开挖支护用钢包体深层水泥混合墙
摘要：深水泥混合（DCM）墙在世界许多地方广泛用于支撑挖掘。在本文中，使用三维有限元模型并基于非线性多孔介质耦合理论，对以钢夹杂物组成的DCM墙支撑的开挖案例进行了分析。 DCM壁由宽凸缘钢夹杂物构成。使用摩尔-库仑模型的扩展版本模拟DCM壁截面的应力-应变行为，该模型考虑了DCM柱在屈服后的应变软化行为。将计算出的横向变形与现场测量值进行比较，以验证数值建模程序。使用相同的案例研究，研究了墙体在弯曲和剪切破坏模式下的内部稳定性。另外，研究了沿壁长度方向的侧向压力分布，因为在实际设计中，考虑了假定壁的刚性运动而考虑了均匀的压力分布。通过改变钢夹杂物之间的间距，壁厚和初始侧向土压力，进行了参数研究，以研究DCM墙在支护开挖中的可行性。根据参数研究的结果，也提出了指南，以选择DCM壁内钢夹杂物的最有效几何排列。
关键词：挖掘支持，深层水泥混合柱，钢夹杂物，有限元方法，应变软化，地面运动
1介绍
深层水泥混合(DCM)挡土墙在实践中被用于支持挖掘，因为它们提供了一些优势。它们具有以下功能:减小开挖引起的地面移动，增加承载能力，防止滑动破坏，减小基底隆起，作为截流屏障控制渗漏(Rutherford et al. 2005)。一般来说，这些墙是自支撑的重力结构或由外部元素如锚或支撑支撑的结构。由于水泥稳定土的抗拉强度很低，DCM墙不具备足够的侧向承载能力。因此，在实践中，夹杂物被用于DCM墙体，以提高抗拉强度。此外，为了有效地利用DCM墙体的抗压强度，同时减少拉应力的发展，采用了不同的柱形结构。
DCM墙的早期应用包括具有大横截面的重力挡土墙结构，以抵抗施加在其上的横向荷载，而没有任何钢夹杂物。Shao等人(1998)提出的在不连续腹板结构中采用一排排连续平行DCM墙的重力结构和Nicholson等人(1998)提出的垂直加土技术(VERT)墙都是不含钢夹体的重力墙的例子。在垂直墙系统中，在开挖前沿形成一排割线DCM柱。然后，在割线柱后面形成成行的隔离DCM柱，在保留的土壤中提供额外的竖向加固。DCM列之间的清晰间距和孤立列行数取决于所考虑的开挖问题。最后将DCM柱用各孔抛射出的土体浆料一起封顶，使DCM柱与土体构成复合重力墙，为堆载荷载的释放提供平台。Nicholson等人(1998)通过进行有限元建模，考虑到这些组合墙的配置，评估了间距、土壤水泥强度和布局模式的影响。Briaud等人(2000)建议加强垂直墙系统的前柱，以确保安全系数，防止由于弯曲而产生的拉应力产生开裂。基于德克萨斯州Aamp;M大学国家岩土试验基地的砂质土中建造的全尺寸垂直墙，他们讨论了五种变形模式:纯剪切变形、刚体旋转、刚体平移、刚体沉降和弯曲。
在实践中成功应用的另一种不加任何加固的DCM墙是拱形挡土墙。这是可能的，因为拱通过将其分解为压应力来支撑荷载，消除拉应力的发展。在Blackwell(1992)报告的一个案例研究中，一个圆形DCM柱结构由三个直径750毫米的同心无加固重叠柱组成，用来支撑人孔。Shao等人(2005)报道了一个拱形土方挡土结构的案例研究，该结构支撑了一个9米深的基坑，其中的墙体是使用一系列拱形结构建造的。每个拱的两端采用钢筋混凝土钻孔灌注桩进行约束。DCM挡土墙使用半圆形(多边形)结构Stoetzer et al.(2006)和Capelo et al.(2012)报道。
在建造拱形墙体时，使用传统方法形成圆形附加DCM柱，柱是由绕垂直轴旋转的螺旋形成的。然而，在实际施工中，平面墙比拱形墙施工更方便，尽管平面墙需要钢夹体来承载拉应力。2003年，德国Bauer Maschinen集团开发了Cutter Soil Mixing (CSM)技术，以提高平面墙体的施工效率。在平面墙体中，利用垂直的反向旋转轮围绕水平轴形成矩形重叠的DCM面板(Gerressen和Vohs 2012)。两种施工方法(附加DCM柱和CSM技术)均在浆料硬化前在平面墙体中插入宽翼缘梁，以提高挡土墙结构的侧向承载能力。近年来，带钢夹体的DCM墙在实践中广泛应用于基坑支护和许多工程中的防渗屏障(Yang 2003;Rutherford等人，2007;parmantieretal 2009;Gerressen 和 Vohs 2012)。
本文提出了一个三维数值模型的一个良好的文献案例研究。在这种情况下，平面DCM墙与钢夹用于支持挖掘，这是在旧金山岛溪运输/存储项目进行。本文采用莫尔-库仑弹塑性本构模型的扩展版本来考虑水泥稳定土的应变软化特性。ABAQUS/标准有限元程序用于有限元建模，Mohr-Coulomb模型的扩展版本，能够模拟水泥稳定土的应变软化行为，作为用户定义的子程序被纳入ABAQUS/标准。利用相同的问题，研究了DCM墙体在弯曲和剪切破坏模式下的稳定性。在实践中，考虑到墙体的刚性运动，假定作用于墙体长度的侧压力是均匀的。而对于有兵桩和木滞后的墙体体系，由于桩与木滞后之间存在着较大的刚度差异，木滞后的变形量往往高于桩。这导致较硬桩之间形成拱，形成压力沿墙长变化(MacNab 2002;佩尔科和博尔登2008年;Vermeer等人2001年)。由于夹钢DCM墙类似于木垫土兵桩，研究了夹钢DCM墙沿墙压力变化对整体性能的影响。最后，通过参数研究，探讨了钢夹体间距、作用在墙体上的侧压力和DCM墙体厚度对水泥稳定墙体内部应力变化的影响。基于这些结果，提出了选择最有效的钢夹体DCM墙体几何布置的指导方针。
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