勁性水黏土連續(xù)墻設(shè)計(jì)

勁性水黏土連續(xù)墻設(shè)計(jì)

0基坑工程的發(fā)展墻的式積，也稱為smw技術(shù)，是一種將土壤和水泥砂漿在現(xiàn)場攪拌后插入鋼圈結(jié)構(gòu)的墻結(jié)構(gòu)。該法于20世紀(jì)50年代起源于美國，之后在日本得到發(fā)展并逐漸成熟，90年代被引入我國，由于其具有施工方便、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)迅速在基坑工程中推廣應(yīng)用。但對(duì)勁性水泥土連續(xù)墻應(yīng)用技術(shù)的研究嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐，使得工程應(yīng)用中出現(xiàn)了許多問題，2000年后，在一些開挖深度僅為10多m深的基坑中，出現(xiàn)了許多倒塌事故，曾一度引起工程界對(duì)這種圍護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的疑問，而一方面應(yīng)用基坑工程開挖深度不斷增大，國內(nèi)應(yīng)用基坑深度已達(dá)20多m，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)勁性水泥土連續(xù)墻工作機(jī)理的分析和認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)其應(yīng)用技術(shù)的研究。1勁性水巖土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中認(rèn)為勁性水泥土連續(xù)墻為柱列式擋墻結(jié)構(gòu)，由水土壓力產(chǎn)生的墻體彎矩主要由墻中插入的型鋼承擔(dān)，水泥土有一定的貢獻(xiàn)，這種貢獻(xiàn)作為安全儲(chǔ)備，因此對(duì)承載力驗(yàn)算采用下式：式中σ為型鋼的應(yīng)力；M為每榀型鋼承受的彎矩；Wx為每榀型鋼的截面抵抗矩；f為鋼的強(qiáng)度。這一設(shè)計(jì)思想受到眾多質(zhì)疑，認(rèn)為設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮水泥土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，一些文獻(xiàn)研究提出了型鋼水泥土組合結(jié)構(gòu)抗彎剛度計(jì)算式為式中sE,Is分別為型鋼的彈性模量與慣性矩；cE,Ic分別為水泥土的彈性模量與慣性矩；α為水泥土剛度貢獻(xiàn)系數(shù)，與水泥土質(zhì)量和彎矩作用下開裂程度有關(guān)。按照式（2），組合結(jié)構(gòu)的剛度有兩部分組成，前一部分為型鋼的剛度，后一部分為水泥土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，根據(jù)工程中勁性水泥土連續(xù)墻的含鋼率和水泥土的性能情況，采用式（2）計(jì)算所得的水泥土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)并不明顯。這與一些實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究的結(jié)果有一定的出入，經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)中，采用的組合結(jié)構(gòu)含鋼率較低，其型鋼厚度僅為1mm，故水泥土的剛度貢獻(xiàn)相對(duì)較大。事實(shí)上勁性水泥土連續(xù)墻中彎矩主要由型鋼承擔(dān)，當(dāng)彎矩達(dá)到某一臨界值時(shí)，型鋼受壓區(qū)在壓力作用下將發(fā)生側(cè)向位移，伴隨著型鋼的扭轉(zhuǎn)而失去承載能力，這一現(xiàn)象稱為型鋼的失穩(wěn)現(xiàn)象。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，型鋼作為豎向受彎構(gòu)件，其承載力除滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足整體穩(wěn)定性要求，這一問題在當(dāng)前設(shè)計(jì)中卻未考慮，為工程留下隱患。從一些工程事故現(xiàn)場（如圖1,2）可看到，發(fā)生工程事故時(shí)，型鋼均出現(xiàn)了不同程度的側(cè)移和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。文獻(xiàn)采用與深基坑中勁性水泥土連續(xù)墻尺度均減半的多型鋼水泥土組合板進(jìn)行模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥土對(duì)剛度的貢獻(xiàn)并不明顯，通過對(duì)板件上裂縫情況分析，可發(fā)現(xiàn)在破壞前，邊部型鋼發(fā)生了不同程度的側(cè)移。因此型鋼水泥土組合結(jié)構(gòu)中，水泥土主要貢獻(xiàn)應(yīng)是限制型鋼的側(cè)移，使型鋼的強(qiáng)度得到有效發(fā)揮。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼結(jié)構(gòu)受彎整體穩(wěn)定計(jì)算式為式中，?b為鋼梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，其他符號(hào)意義同前。對(duì)于勁性水泥土連續(xù)墻中型鋼，由于其側(cè)向?yàn)樗嗤吝B續(xù)約束，側(cè)向計(jì)算長度難以確定，使得型鋼的整體穩(wěn)定承載力無法采用式（3）進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)假定水泥土對(duì)型鋼的約束反力與型鋼側(cè)向位移成正比，并假定勁性水泥土連續(xù)墻中型鋼的側(cè)移呈正弦曲線，由此導(dǎo)出勁性水泥土連續(xù)墻中型鋼整體失穩(wěn)時(shí)的臨界彎矩為式中l(wèi)y為側(cè)向計(jì)算長度；sE為型鋼的彈性模量；sG為型鋼的剪切模量；Iy為型鋼截面對(duì)y軸的慣性矩；It為型鋼截面的抗扭慣性矩；Iω為截面翹曲常數(shù)，對(duì)于常用的H型鋼，可取為型鋼截面高度；k為水泥土對(duì)型鋼的反力系數(shù)。為了保證型鋼的強(qiáng)度能夠得到有效的發(fā)揮，水泥土應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，使型鋼的臨界彎矩不小于按強(qiáng)度計(jì)算的承載力，即2型鋼間水土工破壞的變形方式勁性水泥土連續(xù)墻屬柱列式擋土結(jié)構(gòu)，在墻背水、土壓力作用下，型鋼間水泥土將承受由此產(chǎn)生的剪力作用，對(duì)此按《型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程（試行）》，設(shè)計(jì)中建議按下式進(jìn)行計(jì)算：式中p為土壓力；0L為型鋼間凈距；h為水泥土厚度；?，c為水泥土的內(nèi)摩擦角和黏聚力；σ為擋墻縱向應(yīng)力，不確定時(shí)可偏于保守地取為零值；K為安全系數(shù)，一般取為1.5。根據(jù)1988年日本學(xué)者吉成元申、國藤祚光對(duì)H型鋼間水泥土的變形情況進(jìn)行的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著荷載的增加，最先在跨中受拉區(qū)出現(xiàn)曲張裂縫，剪切斜裂縫由于型鋼翼腳的約束出現(xiàn)較滯后，但最終以剪切斜裂縫擴(kuò)展至壁面而破壞。根據(jù)這一結(jié)果可知型鋼間水泥土破壞實(shí)際上類似于混凝土梁斜截面破壞情況，因此僅按（6）式計(jì)算是不夠的，建議按下式進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算：式中，L為型鋼中心間距，ft為水泥土抗拉強(qiáng)度，其它符號(hào)意義同前。在工程中，如能滿足型鋼的間距不超過墻體厚度的三倍，在受拉區(qū)水泥土開裂后，型鋼間水泥土形成了拱效應(yīng)，隨著荷載增加，水泥土將主要承受斜壓應(yīng)力，這樣對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度要求不高，可不進(jìn)行按式（7）的驗(yàn)算。3勁性水土工連續(xù)墻施工中的應(yīng)用控制對(duì)于勁性水泥土連續(xù)墻施工技術(shù)，已取得了較大的成就。在施工機(jī)械方面，先后開發(fā)出單軸、雙軸、三軸、四軸、五軸、六軸等各類施工鉆機(jī)，能夠較容易地實(shí)現(xiàn)水泥土樁的相互交接，滿足止水要求；減摩劑的研制成功，實(shí)現(xiàn)了型鋼的回收，極大提高了勁性水泥土連續(xù)墻的經(jīng)濟(jì)性能。但在施工中對(duì)于型鋼的垂直度、插入位置的偏差等方面，目前尚無一定的控制標(biāo)準(zhǔn)。勁性水泥土連續(xù)墻屬于柱列式擋土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于基坑工程其支撐體系一般由連續(xù)圍檁和支撐組成。當(dāng)插入型鋼位置和垂直度偏差較大時(shí)，使得部分型鋼與圍檁之間存在一定的空隙，在墻后水土壓力作用下，位置偏差較大的型鋼將產(chǎn)生較大位移后，支撐的作用才有效，這樣造成了型鋼受力不均，由受力較大的型鋼率先破壞，從而引發(fā)墻體的連鎖破壞，這是工程中值得注意的又一個(gè)問題。因此在工程中，應(yīng)嚴(yán)格控制插入型鋼的放線位置，尤其是向坑內(nèi)外的相對(duì)位置，同時(shí)還應(yīng)控制型鋼插入時(shí)的垂直度；在基坑開挖設(shè)置圍檁和支撐時(shí)，對(duì)于型鋼與圍檁之間存在較大空隙時(shí)，應(yīng)在圍檁與型鋼間加設(shè)鋼板等充填物，確保型鋼與圍檁的有效接觸，使支撐的作用得到有效發(fā)揮。4內(nèi)插型鋼板件厚度通過前述分析，對(duì)于勁性水泥土連續(xù)墻在工程中應(yīng)用，提出以下幾方面技術(shù)建議：(1）水泥土除應(yīng)保證止水性外，應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，施工中還應(yīng)保護(hù)好型鋼間的水泥土，禁止超挖，以達(dá)到水泥土對(duì)內(nèi)插型鋼的有效約束，防止型鋼發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。(2）內(nèi)插型鋼各板件厚度應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)板件穩(wěn)定要求，由于水泥土抗拉強(qiáng)度