型钢-水泥土复合重力式挡墙协同工作的变形特性分析

2021-03-02陈梦

岩土工程技术 2021年1期

陈梦

(华东建筑集团上海申元岩土工程有限公司，上海 200011)

0 引言

水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂，通过机械设备将固化剂和地基土强行混合搅拌，形成有一定厚度和嵌固深度的墙体以承受墙后水、土压力的一种支挡结构，是目前上海软土地区7 m内基坑常用的围护形式[1]。该工艺无需设内支撑，便于挖土，但侧向变形较大，尤其是挖深超5 m的基坑，墙顶水平位移常常达到几十厘米，不适用于有外界环境控制要求的场地。从而有了研究以水泥土为主体，内插型钢等劲性材料的复合重力式围护墙的需求和必要性。该法通过在一定墙宽和入土深度的水泥土挡墙内设大刚度型钢结构，与水泥土共同工作承受外部荷载，能较好地控制侧向变形。

目前国内缺乏统一的设计规程和标准，围护结构变形计算仅考虑型钢承担作用，忽略水泥土对复合结构的贡献。但实际工程中水泥土与型钢结构一起协同抵抗墙体变形，与单独型钢的工作状态不相同，一些学者已有相关研究[2-6]。孔德志等[3]阐述劲性水泥土连续墙的工作机理，指出水泥土对荷载分担作用。郑刚等[4]通过水泥土组合梁抗弯试验研究了含钢率、加载方式及涂刷减摩剂与否对组合梁的抗变形能力和破坏性状有着重要影响。杨平等[5]认为双根型钢铰接水泥土梁更适用于实践工程。目前的研究主要在全截面水泥土劲性结构(SMW工法)已取得一些进展，而工程中常用的格栅型布置(具有一定水泥土置换率)、截面宽度较厚的水泥土挡墙内插H型钢的研究工作尚少。

本研究就目前重力式挡墙位移计算方法展开讨论，并分析不同受力阶段型钢、水泥土对墙体荷载的分担情况。针对基坑开挖过程中复合挡墙的变形特性，以上海软土地区某基坑工程为例，运用数值模拟的方法进行深入研究，并结合现场监测结果，分析复合围护体位移控制及H型钢弯矩分布规律。

1 重力式挡墙变形计算方法

目前水泥土重力式挡墙侧向变形的计算，《上海基坑工程技术标准》(DG/TJ08—61—2018)条文说明中提供了几种计算方法，包括根据收集的案例实测资料归纳出的经验公式法以及最大相对侧移和坑底抗隆起分项系数的案例拟合曲线关系法，但这两种方法均未能反映挡墙自身材料性质的影响。而弹性地基梁法是以围护结构作为分析对象，坑底以下被动区土体模拟为刚性支座上一系列独立的弹簧，用m值法建立围护体水平位移关系，是目前围护结构变形主要的分析方法。图1为悬臂支挡结构弹性支点法计算简图, 在墙后土压力及墙前支点弹簧约束作用下，围护体产生挠曲变形。

图1 悬臂支挡结构弹性支点法计算简图

取计算宽度b0的围护结构作为分析对象，根据梁单元的力学分析以及梁任意截面的转角θ、弯矩M、剪力Q的公式，得到挠曲线微分方程：

式中：EI为围护结构抗弯刚度，kN·m2；y为围护结构的侧向位移，m；z为深度，m；pak(z)为深度z处的主动土压力，kPa；m为地基土水平抗力比例系数，kN/m4；h为基坑开挖深度，m。

上述曲线微分方程可见，围护体变形除受场地地层条件、坑顶超载、开挖深度等外部因素的影响外，其实质是如何确定计算结构自身抗弯刚度的问题。

而软土地区水泥土挡墙的墙体宽度常常不小于0.7h，构件的跨高比较小，类似深受弯构件，其内力、变形计算较为复杂，需进行深入探讨与分析。

2 型钢水泥土相互作用分析

复合挡墙由水泥土与型钢两种材料黏结组成，它们的力学性能截然不同，型钢材质均匀且力学性能好，而水泥土抗拉压强度低，力学性能较为复杂。关于组合梁共同作用的受力特性以及不同受力阶段两种材料的荷载分担变化情况，可分为三个阶段[4-6]。

前期线性阶段随荷载增加位移呈线性增长，此时认为组合梁未出现裂缝，水泥土与型钢之间黏结良好，水泥土承担了部分荷载；中期非线性阶段位移随荷载增加发展速率增大，由于水泥土抗拉强度低，受拉区水泥土首先出现裂缝并不断发展，开裂前承受的拉力传递给型钢，从而使裂缝处型钢应力增大，整体刚度下降，但水泥土的作用仍较为明显；后期随着施加荷载增大受拉区型钢应力急剧增大，并达到屈服强度，型钢单独承担荷载，挠度迅速增大，组合梁最终破坏。

可见，水泥土和型钢的分担作用在不同受力阶段发生变化，随着试验荷载水泥土的分担作用减弱，而型钢的分担作用逐渐增强，组合梁的整体刚度减弱。

3 复合重力式挡墙模型有限元分析

3.1 工程概况及支护设计

图2 围护结构剖面图(单位：mm)

开挖过程中进行围护墙体深层侧向位移观测，测斜管采用带导槽PVC塑料管，与型钢一起埋入墙体内，长度与型钢同深。测斜点布设在前排型钢附近位置，相邻点位间距20～30 m，数据采集使用北京航天生产的CX-06B型测斜仪，其读数分辨率为0.02 mm。

3.2 模型的建立与参数选取

水泥土搅拌桩重力式挡墙常常呈格栅状布置，二维平面应变模型不能满足实际需求，因而进行三维模型计算。为了保证计算速度同时又不影响计算精度，选取模型尺寸为50 m(长)×25 m(宽)×20 m(高)，四周边界约束X、Y方向位移，底边界约束Z方向位移，利用Midas GTS软件分析计算的模型网格划分如图3所示。所选材料外地层采用小应变硬化土模型，水泥土采用Drucker-Prager模型，混凝土及型钢采用弹性本构模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则。外地层与水泥土选用四面体网格单元，型钢选用1D梁单元，砼压顶板采用2D板单元，建立三维实体模型。

图3 三维计算模型网格

表1 基坑模型材料参数

3.3 模拟结果分析

3.3.1 墙体变形分析

基坑开挖是一个坑内逐渐卸载过程，为分析施工过程围护体的变形，本次进行分层开挖的施工全过程模拟。基坑开挖到底板垫层底工况下，围护体侧向变形监测资料以及计算分析结果见图4。由图可知，实测围护体扣除开挖前初始值后的最大测斜值14.3 mm，约为0.26%h(h为基坑开挖深度)，满足上海市基坑变形控制保护等级标准对应的0.30%h的要求，未达到设计要求监测报警值20 mm的上限。而普通重力坝(不插型钢)采用弹性支点法计算得到的最大测斜值57.1 mm，已超出外界场地变形控制的要求，因此复合墙控制侧向变形效果明显，可以认为H型钢对提高围护体的抗位变能力显著。

图4 围护结构侧向位移

通过对比模拟开挖后围护体侧向位移与现场监测结果，两者数据吻合性较好。普通重力坝结构顶部位移大，底部小，受力形态类似杆系悬臂结构，而复合重力式墙体的最大位移出现在开挖面中间深度的位置，较好地限制了顶部位移，加上顶部砼压顶板对前后排型钢的约束作用，可有效控制墙顶的位移和整体位移。

(1)水泥土置换率对复合墙的变形影响。目前较常用墙体宽度为4～5 m的重力坝，其平面布置形式一般为格栅型，构造要求的水泥土置换率(m)接近70%，以节约工程造价。图5是m=0%、m=70%、m=85%、m=100%时，改变水泥土置换率模型分析得到的复合墙侧向变形情况。

从图5可看出，水泥土置换率增大时墙体侧向变形减小。置换率从0%增至70%时，最大侧向变形大幅度减小，从21 mm降低至11 mm，此时水泥土提高复合墙体抵抗变形的能力显著。但随着置换率再增加，变形减小幅度很小，墙体变形基本趋于稳定，此时水泥土对位移影响很小。

图5 不同置换率围护结构侧向位移

(2)不同型钢布置方式对复合墙的变形影响。本次设计墙体内插双排型钢，前、后排型钢间距分别为1 m、2 m，因此前排整体围护刚度较大，这样可减小临坑面侧的水平位移，提高抗变形能力。同时，后排型钢又减轻了水泥土承受的弯矩，有助于提高基坑的安全性。图6是前、后排型钢间距分别为2 m、1 m，后排型钢密布，两种不同型钢布置方式分析得到的复合墙侧向变形情况。