CN112796277A - 一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构 - Google Patents

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胡邓平
郭成超
曹鼎峰
王锐松
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Abstract

本发明公开了一种工字钢桩‑钢面板‑高聚物复合层的挡土结构，所述挡土结构包括钢面板、钢桩与高聚物防渗层，所述钢桩垂直焊接于所述钢面板的一侧；所述高聚物防渗层填充与所述钢面板的另一侧。本发明优点在于，高聚物注浆的存在，就像在钢板后增加了一个超薄的“弹性压缩层”，有效控制了土体的变形空间，土压力会首先作用于高聚物防渗层，然后作用于钢板挡土结构，高聚物注浆材料的弹性形变，可使主动土压力减小，进而导致挡土结构的的弯矩和剪力减小，以致在自身抗弯刚度不变的情况下，挡土结构的变形量也相应减小。

Description

一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构
技术领域
本发明涉及高聚物材料技术领域，具体涉及一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构。
技术背景
近年来，我国水利基础设施的建设取得了较为瞩目的成就。目前已建堤防总长达41万公里，各类水库9.8万多座，是我国防洪减灾领域的重要组成部分，然而我国堤防建设历史悠久，多经历年加高倍厚而成，建筑质量不足，隐患多、地质条件复杂，汛期险情频发。同样，已建水库中，病险率达57.1％，大部分中小型病险水库都需要进行防渗加固。这些水利设施一旦失事，影响重大，严重威胁人民生命财产安全。因此，急需提高水利基础设施的防渗加固技术与装备水平。
目前现行的防渗加固技术包括混凝土防渗墙、水泥土搅拌桩、高压喷射灌浆技术等，然而这些技术的共性问题包括对堤坝扰动破坏大，施工周期长，效率不足，设备庞大施工不便，成墙厚度过大等限制了其进一步的应用。另一方面灌浆材料如水泥浆类、水泥黏土浆液、超细水泥浆液等各种改性水泥浆液是目前各个工程实践中的主要材料。但是其凝结时间长、易离析泌水收缩开裂、刚度大等缺点限制了其进一步应用。化学灌浆是在悬浊液灌浆基础上发展起来的。化学浆液中主要包括水玻璃类、丙烯酰胺类、木质素类、环氧树脂类、鉻木素类、脲醛树脂类等。但以上材料与土体固结效果差、固结体抗渗性不足、耐久性差，会对环境产生一定污染，同样影响其对堤坝的防渗加固效果。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种工字钢桩-钢面板- 高聚物复合层的挡土结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，所述挡土结构包括钢面板、钢桩与高聚物防渗层，所述钢桩垂直焊接于所述钢面板的一侧；所述高聚物防渗层填充与所述钢面板的另一侧。
需要说明的是，所述钢桩深插于土体中。
需要说明的是，当所述钢面板厚度为6mm-9mm，支护强度大。
需要说明的是，所述钢面板厚度为6mm，支护强度大。
需要说明的是，所述高聚物防渗层的厚度为20mm。
本发明的有益效果在于：
(1)提供了复合式可回收装配式基坑的施工方法，将基坑开挖到回填整套工序应用于实例工程。结合实例工程，通过现代监测方法得到装配式支护技术基坑侧壁水平位移的实测值仅为3mm，采用传统桩锚支护同深度基坑侧壁水平位移实测值高达25mm，说明装配式基坑在控制位移变形方面的巨大优越性。
(2)通过在钢面板不同位置上粘贴应变片，验证了在钢面板上左侧测试点与右侧测试点的应变值比中间位置的应变值要小，中间位置钢面板承受的弯矩最大，产生的拉应变最大，钢面板中间位置为最大变形位移产生的位置，同时验证了距离基坑中轴线越近的位置应变值越大。同时得到随着基坑开挖深度的增加，应变测试值成倍数关系增加，装上腰梁后应变值变小。
(3)通过设计模型试验与现场监测进行验证，得到应变值的变化规律随着开挖步和开挖深度的增加而增加，上层应变片的应变值在上层开挖时因为对土体扰动较大，第一步开挖应变片变化的幅值是后几步变化总和的3倍，模型试验箱中支护结构长边承受土体的弯矩较大，短边承受的弯矩较小，在同一竖直方向上应变片的应变值变化幅度，处于上层的的应变片的应变变化幅值，在开挖深度与应变片的深度位置一致时，变化幅值是相邻开挖步变化幅值的8-10倍，从数据分析方面分析可得到，在具体工程中，随着开挖步的进行，分层装配钢面板能够防止开挖层土体扰动。
(4)建立了装配式基坑开挖有限元模型，当挡土结构钢板厚度的增加，最大变形量逐渐减小，当钢面板厚度大于6mm时，挡土支护结构的最大变形累积值均未超过20mm，未达到支护结构变形的最大预警值25mm。随着钢面板厚度的增加，基坑在开挖过程中的最大变形量变小，在钢板厚度达到10mm以上时，最大变形量逐渐趋于平稳，随着挡土结构钢面板厚度的增大，长边钢面板和短边钢面板的变形量都成二次抛物线的递减关系。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明有限元模型中支护结构及土体的Mises应力等值线参考图；
图3为本发明三方向应力等值线参考图，其中(a)为竖向应力等值线、(b)为水平方向应力等值线、(c)为土体垂直方向应力等值线；
图4中的(a)、(b)、(c)、(d)所示统计得到不同开挖步中钢板侧向位移的最大变形量。
具体实施例
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，所述挡土结构包括钢面板1、钢桩2与高聚物防渗层，所述钢桩2垂直焊接于所述钢面板1的一侧；所述高聚物防渗层填充与所述钢面板1的另一侧。
需要说明的是，所述钢桩深插于土体中。
需要说明的是，当所述钢面板厚度为6mm-9mm，支护强度大。
需要说明的是，所述钢面板厚度为6mm，支护强度大。
需要说明的是，所述高聚物防渗层的厚度为20mm。
实施例
钢板挡土数值分析结果
在有限元数值分析数值计算过程中，本文采用修正剑桥模型(MCC) 进行计算，在abaqus有限元软件中选择Mechanical→Plasticity→ Clay→Plasticity设置修正剑桥(MCC)塑性参数，其中γ/(KN/m3)、 e1、λ、κ、M、ν分别取值19.8、1.22、0.0662、0.005、1.28、0.25。得到钢板桩附近miss应力大部分分布在2.357×103Pa，有限元模型中支护结构及土体的Mises应力等值线可见图2(a)、(b)，结构较稳定，三维空间中应力σx、σy、σz分别代表S11、S22、S33，如图3可得S33(竖向应力等值线)、S22(水平方向应力等值线)、S11(土体垂直方向应力等值线)，总体可以看出工字钢桩支护土体周边土体应力相对较小，在支护结构内侧的土体开挖后，开挖面及地表侧都没有应力集中的现象，桩底处土体的应力应变也相对较小，故建立的有限元模型的分析比较合理。选择Other→Pore Fluid→ Permeability设置渗透系数，Types默认为Isotropic(各项同性)，流体比重设为10000，k值两组分别设计为0.0001和0.001，在渗透系数中分别设计Void Ratio的参数为0.75和1.22。
在边界条件方面，选择U1完成垂直模型轮廓方向的位移约束，由于无安装腰梁，对钢桩顶部施加垂直支护面的约束，就能较全面的研究钢面板结构的侧移变形，由U3方向的竖向位移分析可知，地表方向的沉降较小，开挖基坑底部有隆起的现象，主要由于开挖到一定深度后，基坑底部土体隆起，有渗流现象，隆起位移相对较大，但都在允许的范围之内。基坑水平方向累积位移值小于25mm，从水平方向上的位移分析等值图可得，支护结构位置的位移分布为较小值，这说明采用钢面板-钢桩支护结构的合理性，钢面板和支护桩位置的水平位移值较小，较好的满足工程安全的特性。通过abaqus数值分析得到支护结构的整体位移中，三个方向的整体矢量位移也相对较小，在支护结构及钢面板附近也没出现较大的位移和变形，在基坑底部有较大的隆起，这主要是由于基坑开挖到一定深度时，基坑底部有渗流的现象，同时表现在基坑开挖过程中，由于基坑土的卸载，会导致基坑底部土体回弹，主要是表现为弹性回弹，整体结构表现得较稳定，同时支护结构和钢面板附近的位移较小。
钢面板的变形量会随着开挖深度的增加而变大，这样会使钢面板背离土体的方向发生移动，出现土拱变形的现象。在下图4(a)、 (b)、(c)、(d)中T10、T20、T30分别代表在钢面板后设置高聚物的厚度分别为10mm、20mm、30mm。在abaqus数值计算模型中，高聚物层的弹性模量分别设置为200MPa，高聚物凝结后的密度设计为300kg/m3，泊松比为0.25，饱和时的渗透系数为1×107。横坐标Ai、Bi、Ci、Di分别代表开挖步依次增加1.5m时，得到钢面板的最大变形量，在实际使用过程中发现，在工字钢桩之间，钢面板的厚度大小，会直接影响钢面板-高聚物挡土结构的整体侧向位移，选取钢面板厚度分别为3mm、6mm、9mm和12mm分别建立abaqus有限元分析模型，如图4(a)、(b)、(c)、(d)所示统计得到不同开挖步中钢板侧向位移的最大变形量。
通过图4分析得到，当钢面板厚度设计为3mm时，钢面板为3mm 时的变形较大，最大变形量超过10mm，在增加高聚物防渗层厚度时，钢面板的变形量还是较大，这说明当钢面板的厚度为3mm时，在工程支护中的强度不够大，高聚物层在钢面板面层结构较薄时，不能弥补钢结构和土体的刚度差异，起不到缓冲变形的作用。当钢面板厚度为 6mm与9mm时，最大变形量的变化不大，这说明当钢面板厚度超过6mm 时，在基坑深度小于10m时，在土压力的作用下，钢面板已经具有足够的强度，随着高聚物厚度的增加，整体结构变形会变小。当钢面板的厚度为9mm时，结构的整体变形量与钢面板厚度为6mm时相比较，变形在一定程度上减小，当钢面板厚度设计为12mm时，钢面板的最大侧移变形量相对钢面板厚度为9mm时变化不大，波动范围较小，在装配式支护工程中，考虑材料使用的经济性，这时比较适宜将钢面板厚度设计为6mm，高聚物防渗层的厚度适宜设计为20mm，基坑累积的变形值小于25mm，基坑整体变形处于稳定状态。
针对基坑上面有限元分析值可以得出，在考虑渗流的条件下，基坑整体处于稳定状态，未达到支护结构的监测报警值。基坑土压力变化趋势，一般在均匀土质的作用下，会随着基坑深度开挖深度的增加，分层土压力逐渐变大。在基坑开挖深度小于3m时，钢面板后的土压力会略小于静止土压力，钢面板后土压力都会随着基坑开挖深度增加而变大。高聚物注浆的存在，就像在钢板后增加了一个超薄的“弹性压缩层”，有效控制了土体的变形空间，土压力会首先作用于高聚物防渗层，然后作用于钢板挡土结构，高聚物注浆材料的弹性形变，可使主动土压力减小，进而导致挡土结构的的弯矩和剪力减小，以致在自身抗弯刚度不变的情况下，挡土结构的变形量也相应减小
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，其特征在于，所述挡土结构包括钢面板、钢桩与高聚物防渗层，所述钢桩垂直焊接于所述钢面板的一侧；所述高聚物防渗层填充与所述钢面板的另一侧。
2.根据权利要求1所述的工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，其特征在于，所述钢桩深插于土体中。
3.根据权利要求1所述的工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，其特征在于，当所述钢面板厚度为6mm-9mm，支护强度大。
4.根据权利要求3所述的工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，其特征在于，所述钢面板厚度为6mm，支护强度大。
5.根据权利要求1所述的工字钢桩-钢面板-高聚物复合层的挡土结构，其特征在于，所述高聚物防渗层的厚度为20mm。
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