关于沟槽切割再混合深墙变形机制及其应用的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Study on the deformation mechanism and application of trench cutting re-mixing deep walls

TRD复合支撑结构设计与力学分析；

　　

彭江|张淑坤

枣庄学院城市与建筑工程学院，中国山东省枣庄市277160

摘要

沟槽切割回填形成的深墙可以有效防止水分侵入和渗漏；然而，由于其较低的抗拉强度，它们不能作为露天基坑的独立主要支撑结构。因此，必须将它们与混凝土灌注桩结合使用，形成复合的主要支撑系统。但是，通过用H型钢梁替代混凝土灌注桩，可以显著提高墙体的刚性，从而形成一体化的墙体-桩主要支撑结构。主要支撑结构的变形是基坑开挖的关键参数之一。利用弹性基础-梁原理，针对两种边界条件（即钢梁顶端自由和钢梁顶端受盖梁约束的情况），推导出了钢梁应力、弯矩、旋转角度和水平位移的数学表达式。通过合理的参数设置，研究了主动土压力、被动土压力、开挖深度、钢梁间距以及基坑深度对钢梁水平位移的影响。

引言

沟槽切割回填形成的深墙（TRDs）具有较低的渗透性，被广泛用于各种地下工程中的防水屏障（Tan等人，2015年；Jiang等人，2020a年；Liu等人，2022年）。然而，在深而大的基坑中，由于土-水泥混合物的强度较低，TRDs无法作为主要支撑结构；因此，必须在TRDs外部建造混凝土灌注桩以提供足够的支撑强度（Jiang等人，2020b年；Jiang等人，2021年；Feng等人，2024年）。最终，TRDs分别用作支撑结构和防水屏障。这种做法增加了施工周期，并且在经济上效率低下，尤其是在深而大的基坑中。因此，缺乏有效提高TRDs强度的方法是限制其应用的主要问题之一。H型钢梁具有较高的刚性，可以插入TRD中未固化的土-水泥混合物中，形成兼具主要支撑和防水功能的结构，如图1所示。这种支撑结构可以替代混合混凝土桩，施工完成后H型钢梁可以被拔出，从而降低成本并显著扩大TRDs的应用范围。

含有H型钢梁的TRD是一种新型的基坑支撑结构。TRD的水平位移决定了基坑的变形趋势和坑周地面沉降量，因此它是施工质量和内部支撑设计的指标。此外，含有H型钢梁的TRD的水平位移受外部力的影响，因此应开展关于作用于这种联合支撑结构上的力的研究。

以往对土-水泥-钢复合支撑系统的研究产生了大量的数值和实验结果，并对其进行了解释。Tan等人（2015年）对使用TRD方法建造的等厚、连续的土-水泥墙体进行了数值模拟研究，其中嵌入了H型钢梁。通过三维“m”方法，他们研究了土-水泥与钢梁之间的相互作用以及这些构件的承载变形特性。他们的分析表明，土-水泥提供了侧向约束，从而防止了钢梁发生弯曲屈曲。在计算复合墙体的抗弯强度时，弯矩完全由钢梁承担。最弱的剪切面出现在钢与土-水泥的界面处。该最弱面的平均剪切应力不应低于土-水泥剪切强度的特征值。Jamsawang等人（2019年）使用PLAXIS 3D数值模拟软件研究了曼谷附近地区深水泥混合（DCM）墙体的弯矩和水平位移等其他参数，其结果与现场测试结果相符。Zheng和Zhang（2007年）在多种参数条件下实验研究了嵌入钢梁的土-水泥的变形特性，他们得出结论认为钢梁主要承受拉应力。尽管尚未开发出关键参数的显式函数，但这些函数可以使得TRD方法在工程实践和设计过程中得到直接应用。在本研究中，通过分析钢梁与土-水泥之间的相互作用机制，建立了一个力模型，并得到了TRD内H型钢梁水平位移的数学表达式（Wang等人，2023年；Liu等人，2024a年；Zhu等人，2025年）。虽然以往的研究主要集中在数值模拟上，但本文通过实际工程项目进行了深入研究和优化，具有重要的工程意义。

部分摘录

力模型

根据Wang等人的数值模拟结果，由于H型钢梁和土-水泥的刚性差异较大，H型钢梁承担了99%的弯矩（Wang等人，2023年）。计算中没有考虑土-水泥的刚性贡献。在同时包含H型钢梁和土-水泥的复合支撑系统中，作用在土-水泥上的水压和土压会传递给

TRD水平位移计算

盖梁是一种常用的露天基坑顶部支撑结构，可以减少基坑顶部的变形。然而，对于浅基坑来说，由于变形较小，不需要盖梁（Huang等人，2023年；He等人，2024年；Li等人，2024年）。因此，TRD水平位移计算方法根据是否使用盖梁分为两类。

现场测试

为了验证上述方程（37）的可靠性，进行了现场测试，以研究钢梁顶部的水平位移与梁埋深之间的关系。对比分析了测试结果和计算结果，以便为工程应用提供指导。

结论

• (1)
  在钢梁顶端不受约束的条件下，推导出了钢梁应力、弯矩、旋转角度和水平位移的数学表达式。基坑的最大水平位移发生在钢梁顶部，且大部分位移发生在初始开挖阶段。
• (2)
  当未考虑被动土压力的影响时，推导出了应力、弯矩

作者贡献声明

彭江：概念构思、形式分析、调查、撰写——初稿、可视化。张淑坤：方法论、验证、资源获取、撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。