TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙在基坑工程中的应用分析
由 项敏 13818186389 撰写
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摘要：在地下工程、防渗结构工程中，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙由于具有良好的抗弯强度和抗渗性能，且具有较高的稳定性和机械化作业，在工程中得到广泛的应用。与SMW工法、钻孔灌注桩以及地下连续墙相比，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的成墙机理、成墙施工方法以及其受力特征和变形特性均具有明显的不同。文章结合实际工程案例，分析了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的施工工艺以及应用范围，在此基础上针对TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的承载受力机理以及变形规律进行分析，结果与SMW工法进行对比分析。研究结果表明，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙能够充分利用水泥土和型钢两种材料的工作性能，统一协调地承担荷载和降低位移的峰值，进而提高TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的抗弯强度和刚度。关键词：TRD；水泥土搅拌墙；型钢；等厚度；基坑；变形；受力分析在城市的发展进程中，人口向城区集聚，地表修建了越来越多的建筑物，地上空间日益紧张，于是城市规划和建设人员将目光投向了地下，去寻找更为广阔的发展空间，因此修建了大量的地铁、地下商场、地下停车场等，以满足居民的出行和购物等需求然而，修建地下空间需要对土体进行开挖，尽管目前的开挖围护技术已经发展出了钻孔灌注桩、地下连续墙和SMW工法等各种围护技术，但是受到各种地质条件和工程建设环境的影响，每种围护结构都有各自的局限性，因此对于新型围护结构研发和利用的脚步一直未停歇。TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙就是近年来受到热捧的一种新型围护结构，其充分利用了钢材和水泥的物理力学特性，具有良好的止水性能和抗弯刚度，因而得到了广泛的应用。▍1 TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的施工工艺及应用在现有的基坑围护墙中，根据成墙方法以及工程特性的不同，可以分为钻孔灌注桩围护墙、地下连续墙、重力式挡土墙、高压旋喷桩、MJS桩以及SMW工法，并在此基础上发展出了具有高稳定性以及低渗透性的TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙工法。与其他的成墙方法相比，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙是通过液压驱动带有链锯的切割箱机械设备对土体进行搅动切割，形成渠式混合土，并向渠内喷射水泥浆液，使得土体与水泥浆液发生一系列的理化反应，黏土中的小颗粒与水泥胶体固化在一起，形成具有一定强度的水泥土墙，同时为了提高墙体的刚度，在渠内可以插入任意间距的型钢，可以大大减少设计的工作量。由于在成渠过程中链锯的运动是上下循环的，这迫使不同层位的土体颗粒充分混合、搅拌，形成性质均匀的墙体，改变了以往SMW工法中自上而下的柱状回旋喷射混凝土成孔，同时由于TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙工法的锯链切割箱是具有固定宽度的，因此在成墙方式上，避免了钻孔灌注桩柱列式厚度不等的缺点，形成的墙体厚度一致、表面平整、墙体力学性质均匀且连续无接缝。另外，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙工法的成墙能力大，最大深度可以达到60 m，同时TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙采用的液压驱动，具有强大的钻进和削切能力，相较于采用电动式驱动的高压旋喷桩等大大提高了其土层的适应性，可以广泛应用于从淤泥质土至坚硬全强风化花岗岩地层的成墙。TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙工法的具体施工操作流程如图1所示。在正式切削土体施作墙体之前，为了保证等厚度水泥土搅拌墙的施工参数保持一致，比如水泥掺量、削切速率等，应该在同一场地进行试验成墙。在正式成墙过程中，先放出墙体控制边线，在长度方向挖出施工沟槽，沟槽的宽度与墙体宽度一致，宽度为1.3 m、深度为1.0 m，并在沟槽两侧放置钢板，以避免设备的碾压造成槽壁坍塌影响切割箱的垂直度。随后挖出预埋穴以放置预埋箱，预埋穴的尺寸为3 mX2 mX 1 m。将第一节切割箱放入预埋穴并与切割箱主机连接，移动主机至设定的成墙位置，驱动切割箱对土体在全深度范围内做整体上下回转切割，并喷浆搅拌形成等厚度水泥土墙体。在墙体完成凝固前打入型钢以形成具有抗弯和抗渗的墙体。
由于TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙工法具有诸多优点，其在国内外基坑工程或者防渗地下墙体工程中得到广泛的应用。在国外，最早使用该工法的国家是日本。20世纪90年代初期，日本的东京地下工程、横滨OM大楼的施工中就采用了该工法，此后逐步发展形成了多种机械设备，分别为I型、II型和Ⅱ型，设备的成墙深度也从最初的10 m发展到了60 m，随后诸多发达国家引进了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙技术，并在美国、加拿大和新加坡等国家积累了大量的经验。我国杭州大通建筑工程有限公司在2005年关注到了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙技术的发展，总结出其具有安全性高、止水性强、施工精度高、掘削能力强、成墙质量高和施工深度深6大特点，并在2007年将TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙技术引进国内，在杭州市下沙等地过程中成功试验，随后TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙技术被应用于南昌绿地广场项目、武汉复地汉正街一期工程、苏州市轨道交通2号线天竺路站等工程中。▍2 TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的力学性能及变形特征 为了掌握TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的受力承载机理及其变形演变规律，有必要对其进行受力分析和变形计算。目前，应用最为广泛的TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙承载力计算方法有极限平衡法和弹性抗力法。前者采用的静力平衡的原理，将墙背的被动土压力和坑底的主动土压力均视为达到极限，墙体在静定结构下进行极限受力平衡计算，因此计算过程为最终的极限状态，无法考虑开挖过程以及基坑回填过程对受力和变形的影响。但是，由于采用的是极限状态分析方法，忽略了墙体已产生的水平位移对支撑力的作用，因此面对深度大、面积大且多支点的软土基坑时，采用极限平衡法计算的结果与真实结果偏离较大。而弹性抗力法则考虑了土体的变形对支撑的影响，将墙体背部的土体理想化为弹簧，在弹性阶段服从温克尔弹性地基梁假定，并随着逐步开挖加支撑以及逐步回填的过程中，将侧向土压力逐步地施加于墙体进行受力和变形计算，反映了施工过程的变化，计算结果更为精确和符合实际。在实际的受力与变形计算过程中，由于TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙使用了两种不同性质的材料，一种是水泥土，另一种是钢材，两种材料之间弹性模量差异巨大，需要采用等效原理将型钢与水泥土进行组合计算，等效的惯性矩和抗弯刚度分别如公式⑴和公式⑵所示。
在TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙中，要达到型钢材料的极限承载力之前，墙体就因为型钢与水泥土发生剪切位移而受到破坏，因此在计算过程中型钢与水泥土之间的抗剪强度十分重要。其计算原理仍然是型钢翼缘处水泥土墙体有效厚度的直接剪切，计算方法如公式（3)、公式（4）所示。
对于TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的变形，可以与钻孔灌注桩、地下连续墙、SMW工法等围护结构的变形计算一样，采用有限元法求解偏微分方程，如公式（5)、公式（6）所示。
▍3 TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙与SMW工法的对比分析以成都地铁30号线某地铁车站的施工为例，该工程的围护结构使用了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙施工，施工设备在常用的TRD60D型成槽机械与TRD80E型成槽机械之间进行比选（表1)，最终选择TRD80E型成槽机械，其拥有630 kVA的电容量，最大切削深度达到86 m，切割箱的箱体宽度增加到600 mm，具有强大的油缸行程和驱动压力。
施工场区的地层主要有11层，土层的抗剪强度较低，受到开挖卸载作用后容易产生大变形。地层从上至下分别为②粉质黏土层，③淤泥质粉质黏土夹黏质粉土层、④淤泥质黏土层、⑤1黏土层、⑤2黏质粉土夹粉质黏土层、⑤3粉质黏土层、⑤3，砂质粉土夹粉质黏土层、⑦2粉细砂层、⑧21粉质黏土与粉砂互层、⑨粉细砂层、⑪粉细砂层。各地层的渗透系数见表2。
运用有限元模拟软件对比分析SMW工法与TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的变形与受力，计算结果如图2和图3所示。
从图2中可以看出，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的墙身位移分布较为协调，位移峰值主要集中在坑底附近，深度范围在8.5 m和14 m范围，表明墙身水泥土与型钢之间的协调工作较密切，达到了位移的有效控制，而SMW工法的位移相对较高而且在上部（支撑位置）出现较为明显的位移峰值，不利于SMW工法中型钢与水泥土桩的协同工作，导致SMW工法桩的型钢滑移，出现位移破坏。从图3中可以看出，SMW工法与TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的弯矩分布形式较为一致，在深度范围内的峰值位置也较为相近，但在峰值大小上，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的弯矩比SMW工法有进一步的降低，表明TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙充分利用了水泥土的强度，型钢与水泥土之间能够统一协调地承载，达到型钢水泥土应力分布的均匀分布，提高了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的抗弯能力。
TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙作为一种新型地下工程围护结构，基于良好的止水效果和抗弯刚度，在地下防渗以及地下隔离结构中得到日益广泛的应用。与传统的钻孔灌注桩、SMW工法和地下连续墙相比，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙形成的墙体均匀、等厚度，且可在其内部任意位置插入H型钢，极大地降低了施工难度和设计难度，同时又保证了结构的稳定性。与传统的工法相比，等厚度型钢水泥土搅拌墙的成墙机理、成墙施工方法以及其受力特征和变形特性均具有明显的不同。本文结合实际工程案例，分析了TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的施工工艺以及应用范围，在此基础上针对TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的承载受力机理以及变形规律进行分析，并将其与SMW工法进行了对比分析。研究结果表明，TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙能够充分利用水泥土和型钢两种材料的工作性能，统一协调地承担荷载和降低位移的峰值，进而提高TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙的抗弯强度和刚度。研究成果可为TRD等厚度型钢水泥土搅拌墙在基坑工程以及地下隔离工程中的应用提供技术参考。
作者：邓友涛
编辑整理：项敏
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