型鋼水泥土墻中水泥土對型鋼的約束反力試驗(yàn)研究★

王 顯 孔德志

(河南大學(xué)材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南開封 475004)

0 引言

當(dāng)前基坑支護(hù)系統(tǒng)中，型鋼水泥土連續(xù)墻，由于其密封性能好且能滿足止水的要求，在基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前型鋼水泥土連續(xù)墻技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，既有相互交接的水泥土樁插入型鋼形成的墻體［2，3］，即 SMW 工法;同時，近年來，有采用履帶式攪拌設(shè)備能夠保證墻體厚度相同的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)，即RDT工法。

型鋼水泥土連續(xù)墻技術(shù)中，設(shè)計時一般認(rèn)為水泥土僅起止水作用，而墻背的水土壓力由型鋼承擔(dān)［4-6］，也就是只對強(qiáng)度進(jìn)行了計算，缺乏對型鋼的穩(wěn)定性驗(yàn)算。實(shí)際型鋼水泥土連續(xù)墻在工作過程中，型鋼的穩(wěn)定性是通過水泥土的約束來保證的［7］，而水泥土對型鋼的約束系數(shù)是一個很關(guān)鍵的問題。本文就是通過試驗(yàn)來探討水泥土對型鋼的約束情況，為進(jìn)一步研究型鋼的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試件制備

1.1 試驗(yàn)材料

水泥土:選用開封地區(qū)的砂質(zhì)粉土，摻入普通硅酸鹽水泥攪拌而成;

型鋼:選用Q235鋼板，厚度為6 mm。

1.2 試件制備

參照J(rèn)GJ/T 199-2010型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程以及GB/T 50152-2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，試件的尺寸如圖1所示，為了獲取水泥土對鋼板的約束反力，在鋼板下面預(yù)埋土壓力盒，根據(jù)表1中的各項參數(shù)，進(jìn)行支模澆筑做出三組試件，澆筑后48 h拆模進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。為了了解水泥土性能，同期制作相應(yīng)的水泥土試塊，以便進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 試件尺寸（單位：mm）

表1 各試件的參數(shù)

2 加載和測量方案

對試件的施壓是在液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，通過預(yù)估承載力，加載采用分級加載，每級加載待穩(wěn)定后停留5 min記錄一次數(shù)據(jù)。土壓力盒的應(yīng)變值每一級加載保留兩組數(shù)據(jù)求平均值。在鋼板兩側(cè)端部通過布置百分表對每一塊鋼板的位移進(jìn)行實(shí)測。每一塊鋼板的兩側(cè)在不同位置布置兩個百分表分別讀數(shù)，同樣取平均值。加載及測量方式見圖2，圖3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在對試件加載前，參照混凝土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)先測量出水泥土試塊的強(qiáng)度，見表2。

圖2 加載及測量方式

圖3 位移測量方式

表2 水泥土試塊強(qiáng)度

通過對水泥土對鋼板約束反力以及鋼板位移的測量，可以繪制出不同水泥摻入比試件的約束反力與位移曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 鋼板約束反力和位移關(guān)系曲線圖

通過圖4中所作的鋼板受到的約束反力和位移關(guān)系曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)二者近似呈現(xiàn)拋物線的關(guān)系，可以大致擬合出二者的關(guān)系式，式(1)～式(3)分別為:

水泥摻入比為20%時:

水泥摻入比為15%時:

水泥摻入比為10%時:

其中，P為水泥土對鋼板的約束反力，kPa;s為鋼板位移，mm。

通過擬合曲線和關(guān)系式，可以近似求出不同水泥摻入比的水泥土對鋼板的約束反力系數(shù)。由于在實(shí)際工程中，型鋼的側(cè)移是達(dá)到一定程度突然發(fā)生的，在失穩(wěn)之前型鋼的側(cè)移為零，所以我們可以取鋼板位移為零處曲線的斜率作為約束反力系數(shù)。因此，可以這樣定義水泥土對鋼板的約束反力系數(shù)k:

其中，k為約束反力系數(shù)，N/cm3;其他符號意義同前。

由定義式(4)求出水泥土對鋼板的約束反力系數(shù)k，見表3。

由以上數(shù)值，我們可以進(jìn)一步繪制出水泥土強(qiáng)度f和水泥土對鋼板的約束反力系數(shù)k的關(guān)系曲線，見圖5。

表3 水泥土對鋼板的約束反力系數(shù)k

圖5 約束反力系數(shù)與水泥土強(qiáng)度曲線

通過對約束反力系數(shù)與水泥土強(qiáng)度曲線的分析，可以發(fā)現(xiàn)二者近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，可以擬合出二者的關(guān)系式為:

其中，k為約束反力系數(shù)，N/cm3;f為水泥土強(qiáng)度，MPa。

4 結(jié)語

通過本次試驗(yàn)及分析，可以得出以下結(jié)論:

1)通過分析約束力與位移的曲線，可以大致得出約束反力與位移近似成拋物線的關(guān)系;

2)約束反力系數(shù)k隨著水泥土強(qiáng)度的增大而增大，并且與水泥土強(qiáng)度成線性關(guān)系;

3)在實(shí)際工程的型鋼水泥土連續(xù)墻的設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)使水泥土有足夠的強(qiáng)度，能使水泥土與型鋼緊密的結(jié)合，二者協(xié)同工作，水泥土對型鋼的約束反力能夠有效的發(fā)揮，從而使型鋼的穩(wěn)定性得到保證。

［1］于 寧，朱合華，梁仁旺.影響加筋水泥土力學(xué)性能因素的試驗(yàn)插鋼筋水泥土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報，2004，37(11):78-84.

［2］鄭 剛，張 華.型鋼水泥土復(fù)合梁中型鋼—水泥土相互作用試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(5):939-943，950.

［3］于 寧.加筋水泥土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［D］.太原:太原理工大學(xué)，2000.

［4］梁仁旺，于 寧.加筋水泥土梁力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2000，21(3):267-270.

［5］王 健.型鋼水泥土組合梁抗彎模型試驗(yàn)［J］.地下工程與隧道，1997(3):21-25.

［6］孔德志，張慶賀，宋 杰.勁性水泥土連續(xù)墻抗彎剛度研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(11):1935-1938.

［7］孔德志，楊衛(wèi)紅.約束條件下鋼梁的穩(wěn)定性分析［J］.河南大學(xué)學(xué)報，2007，37(1):91-94.