体厚度为h ，如图1 2 所 示。挡墙刚度仅考虑型钢刚度，则每根型钢应等价为宽w + t 、厚度为h 的混凝土壁式地下墙，按等 刚度原则可得： 置= 去e ( w 办3 ( 1 - 3 ) h = 式中： b 、l 型钢的弹性模量与惯性矩； 巨混凝土弹性模量。 ( 1 - 4 ) 毒导# $ i 4 j 丰融 王哥 换算得每根型钢承受的内力和位移a 、绯、。 图1 2 劲性桩等刚度地下连续墙厚度折算 m p = ( w + t ) m w g = ( w + ，) 瓯 b p = u 。 5 ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 ) 东南大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 综上所述，p h c 管桩在基坑支护工程中已有不少应用，不少学者对p h c 管桩应用于基坑工程 的可行性进行了研究，以及p h c 管桩的应用原则等，并对工程实例进行了分析和反演，提出适合 p h c 管桩的基坑支护计算方法。另外，近年来，插型钢的s m w 工法在我国有了很广泛的应用，不 管是理论研究还是旌工方法等都有显著的发展，并以其独特的优点得到了广大专家和设计者的认可 和青睐。本文结合s m w 工法的优点与p h c 管桩高强度的特点，提出了一种新型的支护方法，即以 p h c 管桩取代h 型钢作为劲性水泥土墙芯材的支护方法，简称p c m w 工法。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 对p h c 管桩劲性水泥土挡墙的设计与计算方法加以研究。包括土压力的计算、p c m w 工 法的设计流程、水泥土配合比及强度的确定、挡墙入土深度的确定、承载力验算等。并结合工程实 例提出了一些针对p c m w 挡墙的构造措旅。 ( 2 ) p c m w 挡墙由p h c 管桩和水泥搅拌桩组合而成。其中p h c 管桩是主要的挡土结构，而 水泥搅拌桩除了起到止水作用外，还对p h c 管桩的受力起到辅助和加强作用。本文运用了材料力学 和弹塑性力学理论，推导出水泥土填芯的p h c 管桩的抗裂弯矩和极限弯矩的计算公式，通过计算对 水泥土承载力的贡献率做出定量分析。并通过试验，检验了8 0 0 r a m ( c 型) 管桩的开裂弯矩和极 限弯矩，最后与本文推导的公式计算结果进行了比较。 ( 3 ) 结合工程实例，并参照s m w 工法的施工经验，总结了p c m w 工法的施工流程、水泥搅 拌桩的施工工艺、p h c 管桩的施工工艺以及施工质量与验收的标准等。 ( 4 ) 介绍了p c m w 工法的工程用应实例，对基坑变形监测数据进行分析，总结p c m w 挡墙 的变形特点。另外，分析p c m w 工法的各种优点，包括结构的承载力性能、经济效益、环保文明 等方面，为进一步推广这种工艺打下良好基础。 ( 5 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对实际工程进行数值模拟，计算分析挡墙的结构内力和变形， 将计算结果与实测数据进行比较，得出合理的结论，验证模型的可靠性，为p c m w 挡墙的变形预测、 设计计算及施工提供参考。 6 第二章p c m w 挡墙设计与计算方法研究 第二章p c m w 挡墙设计与计算方法研究 随着经济飞速发展以及城乡建设的大量兴起，预应力管桩以其单桩承载力高，施工速度快、造 价低廉、现场施工文明整洁等优点迅速在全国各地被大量应用，但大多是被用作桩基。目前预应力 管桩在基坑支护工程中也有不少试探性的应用，但是并没有成熟甚至完整的设计计算理论，多数是 参照其他支护结构的计算方法甚至凭借工程经验来设计预应力管桩支护的，因此预应力管桩在基坑 支护工程的应用受到了很大限制。p c m w 工法是在水泥搅拌桩中插入p h c 管桩进而形成劲性水泥 土复合挡墙的一种支护工艺( 如图2 1 所示) ，这种支护工艺集支护与止水于一体，就目前的工程实 际应用来看，这种支护结构达到了很好的支护效果。本章针对这种支护结构，对其计算方法加以研 究，分析了水泥土填芯p h c 管桩的承载力，给出p c m w 工法的设计流程。 水泥搅拌桩p h c 锄t 2 1 作用于支护结构的荷载 图2 1p c m w 工法示意图 作用于一般结构的荷载可分为3 类，即永久荷载( 恒载) 、可变荷载( 活载) 、偶然荷载【。作 用于支护结构的荷载也要考虑这三类，主要有： ( 1 ) 土压力； ( 2 ) 水压力； ( 3 ) 影响区范围内建筑物、结构物荷载； ( 4 ) 施工荷载：汽车、吊车以及场地堆载等： ( 5 ) 若支护作为主体结构的一部分时，应考虑地震力等； 2 1 1 土压力理论 作用在支护结构上的主要是土压力和水压力。土压力的大小以及分布规律是同支护结构的水平 位移方向和大小、土的性质、支护结构的刚度及高度等因素有关系。经典的土压力计算理论主要有 朗金理论和库仑理论。 经典朗金土压力理论适用于砂土、粘性土、均质土或层状土，也适用于有地下水及渗流效应的 情况，而且墙面竖直、地面水平的假设较符合一般深基坑工程的实际情况。假设墙与土体之间不存 在摩擦力，将使主动土压力偏大、被动土压力偏小，这对于深基坑支护设计是偏保守的。所以经典 朗金土压力理论用于深基坑计算时，在基本假设以及计算原理上都有一定的局限性【舡矧。主要有： ( 1 ) 朗金理论主要是针对挡土墙平面问题而提出来的，而深基坑开挖支护实际上是空间三维问 题： ( 2 ) 朗金土压力是先筑墙、后填土的挡土墙处于极限平衡状态时的土压力，而深基坑支护一般 是在设置围护墙后，再在坑内开挖土方，支护结构也并没有达到主动或被动极限平衡状态，其上所 受到的土压力实际上是以静止土压力为基准的变形土压力。此外，围护墙后的土系多年形成的天然 土体，其均质性和强度都有别于挡土墙后的人工填土； ( 3 ) 朗金理论无法考虑深基坑内、外通常存在较大水位差及渗流效应对土压力的影响。 因此，朗金理论计算的土压力只能是近似的，有时会有很大误差。 2 1 2 水、土压力计算方法 水压力是作用在支护结构上的重要荷载。计算作用在支护结构上的水压力时，水的重度一般取 7 东南大学硕士学位论文 九= 1 0 k n m 3 。水压力与地下水的补给数量、季节变化、施工开挖期间挡墙的水密度、入土深度、 排水处理方法等因素有关。在计算地下水位以下的水、土压力时，一般采用水土分算和水土合算两 种方法【1 】【加1 。 l 、水土分算法 水土分算法是采用浮重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两者相加即为总的侧压力。 这种方法主要用于砂土和粉土。计算公式如下： 乞= y z k 。一2 c , f - g ：+ y , , h e p = 7 。z k p + 2 c , 4 1 - - 巧p + y w h 式中： 主动土压力： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 被动土压力； k 按土的总应力强度指标计算的主动土压力系数，疋= t a i l 2 ( 三一詈) ； 按土的总应力强度指标计算的被动土压力系数，k p = t a l l 2 ( 署+ 詈) ； 厂土的浮重度； 凡水的重度： 缈按固结不排水( 固结快剪) 或不固结不排水( 快剪) 确定的内摩擦角； c 按固结不排水或不固结不排水确定的内摩擦角； z 计算点距填土面的深度( m ) 2 、水土合算法 水土合算法是采用土的饱和重度计算总的水土压力，这是目前应用较多的方法，主要适用于粘 性土。计算方法如下： e ，= y 衙z k ，一2 c 瓜 e p = y 赋z kp 七2 c 再 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：y 。土的饱和重度，在地下水位以下可近似采用天然重度； 其余符号意义同前。 关于水土压力的计算是采用合算还是分算，以及抗剪强度指标如何选择，目前在工程界并不统 一，不同地方的规范也有所不同，在学术界也一直是讨论的热点问题。根据地方规范的适应性，在 水土压力计算方法的选择上要严格根据地方的规范选择。 另外，在基坑支护设计计算时，施工超载一般取2 0 k p a ：基坑影响范围内的建筑结构荷载也应 根据规范取值，不可忽略。 2 2p c m w 工法中p h c 管桩承载力研究 p h c 管桩在基坑支护工程的应用并不多见，只是近几年在广州、武汉、南京等城市得到过应用。 目前p h c 管桩主要用于地基基础，主要承受竖向荷载。前人已经在理论试验和工程应用中给予了验 8 第二章p c m w 挡墙设计与计算方法研究 证，实践证明，p h c 管桩的承载能力完全满足支护结构的要求，甚至在控制支护结构变形方面更加 优于钻孔灌注桩、s 唧工法等。本文结合p c m w 工法这一新型支护工艺，研究p c l w 挡墙中考虑泥土 填芯的p h c 管桩抗弯承载力，推导出水泥土填芯p h c 管桩抗弯承载力计算公式，并与空心管桩的