型钢水泥土墙中水泥土对型钢的约束反力试验研究★

王 显 孔德志

(河南大学材料与结构研究所，河南开封 475004)

0 引言

当前基坑支护系统中，型钢水泥土连续墙，由于其密封性能好且能满足止水的要求，在基坑工程中得到了广泛应用［1］。目前型钢水泥土连续墙技术取得了很大的进展，既有相互交接的水泥土桩插入型钢形成的墙体［2，3］，即 SMW 工法;同时，近年来，有采用履带式搅拌设备能够保证墙体厚度相同的技术也已经出现，即RDT工法。

型钢水泥土连续墙技术中，设计时一般认为水泥土仅起止水作用，而墙背的水土压力由型钢承担［4-6］，也就是只对强度进行了计算，缺乏对型钢的稳定性验算。实际型钢水泥土连续墙在工作过程中，型钢的稳定性是通过水泥土的约束来保证的［7］，而水泥土对型钢的约束系数是一个很关键的问题。本文就是通过试验来探讨水泥土对型钢的约束情况，为进一步研究型钢的稳定性奠定基础。

1 试验材料及试件制备

1.1 试验材料

水泥土:选用开封地区的砂质粉土，掺入普通硅酸盐水泥搅拌而成;

型钢:选用Q235钢板，厚度为6 mm。

1.2 试件制备

参照JGJ/T 199-2010型钢水泥土搅拌墙技术规程以及GB/T 50152-2012混凝土结构试验方法标准，试件的尺寸如图1所示，为了获取水泥土对钢板的约束反力，在钢板下面预埋土压力盒，根据表1中的各项参数，进行支模浇筑做出三组试件，浇筑后48 h拆模进行自然养护，28 d后进行试验。为了了解水泥土性能，同期制作相应的水泥土试块，以便进行强度试验。

图1 试件尺寸（单位：mm）

表1 各试件的参数

2 加载和测量方案

对试件的施压是在液压万能试验机上进行的，通过预估承载力，加载采用分级加载，每级加载待稳定后停留5 min记录一次数据。土压力盒的应变值每一级加载保留两组数据求平均值。在钢板两侧端部通过布置百分表对每一块钢板的位移进行实测。每一块钢板的两侧在不同位置布置两个百分表分别读数，同样取平均值。加载及测量方式见图2，图3。

3 试验结果及分析

在对试件加载前，参照混凝土试验标准先测量出水泥土试块的强度，见表2。

图2 加载及测量方式

图3 位移测量方式

表2 水泥土试块强度

通过对水泥土对钢板约束反力以及钢板位移的测量，可以绘制出不同水泥掺入比试件的约束反力与位移曲线，结果见图4。

图4 钢板约束反力和位移关系曲线图

通过图4中所作的钢板受到的约束反力和位移关系曲线进行分析可以发现二者近似呈现抛物线的关系，可以大致拟合出二者的关系式，式(1)～式(3)分别为:

水泥掺入比为20%时:

水泥掺入比为15%时:

水泥掺入比为10%时:

其中，P为水泥土对钢板的约束反力，kPa;s为钢板位移，mm。

通过拟合曲线和关系式，可以近似求出不同水泥掺入比的水泥土对钢板的约束反力系数。由于在实际工程中，型钢的侧移是达到一定程度突然发生的，在失稳之前型钢的侧移为零，所以我们可以取钢板位移为零处曲线的斜率作为约束反力系数。因此，可以这样定义水泥土对钢板的约束反力系数k:

其中，k为约束反力系数，N/cm3;其他符号意义同前。

由定义式(4)求出水泥土对钢板的约束反力系数k，见表3。

由以上数值，我们可以进一步绘制出水泥土强度f和水泥土对钢板的约束反力系数k的关系曲线，见图5。

表3 水泥土对钢板的约束反力系数k

图5 约束反力系数与水泥土强度曲线

通过对约束反力系数与水泥土强度曲线的分析，可以发现二者近似呈现线性关系，可以拟合出二者的关系式为:

其中，k为约束反力系数，N/cm3;f为水泥土强度，MPa。

4 结语

通过本次试验及分析，可以得出以下结论:

1)通过分析约束力与位移的曲线，可以大致得出约束反力与位移近似成抛物线的关系;

2)约束反力系数k随着水泥土强度的增大而增大，并且与水泥土强度成线性关系;

3)在实际工程的型钢水泥土连续墙的设计中，应当使水泥土有足够的强度，能使水泥土与型钢紧密的结合，二者协同工作，水泥土对型钢的约束反力能够有效的发挥，从而使型钢的稳定性得到保证。

［1］于 宁，朱合华，梁仁旺.影响加筋水泥土力学性能因素的试验插钢筋水泥土力学性能的试验研究［J］.土木工程学报，2004，37(11):78-84.

［2］郑 刚，张 华.型钢水泥土复合梁中型钢—水泥土相互作用试验研究［J］.岩土力学，2007，28(5):939-943，950.

［3］于 宁.加筋水泥土力学性能的试验研究［D］.太原:太原理工大学，2000.

［4］梁仁旺，于 宁.加筋水泥土梁力学性能的试验研究［J］.岩土力学，2000，21(3):267-270.

［5］王 健.型钢水泥土组合梁抗弯模型试验［J］.地下工程与隧道，1997(3):21-25.

［6］孔德志，张庆贺，宋 杰.劲性水泥土连续墙抗弯刚度研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(11):1935-1938.

［7］孔德志，杨卫红.约束条件下钢梁的稳定性分析［J］.河南大学学报，2007，37(1):91-94.