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随着我国经济建设的快速发展,水利、建筑等建设领域的进步非常明显。地下工程开挖范围越来越广,建设规模也越来越大。在城市建设发展中,土地资源的利用率一直是个非常紧迫的问题。地下工程技术的发展为地下空间的利用开辟了一条新的途径,这也是未来城市建设的发展方向。因此,越来越多的高楼大厦、错综复杂的地下交通轨道以及各种规模庞大的地下商场不断出现。
地下连续墙是伴随着地下工程技术的发展而产生的,它最早起源于欧洲,意大利在1951年利用地下连续墙技术,在那不勒斯水库及米兰地下汽车道施工中构筑帷幕墙取得成功。20世纪50~60年代,地下连续墙技术在西方发达国家以及前苏联得到推广,成为地下工程和深基础施工中的有效技术。地下连续墙早期在我国主要是用于大坝防渗。目前,地下连续墙的施工技术已经很普通,日本使用这项技术最为广泛,目前已累计建成地下连续墙1500万m2。地下连续墙已经开挖到了地面以下140m,最薄的地下连续墙厚度仅有20cm,普遍厚度为60~100cm。
地下连续墙是利用成槽机设备先开挖一个狭长的槽段,然后在这个槽段内放置预制好的钢筋笼,最后在水下浇筑混凝土而成的。地下连续墙不仅具备能在多种土层中施工这个优点,而且还具有墙体刚度大、防渗效果好、施工效率高、质量可靠等等这些优点。正是基于这些优点,地下连续墙在深基坑开挖中越来越多地被用来支护挡土、结构承重以及防渗。但是,由于地下连续墙是在地面以下开挖,为了保证开挖的安全,必须要使用泥浆护壁,在保证安全的同时也产生了一些缺点,主要表现在:
1、开挖过程中会形成泥皮,它对地下连续墙侧摩阻力起到了很明显的负面效应;
2、开挖过程中不可避免地要产生沉渣,影响地下连续墙端阻力的发挥;
3、水下浇筑混凝土容易导致混凝土墙身缩颈、露筋,影响地下连续墙墙身承载力。
后压浆技术的应用对地下连续墙承载力提高起到的作用比较明显,地下连续墙后压浆技术是指在地下连续墙施工过程中,预先在钢筋笼内预置压浆管路,当墙身混凝土强度达到一定程度后用高压注浆泵特殊的浆液(工程中大多数为纯水泥浆液)的过程。
论文以天津站交通枢纽工程中单幅地下连续墙为研究对象,从物理机理、化学机理和力学机理三个方面分析了后压浆技术提高地下连续墙承载力的理论机理;运用有限元方法,结合工程实测数据进行对比,得出了后压浆技术提高地下连续墙承载力的幅度;通过有限元模拟地下连续墙墙端注浆,得出了注浆量和不同持力层对墙端注浆的地下连续墙承载力影响。
本文对地下连续墙后压浆技术的理论分析得出了以下三个方面的研究成果:
1、后压浆技术提高地下连续墙承载力的物理机理主要表现在胶结泥皮作用、充填挤密作用、渗透固结作用、劈裂加筋作用。对地下连续墙进行后注浆后,这四种作用改变了墙周和墙侧土体的性能,提高了土体强度。
2、后压浆技术提高地下连续墙承载力的化学机理主要是离子交换作用、充填胶结作用、化学胶凝作用和固化反应。注入的浆液和土体发生以上几种化学反应,和原有土体形成了新的聚合体,这个聚合体比原有土体的强度要大,提高了土体强度。
3、后压浆技术提高地下连续墙承载力的力学机理是注浆技术提高了墙周和墙侧土体的抗压强度和抗剪强度。浆液的注入占据了地下连续墙墙周和墙侧土体的孔隙,导致土体内孔隙水压力升高,土体有效应力σ'降低,土体变形减小,提高了土体的抗压强度;注入的浆液提高了影响抗剪强度的两个重要因素:粘聚力和内摩擦角,从而提高了墙周和墙侧土体的抗剪强度。
本文的创新点有以下几点:
1、从理论方面分析了后压浆技术提高地下连续墙承载力的物理机理、化学机理和力学机理;
2、建立了地下连续墙二维有限元模型,分别模拟了地下连续墙墙端压浆、墙侧压浆以及墙端墙侧混合压浆;
3、分析了地下连续墙墙端压浆时,不同注浆量对地下连续墙极限承载力的影响;
4、分析了地下连续墙墙端压浆时,不同持力层对地下连续墙极限承载力的影响。
本文通过研究得出的主要结论有:
1、地下连续墙墙端压浆或墙侧压浆对地下连续墙承载力的提高比较明显。对本文选取的模型计算结果显示了:墙端压浆时,承载力较未压浆地下连续墙提高了40.5%;墙侧压浆时,承载力较未压浆地下连续墙提高了46.2%;墙端和墙侧混合压浆时,压浆后的地下连续墙承载力较未压浆地下连续墙提高了96.1%。
2、在对地下连续墙墙端进行注浆时,注浆量越大(用注浆半径大小代表注浆量),极限承载力越高。在本文选取的模型中r=1.2m时,极限承载力提高比例为38.2%; r=1.4m时,极限承载力提高比例为40.5%; r=1.6m时,极限承载力提高比例为43.1%。
3、在不同持力层进行墙端压浆时,极限承载力提高幅度不一样。持力层为砾砂层时,墙端注浆提高地下连续墙极限承载力幅度最大,为49.6%;持力层为粉砂层次之,为43.7%;持力层为黏土层时,墙端注浆提高地下连续墙极限承载力幅度最小,为40.5%。
4、本文通过模拟墙端和墙侧地下连续墙注浆,计算结果与实测后压浆地下连续墙极限承载力相比仅降低了12.9%,考虑到建模过程中参数的选取和工程实例中存在一定的偏差,可以说明用ABAQUS软件对后压浆地下连续墙承载力模拟的这种方法可以用于指导工程实践。