型鋼水泥土墻中水泥土對型鋼的約束反力試驗研究★

王 顯 孔德志

(河南大學材料與結構研究所，河南開封 475004)

0 引言

當前基坑支護系統中，型鋼水泥土連續墻，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用［1］。目前型鋼水泥土連續墻技術取得了很大的進展，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備能夠保證墻體厚度相同的技術也已經出現，即RDT工法。

型鋼水泥土連續墻技術中，設計時一般認為水泥土僅起止水作用，而墻背的水土壓力由型鋼承擔［4-6］，也就是只對強度進行了計算，缺乏對型鋼的穩定性驗算。實際型鋼水泥土連續墻在工作過程中，型鋼的穩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是一個很關鍵的問題。本文就是通過試驗來探討水泥土對型鋼的約束情況，為進一步研究型鋼的穩定性奠定基礎。

1 試驗材料及試件制備

1.1 試驗材料

水泥土:選用開封地區的砂質粉土，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JGJ/T 199-2010型鋼水泥土攪拌墻技術規程以及GB/T 50152-2012混凝土結構試驗方法標準，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，在鋼板下面預埋土壓力盒，根據表1中的各項參數，進行支模澆筑做出三組試件，澆筑后48 h拆模進行自然養護，28 d后進行試驗。為了了解水泥土性能，同期制作相應的水泥土試塊，以便進行強度試驗。

圖1 試件尺寸（單位：mm）

表1 各試件的參數

2 加載和測量方案

對試件的施壓是在液壓萬能試驗機上進行的，通過預估承載力，加載采用分級加載，每級加載待穩定后停留5 min記錄一次數據。土壓力盒的應變值每一級加載保留兩組數據求平均值。在鋼板兩側端部通過布置百分表對每一塊鋼板的位移進行實測。每一塊鋼板的兩側在不同位置布置兩個百分表分別讀數，同樣取平均值。加載及測量方式見圖2，圖3。

3 試驗結果及分析

在對試件加載前，參照混凝土試驗標準先測量出水泥土試塊的強度，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，結果見圖4。

圖4 鋼板約束反力和位移關系曲線圖

通過圖4中所作的鋼板受到的約束反力和位移關系曲線進行分析可以發現二者近似呈現拋物線的關系，可以大致擬合出二者的關系式，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。由于在實際工程中，型鋼的側移是達到一定程度突然發生的，在失穩之前型鋼的側移為零，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。因此，可以這樣定義水泥土對鋼板的約束反力系數k:

其中，k為約束反力系數，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k，見表3。

由以上數值，我們可以進一步繪制出水泥土強度f和水泥土對鋼板的約束反力系數k的關系曲線，見圖5。

表3 水泥土對鋼板的約束反力系數k

圖5 約束反力系數與水泥土強度曲線

通過對約束反力系數與水泥土強度曲線的分析，可以發現二者近似呈現線性關系，可以擬合出二者的關系式為:

其中，k為約束反力系數，N/cm3;f為水泥土強度，MPa。

4 結語

通過本次試驗及分析，可以得出以下結論:

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系;

2)約束反力系數k隨著水泥土強度的增大而增大，并且與水泥土強度成線性關系;

3)在實際工程的型鋼水泥土連續墻的設計中，應當使水泥土有足夠的強度，能使水泥土與型鋼緊密的結合，二者協同工作，水泥土對型鋼的約束反力能夠有效的發揮，從而使型鋼的穩定性得到保證。

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

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

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

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

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

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

［7］孔德志，楊衛紅.約束條件下鋼梁的穩定性分析［J］.河南大學學報，2007，37(1):91-94.