（岩土工程专业论文）smw工法的性能分析及支撑优化设计.pdf

摘要 s m w 工法，是一种在相互搭接的水泥土桩墙中插入型钢而形成的复合结构。- l e o 是力学特性复杂的水泥土，一种是近似线弹性材料的型钢，二者相互作用，工作机理相 当复杂。 论文对s m w 挡墙性能进行深入研究，认为s m w 挡墙的抗弯强度和刚度主要由型 钢提供，水泥土对结构的强度和刚度的贡献很小，但水泥土限制了型钢的侧向位移，提 高了型钢的整体稳定承载力。 分析了s m w 挡墙在弯矩作用下的变形特征，推导出s m w 挡墙在各阶段内力和变 形的关系式，并导出工程应力范围内s m w 挡墙的刚度计算式和内插型钢整体稳定承载 力计算公式。 对于第一类挡墙推导出了菲加筋区水平向承载力验算公式，得出非加筋区水平向承 载力与型钢的截面高度和翼缘宽度有关，型钢截面高度和翼缘宽度影响了拱体宽度的大 小，从而影响了承载力；同时翼缘宽度也代表了拱脚处的竖向受压面积，所以增大翼缘 宽度对提高承载力是有利的，并结合工程实例进行了验算，初步认为该公式是可靠的。 论文针对某s m w 工法深基坑工程，运用a n s y s 有限元分析软件，对深基坑开挖 的全过程进行了三维有限元分析。模拟研究了s m w 挡墙中水泥土搅拌桩直径、型钢布 置形式、内支撑截面及施工顺序变化对基坑支护挡墙水平位移与内力、支撑轴力的影响。 结果说明，对于复杂工程，考虑结构与土体的共同作用，进行施工全过程三维有限 元分析和模拟是完全必要的。 同时，考虑基坑工程的变形和内力参数，提出了基坑支护的优化设计方案和开挖方 案。 论文结论对实际工程具有指导意义，优化方案设计可以实现良好的技术经济效果。 关键词：s m w 工法，抗弯刚度，深基坑，优化设计，三维有限元分析 b e h a v i o r a n a l y s i so fs m w m e t h o da n do p t i m i z e d d e s i g no fs up p o r ts y s t e m z h o um e i y a n ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y ur a n g a n g & a s s o c i a t e - p r o fg a of u j u a b s t r a c t s m we n g i n e e r i n gm e t h o di sac o m p o u n ds t r u c t u r ew h i c hi sm a d eu po fs o i l 。c e m e n t p i l e sj o i n e de a c ho t h e rw i t ht h es h a p e ds t e e l si n s e r t e di nt h e m i nt h i sp a p e r , c h a r a c t e r so fs m wa r es t u d i e dd e e p l y i tp r o v e st h a tt h ec o n t r i b u t i o no f s o i l c e m e n tt ot h ei n t e n s i t ya n dr i g i d i t yo ft h ec o m p o u n ds t r u c t u r ei sv e r ys m a l l ，b u ti t r e s t r i c t st h el a t e r a lm o v e m e n ta n de n h a n c e st h ei n t e g r a ls t a b i l i t yo ft h es h a p e ds t e e l t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e ro fs o i lm i x i n gw a l lu n d e rt h eb e n d i n gm o m e n ti sa n a l y z e d t h ef o r m u l a sa b o u ti n t e r n a lf o r c e sa n dd e f o r m a t i o no ft h er e i n f o r c e ds o i l c e m e n tm i x i n gw a l l u n d e rt h ea l l o w i n gs t r e s sa r ep r o v e da sw e l l ，a n dt h ei n t e g r a ls t a b i l i t yc a p a c i t yf o r m u l ah a s b e e np r o v e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，d e s i g nm e t h o do ft h es o i lm i x i n gw a l lw a sp u tf o r w a r d t h es u p p o r t i n gc a p a c i t yc h e c kf o r m u l ai nt h en o n r e i n f o r c e m e n ta r e ah a sb e e ni n f e r r e d r e g a r d i n gt ot h ef i r s tk i n do fr e t a i n i n gw a l l i th a sa r e l a t i o nt ot h eh e i g h to ft h es e c t i o na n d t h ew i d t ho ff l a n g e t h ef o r m u l ah a sb e e nc h e c k e db yt h ep r o j e c te x a m p l ea n dt h o u g h t i n i t i a l l yi tw a s r e l i a b l e i nt h i sp a p e r ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni ss i m u l a t e da n d a n a l y z e du s i n gt h es o f t w a r ea n s y s w i t ht h es p a t i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m a n yf a c t o r s ， i n c l u d i n gt h ed i a m e t e ro ft h es o i l - c e m e n tm i x e dp i l e sa n dt h es p a c eo ft h es h a p e ds t e e l s ，t h e c r o s s s e c t i o no ft h eb r a c i n gb e a m sa n dt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns c h e m e sw e r es t u d i e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a ti n v e s t i g a t i o no ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n ds t r u c t u r e a n ds i m u l a t i o no fe x v a c a t i o np r o c e s sa r en e c e s s a r yi ns u c hc o m p l e xp r o b l e m s t h eo p t i m i z e d d e s i g na n de x v a c a t i o ns c h e m ea r er e c o m m e n d e da c c o r d i n gt ot h ed e f o r m a t i o na n di n t e r n a l f o r c ec r i t e r i o n t h es t u d yr e s u l th a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rp r o j e c t s t h eo p t i m i z e ds c h e m er e a l i z e sa t e c h n i c a le c o n o m i c a le f f e c t k e yw o r d s ：s m we n g i n e e r i n gm e t h o d ，b e n d i n gr e s t r i c t e dr i g i d i t y ，d e e pp i t ， o p t i m i z e dd e s i g n ，s p a t i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致i j l ，j b ， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：同期：t 功牌，月哂同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - j ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：监坠 指导教师签名：翮建刨 指导教师签名：4 瞄4 f 兰丝牛 同期：讪8 年 p 月玎同 同期：渺8 年j ，月巧同 中国“油人学( 牛东) 顺i ：学位论义 第一章绪论 1 1 引言 基坑工程是随着城市建设而发展起来的一门新的实践工程学。它有着很强的环境效 应和施工效应，由于工程地质、水文地质、相邻建筑、地下管线，周边场地条件的不同， 支护的方式也不相同。每个基坑工程都有着很强的独立性，也就是具有矛盾的特殊性。 它综合了土力学的强度、变形、渗流等三方面的相关内容【l 】。必须具有结构力学、岩土 力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识以及丰富的施工经验，并结合拟 建场地土质和周围环境情况，才能够制定出因地制宜的支护结构方案和施工管理方法。 因此，基坑工程又是当前建筑业的一大技术难点。 1 2 基坑支护方式简介 随着基坑深度的增加和城市空间的相对狭小，人们不得不采用支护开挖。支护结构 主要承受侧向的水土压力。土压力是基坑周围一定范围内的土体与支护结构之间相互作 用的结果。传统的支护设计理论【2 】是把基坑周围土体当作荷载，作为支护结构的“对立 面”，然后根据围护墙的位移情况，分别按静止土压力、主动土压力或被动土压力来进 行支护设计，此类支护称为被动支护。事实上，基坑周围土体具有一定的自支撑能力， 可以将它用作支护材料的一部分，源于这一观点的支护设计是设法充分发挥和提高基坑 周围土体的自支撑能力并补强其不足部分，此类支护称为主动支护。 1 2 1 被动支护 这是一种被广泛应用、传统的基坑支护方法。支护结构主要包括围护墙和撑锚体系， 对排桩式围护墙通常还包括止水帷幕。 围护墙也称为挡墙，一般起挡土和止水双重作用。被动支护的围护墙常用型式目前 主要有以下两类： ( 1 ) 排桩式围护墙 板桩式围护结构可以细分为钢板桩、钢筋混凝土板桩、主桩加横挡板三种形式。柱 列式围护结构主要指各种排列方式的钻孑l 灌注桩，为简便起见，并参照有关文献【1 , 2 1 的规 定，把采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土桩、钢板桩等桩型按队列式布置 组成的墙体均视为排桩式围护墙。按布桩方式可分为稀疏柱列式、连续密排式和双排式 桩围护墙。对于不能放坡或不能应用水泥土桩等重力式支护结构，丌挖深度在6 l o m 左右的基坑均可采用排桩田护墙支护引。 第一幸绪论 ( 2 ) 地下连续墙 地下连续墙在施工时减少了噪音和振害，除用作基坑施工时的围护墙外，一般还是 地下结构的一部分。就地浇制，墙接头的止水效果好，整体刚度大，对周围环境影响小， 适合于软弱地层和建筑设施密集的城市市区的深基坑。 基坑支护结构包括围护结构和支撑结构；围护结构一般是在丌挖面基底下有一定插 入深度的板墙结构，设置于基坑四周；支撑结构可以是基坑内部的受压体系或基坑外部 的受拉体系，目的是为板墙结构提供弹性支撑点，以控制墙体的弯矩至该墙体断面的合 理允许范围，以达到经济合理的工程要求。 撑锚体系是内支撑和拉锚的统称，它承受围护墙传来的水土压力等荷载，以保证围 护墙的稳定和控制其变形。 围护墙e - 警拉杆 、 锚头 、 , v a 人滑动面 图1 - 1内支撑结构示意图图1 - 2 土层锚杆结构示意图 f i g l 1 s k e t c hm a po f i n n e rs u p p o r t s f i g l 一2 s k e t c hm a po fs o i la n c h o r 如图1 1 所示，内支撑是设置于基坑内部，承受围护墙传来的水土压力等外荷载的 结构体系。在软土地区，特别是建筑物密集的城市中丌挖基坑，内支撑被广泛应用。近 年采用了边桁架代替传统的围檩、受力性能良好的曲线型杆代替单一的直杆、桁架杆代 替实腹杆等新技术。此外，还常将一些方便施工的栈桥和起重机架等与内支撑结构相结 合，使之成为整体的支撑系统，以达到增加支撑刚度和方便施工的双重目的【3 4 】。 当施工场地周围条件许可且工程地质较好时，可采用坑外拉锚形成对围护墙的支撑 作用【5 1 。拉锚形式有土层锚杆、锚碇拉锚和锚桩拉锚等。如图1 2 所示，土层锚杆由锚 头、拉杆和锚固体组成，设置在围护墙背后，分自由段和锚固段。它为挖土、地下结构 施工创造了条件，故在基坑支护中被广泛应用。 1 2 2 主动支护 发挥和提高土体自支撑能力可以从物理、化学和几何的途径着手，相应的支护型式 中国油人学( 毕东) f 吹l j 学位论文 主要有以下几种： ( 1 ) 水泥土墙支护 水泥土墙是在搅拌桩的基础上基于化学加固土体的机制，于2 0 世纪7 0 年代初在瑞 典发展起来的一种主动支护型式【2 1 。一般适用于丌挖深度不大于6 m ，水泥土桩施工范 围内地基土承载力不大于1 5 0 k p a 的情况。 在水泥搅拌桩内加劲性型钢，形成复合围护墙，这种在日本已经成熟应用的方法 ( s m w 工法) ，早年由于我国经济条件不允许消耗大量造价高的型钢，而未能得到推广 应用。近些年由于施工后型钢拔出技术、钢管甚至竹木加劲部分地取代型钢加劲技术的 研究成功，使s m w 工法在我国得到推广应用并有所创新。特别是在上海、广州、深圳 等沿海城市，当前正在被广泛使用【1 2 】。 钻入土体拔出钻机连续排列插入h 型钢或钢板桩 钻 液 混合 c 平徽差王萨h 型钢 图1 - 3s l v l w 工法示意图 f i g l 一3 s k e t c hm a po fs m w e n g i n e e r i n gm e t h o d ( 2 ) 土钉墙支护 土钉墙是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于2 0 世纪7 0 年代在德国、 法国和美国发展起来的一种主动支护型式【6 j 。我国于8 0 年代初应用于矿山边坡支护，近 十来年才在基坑支护中迅速推广应用【7 1 。如图1 4 所示，它由被加固土、放置于原位土 体中的细长金属杆件( 土钉) 及附着于坡面的混凝土面层组成，形成一个类似于重力式 的支护结构。一般适用于开挖深度不大于1 2 m 的基坑。 第一章绪论 钉 图1 - 4 土钉墙支护示意图 f i g l 4 s k e t c hm a po fs o i l - - n a i lw a l l f i g l - 5 ( 3 ) 喷锚支护 图1 5 喷锚支护示意图 s k e t c hm a po fc o m b i n e db o l t i n ga n ds h o t c r e t e 喷锚支护是在新奥法的基础上基于物理加固土体的机制，于2 0 世纪9 0 年代在我国 发展起来的种主动支护型式【8 】。如图1 5 所示，它由锚杆、钢筋网喷射混凝土面层和 土体组成。喷锚支护基坑最大开挖深度目前已达18 m ，在淤泥地基，坑深也已超过1 0 m 9 1 。 ( 4 ) 冻结支护 冻结支护是基于物理加固土体的机制，应用人工制冷技术，使基坑周围土层中的水 结冰形成一道具有一定强度、整体性的冻土墙，它既能挡土又能止水【3 巧】。冻结法施工 在采矿工程中已经得到了广泛的应用，进行了大量的研究，积累了较丰富的经验，用于 基坑支护则是近几年的事。冻结支护适用于各种复杂的地质条件，尤其在淤泥、淤泥质 土及流砂层中更显示出优越性。采用冻结支护时，基坑工程的设计内容和要求将有非常 大的变化，目前仅做了少量试验性工程。在某些地区，它是一种很有前途的基坑支护新 技术。 ( 5 ) 拱形支护 拱形支护是基于围护墙的几何形状与受力特性方面的考虑，在我国于2 0 世纪9 0 年 代发展起来的一种新型的主动支护型式1 5 】。这种支护形式是利用基坑有利的平面现状， 把围护墙做成圆形、椭圆形、组合抛物线形或连拱式等形式，以充分发挥支护结构的空 间效应、土体的结构强度和材料的力学性能。一方面，作用在闭合拱形围护墙上的水土 压力大部分可白行平衡或得到调节：另一方面，利用土体自身的起拱作用，可减小作用 于围护墙上的土压力；再者，围护墙基本处于受压状态，可充分发挥混凝土材料的强度 特性。围护墙可采用排桩、地下连续墙或现浇逆作拱墙等。 如上所述，各种基本的围护形式各有优缺点，基坑工程中围护结构的真正生命力在 于根据实际情况将基本的围护形式有机的结合在一起，取长补短，才能达到更好的效果。 4 中国缸油人学( 1 产东) 坝 j 学位论义 本文主要研究的就是在搅拌桩基础上发展起来的组合式围护结构加筋水泥土挡墙。 1 3s m w 工法简介 1 3 1s m w 工法的产生及应用 s m w 工法是s o i lm i x i n gw a l l 的简称，由日本成幸工业株式会社19 7 6 年开发成功。 它是一种劲性复合围护结构，该工法通过在各施工单元之问采取重叠搭接施工，然后在 水泥土混合体未结硬前插入h 型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，形成一道具 有一定强度和刚度、连续完整、无接缝的地下墙体。将承载与防渗挡水结合起来，使之 成为同时具有受力和抗渗双重功能的支护挡墙。这种结构充分发挥了水泥土混合体和受 拉材料的力学特性，同时具有经济、工期短、高止水性、对周围环境影响小等特点。作 为基坑围护结构的一种施工方法，它在同本、美国、法国以及东南亚和台湾等许多地方 得到了广泛应用【9 1 1 1 。 1 9 5 3 年日本清水建设株式会社从美国引入就地搅拌桩( m i p ) 施工方法【1 3 】，1 9 5 5 年在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，于是尝试依次进行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。自1 9 6 5 年起，挡土墙工程中采用该施工方法的实例越来越多。 1 9 8 7 年，我国冶金部建筑设计研究院立项研究，1 9 9 4 年通过部级鉴定。上海隧道 公司进一步结合上海软土深基坑围护工程的特点，进行了型钢水泥土复合桩结构试验、 型钢减摩擦剂研制、型钢起拔模拟试验、专用桩机及起拔型钢设备研制，取得了重要成 果，1 9 9 7 年8 月鉴定其成果达到国际先进水平【1 2 , 1 4 】。 1 3 2s m w 的分类 根据钻机轴数，s m w 挡墙分为单轴、双轴、三轴、五轴等。 根据施工排数，s m w 挡墙分为单排、双排、多排等。 根据芯材作用，s m w 挡墙分为无芯材、抗拉筋、刚性芯材等。无芯材形式主要用 于防渗功能，用做防渗墙、防污墙等；抗拉筋形式是在s m w 挡墙的受拉区布置抗拉筋 ( 如竹筋、钢筋等) 以提高墙体的抗拉性能，适于浅基坑工程；刚性芯材形式是在墙芯 插入刚度较大的芯材作为主要的抗弯构件，这种s m w 墙又可称为r s w ( r e i n f o r c e ds o i l w a l l ) ，芯材可为h 型钢、u 型钢、钢管、预制钢筋混凝土等。大多数s m w 挡土墙工 程中较多采用h 型钢芯材，所以一般把这种形式的地下墙称为s m w 。 根据芯材的回收性，s m w 挡墙分为不可回收、可回收两种形式。 籀一章绪论 根据型钢布置形式有密插、插二跳一和插一跳一三种，如图1 - 6 所示： f 址十叶上寸 【夏强 婀t 十叶竹 十叶叶什 ( c ) 插一跳一型 图1 - 6 搅拌桩和内插型钢的平面布置图 f i 9 1 6 t h ep l a n tl a y o u to fc e m e n tm i x i n gp i l ea n ds h a p e ds t e e l 1 3 3 施工顺序 s m w 工法施工顺序如下： ( 1 ) 导沟开挖：确定是否有障碍物及做泥水沟； ( 2 ) 置放导轨； ( 3 ) 设定施工标志； ( 4 ) s m w 钻拌：钻掘及搅拌，重复搅拌，提升时搅拌； ( 5 ) 置放应力补强材( h 型钢) ； ( 6 ) 固定应力补强材； ( 7 ) 施工完成s m w 。 1 3 4s m w 挡土墙特点 水泥土柱列墙与芯材所形成的s m w 组合挡墙具有以下功能：a 止水墙的功能；b 承担抵抗侧压( 水土压) 的功能；c 承担拉锚或逆作法工程中荷载的垂直分量的功能。 s m w 挡土墙主要是把水泥土的止水性能和芯材的高强度特性有效地组合而成一种 抗渗性好、刚度高、经济的围护结构，同其它围护型式相比，有以下特点陀】： ( 1 ) 对周围地层影响小 ( 2 ) 抗渗性好 6 中罔杠油人学( 华东) 颂i j 学位论义 ( 3 ) 适用土质范围广 ( 4 ) 大壁厚、大深度 ( 5 ) 工期短 ( 6 ) 废土产生量少，无泥浆污染 1 4 国内外研究现状 s m w 组合挡土墙由水泥土和型钢两种材料共同组成，一种是力学特性复杂的水泥 土，一种是近似线弹性材料的型钢，二者相互作用，工作机理相当复杂。下面主要介绍 国内外对水泥土特性、组合结构试验、设计计算理论以及施工技术等的研究状况。 1 4 1 水泥土性能的研究 ( 1 ) 水泥土的无侧限抗压强度 水泥土的无侧限抗压强度是水泥土物理力学性能研究中最基本的一个指标。试验表 明，水泥土的无侧限抗压强度高于天然土，变形特征随强度不同，而介于脆性体与弹塑 性体之间【1 0 1 。铃木健夫【3 l 】、林琼3 2 1 、刘一林【3 3 】，等通过水泥土复合体一维压缩试验和 三轴固结不排水剪切试验发现，水泥一土复合体的应力应变曲线类似于超固结土，随着 围压的减小、置换率的提高和水泥掺合比的增大，复合土体破坏由塑性转向脆性。复合 土体存在屈服压力，当外荷载小于该屈服压力时，复合土体只会产生很小的压缩变形； 屈服压力数值随置换率和水泥掺合比的提高而增大。综合试验成果表明，影响水泥土无 侧限抗压强度的主要因素有：水泥掺合比口i 、养护龄期、水泥标号、土样含水量、土中 有机质含量、外加剂、周围条件。 此外，铃木健夫、国藤柞光【l l 】，也对作为地下墙材料的水泥土特性进行了室内试验 研究。 吉成元伸、川崎孝人等进行过类似的研究。 ( 2 ) 水泥土的抗剪强度 用高压三轴仪进行剪切试验表明：水泥土抗剪强度随抗压强度的增加而提高；水泥 土的粘聚力一般为无侧限抗压强度q 。1 拘2 0 - 3 0 ，矽= 2 0 0 3 0 0 。林琼【6 】根据水泥土高 压三轴仪剪切试验得到以下结论： 抗剪强度随着固结压力口，的增大而略有提高。 有效强度指标c ，矽随置换率和水泥掺合比的增大而提高。 7 第一市绪论 铃木健夫、国藤柞光，研究表明q “大，内聚力c 也大。在q 们。3 n i m m 2 条件下有c = ( 1 2 1 3 ) q 删。 ( 3 ) 水泥土的压缩特性 水泥土具有明显的超固结特性，铃木健夫【3 l 】研究表明，水泥土的固结屈服应力随水 泥掺合比的增加而增加。林琼研究表明，与原状土相比，水泥土的压缩系数明显减小， 压缩模量明显提高，掺合比越大改善效果越好。 ( 4 ) 水泥土的变形模量 水泥土的变形模量是反映其压缩特性的指标。通过实测水泥土的应力应变关系，求 得水泥土的变形模量巨。( 乓。为应力达到5 0 抗压强度时的应力与应变之比) 。周国钧 等建议五。= ( 1 2 0 - - 1 5 0 ) q 。，由于搅拌均匀程度的影响，现场成桩与室内试验结果有一 定差距，建议现场水泥土桩的变形模量为e o = ( 6 0 - - - 9 0 ) q 。 1 4 2 组合结构工作性能研究 铃木健夫取现场养护的s m w 墙体制作试件进行了抗弯试验。试件跨度设计成l m 、 2 m 两种。试验结果表明：水泥土不但有止水作用，还起到了增加总体刚度的作用，不同 的土类、水灰比、截面形式下，水泥土刚度贡献率差别很大：同时，含钢率较大的情况 下，水泥土刚度贡献率很低。 佐藤英二等对1 3 年前施工的某旧建筑s m w 地下墙进行耐久性调查试验，结果发现： 总体上水泥土的无侧限抗压强度有随着时间的增长而增加之趋势。沿深度方向试样的p h 值在1 0 - 1 1 范围内，参考混凝土中钢材腐蚀标准，即在p h 值在1 0 以上的情况下，钢材不 会锈蚀，水泥土中h 型钢腐蚀速度按相邻两h 型钢间加电位差测电阻的方法来推求，从 长期来看，结果比较接近于混凝土中钢筋的腐蚀速度。 王健【4 2 】曾进行组合梁的抗弯试验，并提出将组合结构从受力到破坏分为三个阶段： ( 1 ) 弹性共同作用阶段；( 2 ) 非线性共同作用阶段；( 3 ) 型钢单独作用阶段。 孔德志【删进行了水泥土h 型钢组合梁的试验，除进行了全截面型钢布置外，还进行 了半截面的型钢布置，试验得到了一组实验曲线，推导了全截面和半截面组合结构组合 刚度的计算公式。 1 4 3 设计计算方法的研究 在我国，由于对此项技术的研究重视不够，缺乏有效的科学研究。虽然近十年来， 8 中国油人学( 仁东) 坝l 。学位论义 s m w 得以在工程中应用，但相关的资料积累较少。目前的设计和施工还处在照搬同本 经验的较低应用层次上，未形成一套可靠的s m w 设计和施工规范。 纵观同本各协会s m w 有关规范，其主要股份公司施工技术研究所通过s m w 工法试 验研究和工程实践经验的深入分析，提出了s m w 工法设计、计算方法。 我国对s m w 技术的研究非常重视，通过对原搅拌桩施工机构配套改进，探索出一 套有特色的h 型钢水泥土搅拌桩组合围护结构的施工方法，先后在航头矩形隧道试验工 程机头接收井基地、滨江大道排水总管9 # 2 1 2 作井基坑围护、申海大厦等工程中应用，并 成功实现h 型钢( 表面涂有特制减摩剂) 的完整回收，技术经济效益可观。但s m w 工 法设计、计算方法还有待进一步研究。 1 5 本文主要工作 1 5 1 研究目标 ( 1 ) 通过现有资料对s m w i 法挡墙以及挡墙材料的力学性能进行全面总结。在考 虑挡墙与土共同作用的情况下提出合理的s m w 工法挡墙设计计算方法。 ( 2 ) 研究s m w - v 法挡墙与土的共同作用机理，通过支护结构与土的协同作用的分 析完成挡墙的布置，并为挡墙设计提供理论依据。 ( 3 ) s m w 围护结构中支撑体系的合理设计和布置。s m w 围护结构的稳定性直接关 系到周边环境的安危，如何选择经济、合理的支撑方式，并加以科学的布置，使得形成 的围护支撑体系既方便施工，又能有效地控制环境的变化。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 型钢水泥土共同作用研究 结合不同组合截面形式的h 型钢水泥土组合梁的抗弯试验成果，分析组合梁受力过 程和破坏模式；并全面总结s m w 组合挡墙的受力模式及挡墙的设计方法。 ( 2 ) s m w 工法挡墙与土的共同作用机理研究 在h 型钢水泥土共同作用的基础上对挡墙与土的接触面进行研究，通过挡墙与土共 同作用机理的研究分析，为挡墙及支撑系统的设计提供理论依据。 ( 3 ) 结合工程实例分析基坑支护中各参数的影响 研究s m w 挡墙中水泥土搅拌桩直径、型钢布置形式、内支撑截面及施工顺序的变 化，对基坑支护挡墙水平位移与内力、支撑轴力的影响。 9 第二章弹塑性理论及材料奉构模型简述 第二章弹塑性理论及材料本构模型简述 2 1 弹塑性力学及土的本构模型 土的力学本构关系【2 0 】通常是指土的应力应变强度时间关系，其数学表达式即为本 构模型或者本构方程。作为天然地质材料的土体，由于其结构的非连续性和分布的随机 性，在力学性能上一般表现出非线性、弹塑性、流变性、各向异性和非均质性：其应力 应变关系十分复杂，它与土的应力水平、应力历史和应力路径有关；也与土的状态、 组成、结构、温度、环境等因素密切相关。 土的本构模型大体上可分为弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型三种类型。早期土 的变形计算主要是基于线弹性理论，而土的塑性理论应用的是完全塑性模型，屈服准则 与强度准则是一致的。 在刚塑性和弹性完全塑性模型的基础上，各种极限分析和极限平衡方法得到了发 展。现代计算机技术为土的非线性分析【2 l 】提供了可能性，而大型土木工程的建设使这种 分析成为必要。因而只有在2 0 世纪6 0 年代以后土的本构关系模型的研究才得以蓬勃发 展。 2 1 1 弹性本构方程 在没有进入塑性屈服阶段以前，岩体整体处于弹性阶段，其变形遵循弹性理论【2 6 , 2 7 】。 平衡微分方程： + ，= 0 ( f ，j = x ，y ，z ) ( 2 - 1 ) 物理方程： 乃= c i k o k = 嘉+ 半嗽( 伽j ) ( 2 - 2 ) 几何方程： 气= 去( 栅，) 。，= x ，y ，z ) (一3l i y 2 - 3 ) 气2i 【“n ，+ 甜，j ，2x ，z j l 边界条件： f = ( f ，j = x ，y ，z ) ( 2 4 ) 式中，c ，肼为柔度张量，其值为： 1 0 中困石油人学( 华东) 顾l j 学位论义 c 蛳_ d l k l - ! 1 一 一 1 一弘一p 0 o 0o 0o 乞为r 隅岛= 嚣 一0 一0 1o 0 2 ( 1 + ) o0 o0 0 o o o 2 ( 1 + ) o 0 0 o 0 o 2 ( 1 + ) ( 2 5 ) 2 1 2 土的弹性本构模型 ( 1 ) 线弹性模型 在线弹性模型中，只需要两个材料常数即可描述其应力应变关系，即e 和l ，或k 和 g 或旯和。其应力应变关系可表示为 鼻= 去 吒一y ( q + 吒) 鼻2 面| - 吒一y i q + 吒j j 勺= i 1 仃y y ( 盯：+ q ) 勺。i l 仃v 叫l 盯：+ q j j t = 去 吒一y ( q + q ) t 2 i 【- 吒一y 【q + qj j ：坐型e y = - f ix y x y 7 瞄：坐兰f 嵋 y = l - f 7f f 。嵋 比：坐掣。比2 _ 2 f 。 ( 2 6 ) 这种关系用张量可表示成： 仃) = 【d 】 s ) 在土力学的地基附加应力计算中，目前基本上还是用线弹性理论的布辛尼克斯 ( j b o u s s i n e s q ) 解或者明德林( m i n d l i n ) 解【2 0 1 。地基沉降计算也主要是在经典弹性理 论的基础上进行的。 对于土的应力应变关系，线弹性理论是过于简化了，但当应力水平不高且在一定的 边界条件情况下，它还是比较实用的，如用于计算土中应力，配合一定的经验计算地基 变形时，能为工程问题提供有用的解答。 土的各向异性在大多数情况下表现为横观各向同性，亦即是层状结构，它在x 、y 组成的水平面内是各向同性的。用线弹性理论表述则只需5 个独立的材料常数：e 、e 、 第- 二章弹型性理论及材料奉构模型简述 t = 去( 吒一i ) 一丢呸 旷吉( 旷哆。) 一丢呸 铲专叮导( q - t - o y ) 、 t 2 万吒一百i q ：坐型e y = 二_ f i 碲x y 1 y 旺2i t 忙 u 1 y a 2 i t ：x l ， ( 2 7 ) 线弹性模型在基坑变形分析中有广泛的应用，虽然这种模型对土的力学特性做了较 大的简化，但该方法简便易行，只要在应用时辅以经验判断，也能够为基坑变形分析问 题提供参考。但是应当指出用此方法计算时，重要的是需要f 确测定土的变形模量e 和 泊松比y ，这一点是比较难做到的。 线弹性模型只适用于安全系数比较大，土体不发生屈服的情况。 ( 2 ) 非线性弹性模型 莲 二 f 要 ( a ) ( q 一吒) 蜀双曲线 ! ，、 l 芎 6 ；i ii ( b ) 毛( o l q ) 毛关系 图2 - 1 土的应力应变的双曲线关系 f i 9 2 - 1 t h es t r e s s - s t r a i nh y p e r b o l af u n c t i o no fc l a y 非线性弹性模型是为了避免用弹塑性模型的一种方法，它能够模拟发生屈服以后非 线性变形的性状，但忽略了应力路线等很重要因素，即假设应力与应变是沿着一条曲线 变化的。实际的土体在一般应力状态下都有可能发生屈服，应力应变的关系是非线性的。 1 2 中困石油人学( 华东) 颀l j 学位论义 目前应用较多的是d u n c a n c h a n g 等人1 9 7 2 年提出的邓肯张模型【1 6 】。 该模型采用双曲线应力应变关系，认为土体满足m o h rc o u l o m b 屈服准则。 邓肯张采用康德纳( k o n d n e r ) 关于应变硬化的土体，在常规三轴试验时应力应变 关系可用双曲线关系来近似描述的建议。即0 3 不变时q 一吼= 皇_ ( q 为轴向应变， 口+ b e 口，b 为双曲线函数参数) ，见图2 1 ( a ) 并根据简布( j a n b u ) 等人的试验研究，并将常 规三轴试验的结果按土一的关系进行整理，则二者近似成线性关系。其中，a 为 q 一吧 直线的截距；b 为直线的斜率。见图2 1 ( b ) 所示将最终得出切线模量e 的表达式如下： 巨= 瓴lp o ) 一毪群掣 2 协8 ， 其中，见为大气压( p o = 1 0 1 4 圮) ，量纲与吒相同；k 、，2 为试验常数。 ( a ) q 一e 3 双曲线 o i 钆 ( b ) 一乞q 一s 3 线性关系( c ) v l g ( 吒p o ) 关系 图2 - 2 切线泊松比有关参数 f i 9 2 2 r e l a t e dp a r a m e t e r so ft a n g e n t i a lp o i s s o nr a t i o 在计算土体的应力和变形时，除了切线模量e 外，还要用切线泊松，邓肯等人根据 一些试验资料，假定在常规三轴压缩试验中轴向应变q 与侧向应变一巳之间也存在双曲 线关系( 见图2 2 ) ，采用与推导切线模量相似的方法，最终得出切线泊松比： 矿2 g f l g ( o - 3 p o ) 1 d ( q 一0 3 ) 瓴鲫t , p o ) ，一尝鬻 公式中的k ，1 l ，尺，c ，妒，f ，g ，d 均由三轴试验确定。 ( 2 9 ) 第二章弹塑性理论及材料奉构模型彻述 1 9 8 0 年邓肯等人又提出了e b 模型，其中e 的确定与式( 2 - 8 ) 相同，另外引入 体变模量b 代替切线泊松比_ ，b 2 可南。 d u n c a n c h a n g 的优点是可以利用常规三轴试验测定所需的计算参数，虽然它反映 了土的非线性及一定程度应力相关性，但它不能考虑土体的剪胀性，应变软化及应力路 径的影响，也未考虑主应力的影响。它只适应于正常固结和弱固结粘土及砂石料等应变 硬化材料，不适合于重超固结粘土、密砂及有应变软化的材料。 k - g 模型是将应力和应变分解为球张量和偏张量两部分，分别建立球张量p ( ) 与 占。、偏张量q 与万间的增量关系，即 a p = k d s ，1 砌= 3 g d g j 一般通过各向等压试验确定体变模量k ，通过p 为常数的三轴试验确定剪切模量 g 。k g 模型将球张量和偏张量分开考虑，如再考虑二者耦合，还可以反映土的剪胀性。 因而这类模型有一定的合理性和适用性，但这类模型通常要求做p 为常数的非常规三轴 试验，一般实验室不易实行，并且受特定应力路径限制【1 5 】。 土的弹性模型还有超弹性模型和次弹性模型等，能用于处理非线性、应力路径的依 赖性、剪胀性和应变软化等特性。 2 1 3 弹塑性本构关系 根据弹塑性理论【2 9 1 ，当空间某一点的应力状态进入屈服后，其应力应变关系是非线 性的，单元的总应变可分解为弹性应变增量和塑性应变增量两部分： d 6 = d s 。+ d 8 p ( 2 1 0 ) 其中弹性应变增量满足虎克定律，设塑性应变增量符合塑性关联流动正交法则，如 下： d c 。= d o - l d g ( 2 - 1 1 ) d ，：d a 鲨( 2 1 2 ) a 仃 ( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) 整理可得到： d 仃： 眈 ( d g - - d 2 娑) ( 2 13 ) 对于各向同性的硬化材料，根据屈服函数，由塑性一致性条件d f = 0 可得： 中困“油入学( 牛东) 颂i j 学位论义 d a ) = 【】 d ) ( 2 1 4 ) 式中：【见，】为岩土材料的弹塑性矩阵；a = 一i o fh 为反映岩土材料硬化特性得参数，当 叫 a = 0 时，材料为理想弹塑性材料。 2 1 4 土的弹塑性模型 在经典土力学中，亦即在太沙基创建土力学学科之前，塑性理论就在土力学中得到 应用。但这些塑性理论基本上是刚塑性理论和弹性理想塑性理论【1 7 1 8 】。这两种塑性理论 中的屈服与破坏具有相同的意义。它们在简单应力状念下的应力应变关系如图2 3 所示。 它们的共同特点是只考虑处于极限平衡( 塑性区) 条件下或土体处于破坏时的极限条件 下的情况，而不计土体的变形和应力变形过程。 ( a ) 刚塑性模型( b ) 弹性一理想塑性模型( c ) 弹塑性模型 图2 - 3 不同塑性模型的应力应变关系曲线 f i 9 2 - 3 s t r e s s s t r a i nc u r v eo fd i f f e r e n tp l a s t i cm o d e l s 随着土的本构关系模型的发展，增量弹塑性理论模型在现代土力学中得到广泛应 用。在这类模型中，土的弹性阶段和塑性阶段不能截然分开；而土体的破坏只是这种应 力变形的最后阶段。 r o s c o e 与他的同事提出剑桥模型( c a m c l a y ) ，开创了土的增量弹塑性本构模型的 先河。随后各国学者提出了上百种土的弹塑性本构模型，包括单一屈服面、双屈服面及 多屈服面的模型。用弹塑性本构关系模型来模拟土的应力应变关系使之更接近实际。 建立土体的弹塑性本构模型，要确定其屈服准则、流动规则和硬化规律。 破坏准则是判断材料在荷载作用下是否发生破坏的准则【2 4 】，它是本构模型必不可少 的部分，弹性模型只有破坏准则，弹塑性模型的破坏准则与屈服准则联系在一起，在 图2 3 ( c ) 中，土被从o 点逐渐加载至a 点，则a 点为屈服点，随着应变增加，b ，c 都成为新的屈服点。对于a 点加载时砌 0 ，同时产生d s 。和d 占，；卸载时由 o 时，型钢将出现塑性 区，组合结构内力和变形情况