Bi-layer diaphragm walls : experimental and numerical analysis
Authors:   , Segura Castillo Luis 
Published: July 2023

Leakage is a widespread problem associated with the construction of diaphragm walls whenever they are erected in water-bearing ground. The aim of the present research is to develop a new type of slurry wall: the bi-layer diaphragm wall (BL), which main objective is to tackle the aforementioned problem. The method to construct it is based on an existing solution: casting a second waterproof concrete layer against the diaphragm walls. In the BL technique, the second layer is made of steel fibre reinforced concrete (SFRC) sprayed over the conventional diaphragm wall (called Mono-Layer diaphragm wall (ML) in this thesis), including a waterproof admixture. The central idea is to maximize the functional attributes of the second layer, allowing it to play a structural role in addition to the waterproofing function.The proposed methodology is based on a combination of experimental works and numerical tools. A design method for the BL walls, which is based on an uncoupled structural-section model, is proposed. The method is later used to carry out different comparisons with ML walls and an exhaustive parametric analysis of the construction processes involved in the walls construction. The experimental campaign comprised test at two levels. At element level, the structural response of walls built in a real building located in Barcelona was studied and, at section level, the bond strength between concretes of cores extracted from the abovementioned walls was measured.The model at structural level, which is based on a finite element model, was contrasted with the results obtained in the experimental walls. The sectional analysis is taken from the specialized literature. With the complete structural-section model, the BL walls are analysed. The study shows that the main flexural resistance is provided by the first layer (the conventional diaphragm wall), providing the SFRC layer a secondary flexural resistance.For the geometrical ranges of the elements considered in the thesis (35 cm to 60 cm width first layer, and 10 cm width second layer) the increase in the cross-section ultimate bending resistance when it is strengthened by the SFRC layer is between 8% and 15%. This increase allows a reduction in the steel reinforcement of the first layer (up to 7.0% of the total flexural reinforcement) and, to some extent, it also collaborates with a displacement reduction (reducing up to 7.3% of the maximum displacements). It was also found that the spraying sequence is a crucial parameter to be able to take advantage of the SFRC collaboration, and specific indications are described.Good concrete to concrete bond strength was obtained for the extracted cores. The average shear strength value measured for each age (2, 6 and 35 days) was always above 1.0 MPa for the different cases. Beyond the local test performed, a monolithic behaviour was observed at element level in the experimental walls.A similar final material consumption was observed between the BL walls and the combined consideration of a ML wall and an external waterproof system. The consideration of the technology cost entails a higher construction cost for the BL technique. However, it is still an interesting option under particular circumstances, like space limitations or if continuous maintenance costs want to be avoided in the future.In general terms it can be said that the research herein presented lay the foundation for the development of the bi-layer diaphragm wall technique, which is a promising solution for the leakage problem of diaphragm walls. Nonetheless, more studies are needed to be able to fully use these types of walls as a standard technique, e.g. a detailed cost study and sustainability analysis, debonding risk, waterproofing capability and above all more full scale experimental cases.
Un problema habitual en la construcción de pantallas continuas en terrenos con presencia de agua es la existencia de filtraciones. El objetivo de esta tesis busca resolver este problema mediante el desarrollo de un nuevo tipo de pantalla: la pantalla bi-capa (BL, por sus siglas en inglés). El método para construir estos muros se basa en una solución existente: realizar una segunda capa de hormigón impermeable sobre los muros pantalla. En las pantallas BL, la segunda capa se realiza con hormigón con fibras de acero (SFRC) proyectado sobre las pantallas convencionales (llamadas ML en esta tesis) e incluyendo a su vez una adición impermeabilizante. La idea central es maximizar las funciones de la segunda capa, asignándole un rol estructural, además de la función impermeabilizante.
La metodología propuesta se basa en la combinación de trabajos experimentales y herramientas numéricas. Se propone un método de diseño para las pantallas BL basado en modelos estructura-sección desacoplados. Posteriormente se utiliza este método para realizar diferentes comparaciones con pantallas ML y un análisis paramétrico exhaustivo de distintos procesos constructivos involucrados en la construcción de las pantallas BL. La campaña experimental realizada comprende dos niveles: a nivel elemento, se estudió la respuesta estructural de pantallas construidas en un edificio real ubicado en Barcelona; a nivel seccional, se midió el nivel de adherencia entre ambas capas de hormigón mediante testigos extraídos de las pantallas antes mencionadas.
El modelo a nivel estructural, basado en elementos finitos, se contrastó con los resultados experimentales obtenidos. El modelo seccional se tomó de la bibliografía estudiada. Con el modelo estructura-sección completo se analizaron las pantallas BL. El estudio muestra que la principal resistencia flexional es aportada por la primera capa (el muro pantalla convencional), siendo secundario el aporte de la capa de SFRC.
Para el rango de elementos considerados en esta tesis (35 cm a 60 cm de espesor de primera capa y 10 cm de segunda), el incremento de la resistencia última a flexión cuando se considera el aporte de la capa de SFRC, está entre 8% y 15%. Este incremento permite una reducción en el acero de refuerzo de la primera capa de hasta un 7.0% del total del acero de flexión y, hasta cierto punto, también colabora con una reducción en los desplazamientos (alcanzando reducciones de hasta un 7.3% del desplazamiento máximo). Se observó también que la secuencia de proyección es un factor clave a la hora de aprovechar la colaboración extra aportada por la capa de SFRC. Indicaciones específicas se describen a este respecto.
Se obtuvo una buena resistencia de adherencia entre hormigones para los testigos extraídos. La resistencia media medida a cada edad (2, 6, y 35 días) estuvo siempre, para los distintos casos, por encima de 1.0 MPa. Más allá de los ensayos puntuales, se observó un comportamiento monolítico a nivel elemento para las pantallas BL experimentales.
Se obtuvo un consumo final de materiales similar entre pantallas BL y la consideración conjunta de una pantalla ML más un sistema impermeabilizante externo. Considerar los costos tecnológicos conlleva un costo constructivo mayor para las pantallas BL. Sin embargo, ésta es aún una opción interesante bajo consideraciones particulares, como limitaciones del espacio subterráneo interior o si se desean evitar costos continuos de mantenimiento.
En términos generales, se puede decir que la investigación aquí presentada sienta las bases para el desarrollo de la técnica de muros pantalla bi-capa, la cual es una solución prometedora para el problema de las filtraciones en pantallas. No obstante, son necesarios más estudios para poder usar plenamente este tipo de pantallas de forma habitual, e.g. estudios de sostenibilidad detallados, evaluación del riesgo de desprendimiento de la segunda capa, capacidad impermeable y, sobre todo, más ensayos experimentales a escala real