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TRD工法型钢水泥土搅拌墙的承载变形性状分析

TRD工法 2021年9月6日 项敏 275

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TRD工法型钢水泥土搅拌墙的承载变形性状分析

谭轲



摘  要


摘要:TRD(Trench cutting Re-mixing Deep wall)工法构建的等厚度水泥土搅拌墙可内插型钢作为基坑止水和挡土结构,在基坑工程实践中得到了越来越广泛的应用。作为两种刚度差异较大材料的组合结构,TRD工法型钢水泥土搅拌墙承载变形性状和作用机理较为复杂,现阶段的工程实践尚缺乏理论计算的支持。以上海典型软土地层为背景,采用三维“m”法对型钢和水泥土的相互作用和承载变形性状进行了理论分析,主要通过对其变形、弯矩分担和局部抗剪的规律研究,对工程设计中的相关问题予以明确,并结合实测工程墙体变形进行了对比。


关键词:TRD工法;等厚度型钢水泥土搅拌墙;承载变形特性;局部抗剪;三维“m”法



引  言


在近年来的基坑工程实践中,等厚度型钢水泥土搅拌墙得到了越来越广的成功运用。这是H型钢和TRD(Trench cutting Re-mixing Deep wall)工法构建的等厚度水泥土搅拌墙组合形成的结构。TRD工法将链锯切削刀具插入地基,注入固化剂与原位土体混合,并持续横向掘削、搅拌,水平推进构筑成水泥土搅拌连续墙。相比传统的三轴水泥土搅拌桩,TRD功法成墙深度可达60 m、地层适应性更广、墙体无侧限抗压强度更高、深度范围内的水泥土强度更加均匀、连续成墙无接头、抗渗隔水性更为优良;内插型钢间距可以根据设计需要调整,不受桩位限制(图1)。


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图 1 TRD 工法型钢水泥土搅拌墙与三轴水泥土搅拌墙


在型钢水泥土搅拌墙组合结构体系,水泥土主要作为隔水帷幕、约束H型钢;H型钢刚度、抗拉压强度高,作为主要受力构件。尽管构造相对简单,然而对于两种刚度差异较大的材料组合体系,其受力机理复杂,特别是其承载变形特性、型钢和水泥土相互作用、局部抗剪模式与传统的三轴型钢水泥土搅拌墙存在差异,研究尚滞后于工程实践。本文选取上海典型软土地层,根据大量工程实践经验所积累的参数,采用三维“*m*”法建立模型,对TRD工法型钢水泥土搅拌墙围护结构的承载和变形特性进行了分析和研究。


1


基本原理和计算模型


建立三维模型并采用三维“m”法进行分析。模型中挡土结构采用空间板壳单元,支撑和被动区土体为弹簧单元,施加坑外水土压力荷载。数值分析取上海典型软土地层,见图2。基坑挖深10 m,设2道支撑、间距5.5 m。围护结构采用850 mm厚度的等厚度水泥土搅拌墙,内插H700×700×13×24型钢、间距为1.2 m。有限元计算取延长米为7.2 m的三维模型如图3所示,模型中含6根H700×700×13×24型钢,间距1.2 m。模型底部约束竖向位移,左右两端约束纵向位移。


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变形和承载特性分析


2.1变形特性

图4,5分别为基坑开挖至基底后H型钢与水泥土墙的水平位移云图。可以看到,H型钢最大侧移36.3mm,水泥土最大侧移45.2 mm。最大变形发生在坑底附近位置,符合一般基坑围护结构水平位移形态。


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图6分别为最大水平位移发生位置的平面云图。最大水平位移发生在型钢之间的水泥土处(图中B点),而由于型钢对周边水泥土的约束作用,紧邻型钢附近的水泥土变形相对较小,而型钢之间的水泥土变形随着型钢约束作用的减弱逐渐增大,墙体变形的形态在水平面上呈波浪状分布。这种分布形态意味着在正常使用状态下,型钢和水泥土之间的黏结和摩擦力已经得到了一定程度的发挥,且沿垂直于墙体的方向,水泥土墙体内有着明显的剪切应力存在。


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图7描绘了型钢和水泥土的最大水平位移曲线,其中水泥土取模型中部远离型钢位置节点的位移值(图6中A点),型钢取坑内侧翼缘中部(图6中B点)。可以看到,在接近坑顶和墙底的位置,两处位置的水泥土和型钢的侧移差异相对较小,在第二道支撑以下至坑底以下约6 m的范围内,越接近坑底位置,A、B点处的水平位移差异逐步增大。可知,在变形较小时,型钢和水泥土之间的变形较为协调,而越接近坑底,二者之间变形的差异逐步增大,型钢和水泥土之间剪应力也相应增大(详见下文)。

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2.2 型钢-水泥土应力和弯矩分担


(1)应力分担

图8为H型钢竖向应力分布,H型钢竖向应力呈坑内受拉,坑外受压的规律分布,最大拉应力为137MPa,最大压应力为138 MPa,拉压应力基本保持一致,且满足一般Q235标号钢材强度要求。取最大侧向位移位置局部水泥土和型钢单元,其Z向应力如图9所示。由图可知,型钢所承担的应力要远高于水泥土(见表1,正为拉力,负为压力)。


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等厚度型钢水泥土搅拌墙属于典型的受弯构件。型钢附近的墙体整体抗弯刚度明显大于型钢之间的墙体,这决定了等厚度型钢水泥土搅拌墙体的抗弯特性。


取水平范围内1.2延米区段内型钢和水泥土,通过提取各深度截面单元节点上的应力并对中轴积分,分别求得型钢、水泥土和总弯矩见图10:总弯矩图与型钢弯矩图几乎一致,而水泥土承担的弯矩仅站总弯矩的极小部分。坑底位置弯矩达到最大,其中总弯矩M=765.4 kN·m,型钢弯矩Mst=760.8 kN·m,水泥土弯矩仅为Mcs=4.6 kN·m。由此发现,在基坑开挖至坑底时,型钢分担的弯矩占总弯矩值的99%、为组合结构中的主要抗弯构件,而水泥土对弯矩的贡献则可以忽略不计。水泥土的主要作用是为型钢提供了侧向约束,防止型钢在受弯状态下发生失稳,保证钢材强度的充分发挥。在计算组合墙体抗弯强度时不应计入水泥土的贡献,弯矩仅由型钢进行承担。

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2.3水泥土局部抗剪


型钢和水泥土之间的错动剪力是二者间相互作用的一个重要指标。考虑到型钢和水泥土间的错动剪应力主要存在于XY平面方向,下文中主要对剪应力Sxy进行分析。最大剪应力发生在深度6.0~6.5 m即第二道支撑附近位置,取此处水泥土的剪应力云图如图11所示。错动剪应力主要集中在坑内一侧的型钢翼缘端部与水泥土的交界处,最大值约0.50 MPa。


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对水泥土局部抗剪起决定作用的并非最大局部剪应力,而是型钢和水泥土错动面上平均错动剪应力的大小。依照图12中型钢之间线框左右两端截面,作为型钢和水泥土之间发生错动变形的错动剪应力的截面,以截面平均剪应力与水泥土抗剪强度进行对比,确定局部抗剪是否满足要求。提取此计算截面上所有节点上的Sxy值见表2。

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表2中剪切面的平均剪应力为0.166 MPa。水泥土抗剪强度标准值可取搅拌墙28 d龄期无侧限抗压强度的1/3。上海地区的等厚度水泥土搅拌墙工程中,28d无侧限抗压强度一般均能达到0.8 MPa,因此可取水泥土抗剪强度τck=0.8/3≈0.2 MPa,得Sxy,avg=0.166 MPa<τck=0.2 MPa。可判定水泥土的局部抗剪满足要求。


由上可知,等厚度型钢水泥土搅拌墙结构中,型钢两端翼缘端部间的型钢和水泥土交界面为最弱剪切面,在等厚度型钢水泥土搅拌墙的设计中,应以最弱面处的错动剪应力平均值为控制标准,对水泥土的抗剪强度提出设计要求。


3


工程实例


奉贤中小企业总部大厦项目位于上海奉贤区南桥镇,基坑总面积约为23000 m2、挖深约为11.85 m。基坑围护体采用TRD工法型钢水泥土搅拌墙,竖向设两道钢筋砼支撑,支护剖面见图13。等厚度水泥土搅拌墙厚度为850 mm,墙深为26.55 m,水泥掺量为25%、水灰比为1.5。墙体内插H700×300×13×24型钢,中心距为900 mm,有效长度为20.5 m。等厚度水泥土搅拌墙芯样28 d无侧限抗压强度平均值为0.99 MPa,且强度值沿深度方向均匀分布,满足设计要求。


本工程基坑已成功实施,基坑开挖暴露面墙面较平整、无渗漏现象,如图14所示。墙体水平位移、周边环境变形在允许范围内。采用本工程场地土层参数,根据三维“m”法建立有限元模型进行数值分析,计算围护体变形与实测墙体水平位移曲线对比见图15。

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需要注意的是,由于测斜管埋设位置贴近型钢,因此应选取型钢附近的水泥土计算变形曲线。对比可知,基坑开挖至坑底后,计算和实测的围护体水平位移曲线总体趋势和分布形态基本一致,三维“m”法能够较好的反应等厚度型钢水泥土搅拌墙的变形趋势。实测围护体最大水平位移26.4 mm,发生在近坑底深度约10.5 m的位置。计算最大水平位移36.1 mm,位置与实测一致。计算位移稍大于实测值。在现场监测时,一般将围护体(型钢)底部作为水平位移的零点处理,而在三维“m”法计算中,围护体底部被动区为土体弹簧,并未约束底部水平位移,因此在围护体底部的实测和计算位移有一定的差异。


4


结  论


本文基于上海典型软土地层,采用三维“m”法对等厚度型钢水泥土搅拌墙的承载变形性状进行了理论分析,并结合工程实测进行了对比,得到以下结论:


(1)等厚度型钢水泥土搅拌墙的最大水平位移发生在型钢之间的水泥土处,紧邻型钢附近的水泥土变形相对较小,而型钢之间的水泥土变形随着型钢约束作用的减弱逐渐增大,墙体变形的形态在水平面上呈波浪状分布。墙体变形在竖向分布规律为:越接近坑底,型钢和水泥土之间变形的差异逐步增大。


(2)由于刚度的差异,型钢所承担的应力要远高于水泥土,型钢分担的弯矩占总弯矩值的99%,为组合结构中的主要抗弯构件,而水泥土对弯矩的贡献则可忽略不计,主要为型钢提供侧向约束、防止失稳、保证钢材强度的充分发挥。等厚度水泥土搅拌墙在计算抗弯强度时不应计入水泥土的贡献,弯矩仅由型钢进行承担。


(3)等厚度型钢水泥土搅拌墙结构中,型钢两端翼缘端部间的型钢和水泥土交界面为最弱剪切面,在等厚度型钢水泥土搅拌墙的设计中,应以最弱面处的错动剪应力平均值为控制标准,对水泥土的抗剪强度提出设计要求,即最弱面平均剪应力不应小于水泥土抗剪强度标准值。


(4)三维“m”法有限元分析计算所得的等厚度水泥土搅拌墙体位移性态与实测较为符合,能够较好的模拟等厚度型钢水泥土搅拌墙体的变形特性。


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来源:《岩土工程学报》

编辑整理:项 敏

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TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。

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TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。 


TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。


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