地鐵車(chē)站地下連續(xù)墻泥漿槽壁的穩(wěn)定性分析

徐永浩

0 引言

目前,全國(guó)很多大城市都有多條同時(shí)開(kāi)工建設(shè)的軌道交通線路。地鐵車(chē)站基坑一般開(kāi)挖較深,為了減小基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響,基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般選用具有墻體剛度大、整體性強(qiáng)、可逆作法施工等優(yōu)點(diǎn)的地下連續(xù)墻。然而地連墻有它自身的缺點(diǎn)和尚待完善的方面,其中槽壁坍塌問(wèn)題是一個(gè)必須引起重視的問(wèn)題。造成槽壁坍塌的原因很多:地下水位急劇上升、護(hù)壁泥漿液面急劇下降、含有軟弱疏松或砂性?shī)A層、泥漿的性質(zhì)不當(dāng)或者已經(jīng)變質(zhì)等。槽壁坍塌輕則引起墻體混凝土超方和結(jié)構(gòu)尺寸超過(guò)允許的界限,重則引起相鄰地面沉降、坍塌,危害鄰近建筑和地下管線的安全[1]。因此對(duì)地連墻槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析具有重要的研究意義。由于槽壁穩(wěn)定的機(jī)理十分復(fù)雜,至今仍無(wú)明確定論,三維分析法更能反映槽壁失穩(wěn)的真實(shí)破壞情況,因而得到了廣泛的重視和應(yīng)用。目前分析泥漿槽壁穩(wěn)定的三維分析方法較多,常用的破壞體模型[2]有拋物線柱體、半圓柱體、楔形體等模型。由于不同模型的假設(shè)條件不同,得到的結(jié)果也不同。

1 影響槽壁穩(wěn)定的因素

地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性受到土層地質(zhì)特性、護(hù)壁泥漿性能以及泥漿液面超高等多種因素綜合影響[3,4]。

1.1 土層地質(zhì)條件

毫無(wú)疑問(wèn),地基土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是影響開(kāi)挖穩(wěn)定性的主要因素之一。此外,土的密實(shí)度對(duì)穩(wěn)定也有影響。不同土層條件下成槽過(guò)程中的穩(wěn)定性特征不同,如地下水位、土體的滲透性等,均對(duì)槽壁穩(wěn)定有相當(dāng)影響,特別是地下水位高低影響更為突出。地下水位高低的影響主要在于地下水與槽內(nèi)水之間的壓差,壓差是泥皮形成和高分子滲入膠結(jié)深度的主要因素,泥皮形成和高分子滲入膠結(jié)所形成的膠結(jié)作用又是槽壁穩(wěn)定的重要因素。因此,地下水位的高低直接關(guān)系著槽壁的穩(wěn)定,壓差小,則泥皮不容易形成,高分子也不容易滲入到土體內(nèi),形成的膠結(jié)作用很弱,不利于槽壁的穩(wěn)定。

1.2 護(hù)壁泥漿性能

泥漿具有一定的重度,將會(huì)對(duì)槽壁產(chǎn)生靜水壓力,可有效抵抗槽壁上水平土壓力和水壓力,形成槽段內(nèi)的液體支撐,從而防止槽壁坍塌和剝落。泥漿重度與槽壁穩(wěn)定呈正趨勢(shì)關(guān)系,泥漿重度越大,護(hù)壁作用越強(qiáng),槽壁就越穩(wěn)定。

1.3 泥漿液面超高

如果泥漿重度過(guò)高,將會(huì)影響泥漿的泵送循環(huán)和泥土分離。因此,在泥漿重度達(dá)到優(yōu)化值而不能繼續(xù)提高以增大槽壁穩(wěn)定性時(shí),可通過(guò)泥漿液面超高來(lái)實(shí)現(xiàn)護(hù)壁泥漿的高內(nèi)撐壓力。

1.4 施工單元槽段的劃分

單元槽段的長(zhǎng)度決定基槽的長(zhǎng)深比,而長(zhǎng)深比的大小影響土拱作用的發(fā)揮,而土拱作用影響土壓力的大小,一般長(zhǎng)深比越大,土拱作用越小,槽壁越不穩(wěn)定。

2 泥漿槽壁穩(wěn)定性分析

2.1 基本假設(shè)

1)土體為各向同性的均質(zhì)體;2)滑裂體為剛性體且不考慮內(nèi)部變形;3)滑動(dòng)面為傾斜的平面。

2.2 模型建立

假設(shè)槽壁的破壞體為一具有傾斜滑動(dòng)面的半橢圓形,滑動(dòng)面與水平面成α角,橢圓形的開(kāi)口朝向泥漿槽,開(kāi)口寬度等于泥漿槽段長(zhǎng)度為 l,拋物線頂點(diǎn)到泥漿槽壁的距離為b,槽深為 h,見(jiàn)圖1。

滑動(dòng)面在XOY面的投影方程為:

以下是半橢圓柱體模型的幾何參數(shù)的求解步序。

1)地下水位以上破壞體體積為:

2)滑動(dòng)面DC下的體積:

3)地下水位以下的破壞體體積為:

4)滑裂體側(cè)面積:為了計(jì)算簡(jiǎn)便,滑裂體的側(cè)面積取相應(yīng)的三棱柱的側(cè)面積,如圖3所示。

5)滑裂體底面積:

其中,b為破壞體厚度,m;h為破壞體高度,m;l為泥漿槽段長(zhǎng)度,m;hw為地下水位到破壞體底部的高度,m;α為滑動(dòng)面與水平面的夾角,(°)。

2.3 受力分析

破壞體所受的力包括:自重 W,破壞體范圍內(nèi)的地面荷載P,側(cè)面粘聚力C側(cè),滑動(dòng)面上的抗剪力Ps以及滑動(dòng)面法向反力N等。各力的示意見(jiàn)圖3。

1)破壞體自重 W。地下水位以上的土雖然處于毛細(xì)狀態(tài),但是仍按照天然重度算。地下水位以下土的重度取有效重度。

其中,γ為地基土的重度,kN/m3;γw為地下水的重度,kN/m3。

2)滑裂體的側(cè)向粘聚力 C側(cè)。

3)護(hù)壁泥漿壓力Pf。泥漿具有一定的重度,泥漿在槽內(nèi)將對(duì)槽壁產(chǎn)生一定的靜水壓力,可抵抗作用在槽壁上的側(cè)土壓力和水壓力,相當(dāng)于一種液體支撐,可防止槽壁坍塌和剝落。泥漿的護(hù)壁作用首先表現(xiàn)為泥漿的靜水壓力作用,但泥漿是具有觸變性的特殊流體材料,對(duì)維持槽壁穩(wěn)定起到維持靜態(tài)液壓的作用[5]。根據(jù)Bishop推出的結(jié)果,對(duì)于深槽泥漿護(hù)壁泥漿壓力為:

其中,hf為泥漿液面到破壞體底部的高度,m。

4)地下水壓力 Pw。采用傳統(tǒng)的“水土分算”方法,將地下水單獨(dú)抽出來(lái)作為外荷載施加于滑裂體上,由于挖槽施工過(guò)程較短,所以不考慮滲流力作用。

5)滑動(dòng)面法向反力N。由滑動(dòng)面法線方向力的平衡方程可得:6)滑動(dòng)面抗剪力 Ps?；瑒?dòng)面的抗剪力為滑動(dòng)面摩擦力與粘聚力之和,即:

其中,γf為泥漿重度,kN/m3;c為土體單位面積粘聚力,kN/m2;cf為泥漿單位面積粘聚力,kN/m2。

2.4 槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)

槽壁穩(wěn)定性的安全系數(shù)可以表示為[7]:

其中,Fs為槽壁的整體穩(wěn)定安全系數(shù);Ff為滑動(dòng)面土的抗剪力;F為平衡滑動(dòng)體需要的滑動(dòng)邊界上的剪力。根據(jù)以上推導(dǎo)可得滑動(dòng)面土體的抗剪力:

滑動(dòng)體的下滑力:

將式(14),式(15)代入式(13),可得槽壁穩(wěn)定性的安全系數(shù):

2.5 泥漿最小重度

取Fs=1,將各力的表達(dá)式代入式(16)得到泥漿最小重度:

2.6 算例分析

取文獻(xiàn)[2]的算例:地下墻深度37.5 m,地基土平均重度 γ=18 kN/m3,粘聚力 c=10.7 kPa,內(nèi)摩擦角 φ=23°,地下水標(biāo)高 hw=3.19 m,地面超載q=40 kN/m2。計(jì)算中固定開(kāi)挖槽段的長(zhǎng)度為6 m及滑動(dòng)體的高度為地連墻深度37.5 m。將已知值代入式(17),得到當(dāng)破壞體厚度 b=4.2 m,滑動(dòng)面傾角 α=58.3°時(shí),最小泥漿重度γf=8.832。

3 槽壁穩(wěn)定措施

為防止地下連續(xù)墻的槽壁失穩(wěn)影響周?chē)h(huán)境的安全,可采用以下措施:1)加固槽壁土體;2)減小槽幅長(zhǎng)度;3)抬高泥漿液面或降水以加大墻槽內(nèi)外的液面高差;4)適量提高泥漿比重。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文對(duì)影響槽壁穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行了分析并提出了防治地下連續(xù)墻槽壁失穩(wěn)的一系列具體措施。2)文中對(duì)槽壁整體穩(wěn)定性進(jìn)行滑動(dòng)體受力平衡分析并導(dǎo)出槽壁穩(wěn)定性安全系數(shù)和最小泥漿重度的計(jì)算公式,可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

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