軟土地區(qū)超載作用下地下連續(xù)墻的槽壁穩(wěn)定性分析

王世君，楊 才

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

隨著我國地下空間的開發(fā)，地下連續(xù)墻廣泛應用于深基坑工程的支護，具有墻體剛度大、抗?jié)B性能好等優(yōu)勢。在地下連續(xù)墻成槽過程中，如何保證槽壁的穩(wěn)定，對地下連續(xù)墻的施工質量至關重要。很多學者對槽壁穩(wěn)定性進行了研究，Katagiri等[1]通過離心試驗證明：超載作用下槽壁更容易發(fā)生淺層失穩(wěn)，分析了地面超載對槽壁穩(wěn)定性的影響。Fox[2]采用摩爾-庫侖模型,考慮了上部受拉區(qū)的影響，求出了穩(wěn)定系數(shù)及相應的危險滑動面的傾角。姜朋明等[3]認為槽壁穩(wěn)定性具有時空效應，通過對成槽前后的槽壁應力狀態(tài)變化進行分析，推導出槽壁穩(wěn)定性系數(shù)計算公式，但忽略了超載的影響。劉國彬等[4]對超載作用下的槽壁穩(wěn)定問題進行彈性力學應力應變解答，但沒有給出槽壁穩(wěn)定系數(shù)計算公式；王盼等[5]研究了攪拌樁抗剪強度、加固寬度對槽壁整體穩(wěn)定系數(shù)的影響。金亞兵[6-7]認為攪拌樁固壁機制是攪拌樁墻兩側槽頭處的攪拌樁的全長橫向抗剪力去平衡土壓力與泥漿壓力差，提出了水泥土攪拌樁合理加固深度和寬度的確定方法。

我國上海、寧波等城市廣泛分布厚層狀軟土，其具壓縮性高，強度低，靈敏度高，透水性低等特點。成槽過程中土體容易受擾動發(fā)生坍塌。本文運用土力學基本原理，推導了超載作用下地下連續(xù)墻的槽壁穩(wěn)定系數(shù)Fs由基本穩(wěn)定系數(shù)Fs1、時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2、強度穩(wěn)定系數(shù)Fs3三部分組成，結合算例對槽壁穩(wěn)定性影響參數(shù)進行了分析，為軟土地區(qū)超載作用下的地下連續(xù)墻的設計與施工提供了參考。

1 槽壁應力狀態(tài)分析

槽壁開挖前，超載作用下的土體的固結基本完成，此時土體的靜止側壓力系數(shù)為K0。地面以下深度z取單元體M進行分析，計算模型見圖1。利用角點法可得超載作用下單元體M的大小主應力為：

總應力σ1=γz+Kcqσ3=K0(Kcq+γ′z)+γwz

(1)

(2)

圖1 槽壁單位應力示意圖

一般槽段開挖施工速度很快, 可以視為側向瞬時卸荷的過程，計算模型可以簡化為平面應變問題，運用彈性力學中量綱分析法，槽壁開挖應力重分布后單元體M的大小主應力為：

總應力σ1=γz+qσ3=γs(z+h)

(3)

(4)

式中:K0為靜止側壓力系數(shù)；Kc為角點應力系數(shù)，取0.25；q為地面超載，kPa；γ為土的重度，kN/m3；γ′為土的浮重度，kN/m3；γs為泥漿重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；z為計算點距離地面高度，m；h為泥漿面超高，m。

由式(1)、式(3)可知槽壁開挖前后應力狀態(tài)發(fā)生變化，根據(jù)有效應力原理，單元體M的孔隙水壓力的變化為：

Δσ1=(1-Kc)q

(5)

Δσ3=γs(z+h)-K0(Kcq+γ′z)-γwz

(6)

Δu=B[Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)]

(7)

假設土體飽和，飽和土的孔隙壓力系數(shù)B=1.0，則

Δu=Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)=(1-A)Δσ3+AΔσ1

(8)

將Δσ1、Δσ3代入式(8)：

Δu=(1-A)[γs(z+h)-K0(Kcq+γ′z)-γwz]+A(1-Kc)q

(9)

從式(9)可知，槽壁開挖引起的負孔隙水壓力值一部分是由地面超載引起的。地下連續(xù)墻成槽會因土剪脹而產生負孔隙水壓力，可以起到瞬時穩(wěn)定槽壁作用。由槽壁單元體應力狀態(tài)表達式可畫出不同工況下的有效應力莫爾圓，如圖2。圓A為槽壁開挖前初始有效應力圓；圓B為超載作用下槽壁開挖后的有效應力圓；圓C為負孔隙水壓力消散后的有效應力圓。

圖2 槽壁單元體有效應力圓

槽壁開挖或者槽壁失穩(wěn)是瞬時狀態(tài)，將有效應力圓B作為研究對象，超載作用下槽壁開挖后有效應力圓B的半徑為EO,

(10)

(11)

(12)

從圖2可以看出，當土體有效內摩擦角φ′≥臨界有效內摩擦角θ時，槽壁單元體M未發(fā)生破壞。槽壁單元體M的瞬時穩(wěn)定條件可以表達為sinθ≤sinφ′，此時表征槽壁穩(wěn)定安全的富余度可用總穩(wěn)定系數(shù)Fs表示。

(13)

(14)

(15)

(16)

Fs=Fs1+Fs2+Fs3

(17)

超載作用下地下連續(xù)墻的槽壁穩(wěn)定系數(shù)Fs由基本穩(wěn)定系數(shù)Fs1、時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2、強度穩(wěn)定系數(shù)Fs3三部分組成。從式(14)可看出基本穩(wěn)定系數(shù)Fs1隨著超載q的增大而減小，隨著泥漿重度γs增大而增大，隨著泥漿面超高h的增大而增大。

時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2與負孔隙水壓力Δu相關，Δu是隨時間逐步消散，從式(15)可看出，時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2隨著超載q的增大而減小，隨著泥漿重度γs增大而減小，隨著泥漿面超高h的增大而降低。這是因為當其他條件相同，增大泥漿重度和泥漿面超高會增大泥漿壓力，從而減小負孔隙水壓力引起的吸力，減小時效穩(wěn)定系數(shù)。

強度穩(wěn)定系數(shù)Fs3隨著有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′的增大而增大，特別注意的是當開槽深度內有砂層時，抗拉強度很低c′≈0，此時Fs3≈0；對于軟弱土層c′和φ′都比較低，F(xiàn)s3很小。

2 槽壁穩(wěn)定性影響參數(shù)分析

槽壁穩(wěn)定系數(shù)Fs由基本穩(wěn)定系數(shù)Fs1、時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2、強度穩(wěn)定系數(shù)Fs3三部分組成，通過某算例采用控制變量法分別分析超載q、泥漿重度γs、泥漿面超高h、有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′對Fs1、Fs2、Fs3以及所占比重Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs的影響。

為了簡化計算，算例假設槽壁范圍內為均質土，有效黏聚力c′=5 kPa，有效內摩擦角c′=20°，地面超載q=20 kPa，計算點距離地面高度z=10 m，泥漿面超高h=1 m，泥漿重度γs=11 kN/m3，水重度γw=10 kN/m3，靜止側壓力系數(shù)K0=0.6，孔隙水壓力系數(shù)A=0.5。

2.1 泥漿重度γs

目前國內泥漿護壁技術中絕大多數(shù)采用的是膨潤土泥漿，泥漿重度γs介于10 kN/m3～12 kN/m3之間，取γs=10.0 kN/m3、10.5 kN/m3、11.0 kN/m3、11.5 kN/m3、12.0 kN/m3分別計算，計算結果見表1。

表1 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs隨泥漿重度變化表

由表1可知， 隨著γs增大，F(xiàn)s、Fs1、Fs3都增大，F(xiàn)s2減小。且Fs1/Fs>Fs3/Fs>Fs2/Fs，F(xiàn)s1的占比逐漸增加，F(xiàn)s2的占比逐漸減小，F(xiàn)s3的占比不變。提高泥漿重度會增加泥漿壓力，減小負孔隙水壓力造成的吸力，F(xiàn)s2減小，但是提高γs會增大Fs1，且增加的幅度大于Fs2減小的幅度，F(xiàn)s是增大的。γs從10 kN/m3增加到12 kN/m3，F(xiàn)s提高了42%，可見增大泥漿重度是增加槽壁穩(wěn)定性的有效措施之一，但是目前施工技術提高泥漿重度來增加穩(wěn)定系數(shù)的作用是有限的。

2.2 地面超載q

地面超載q受周邊建構筑物、新回填土厚度、重型施工機械等影響，取q=10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa分別計算，計算結果見表2。

由表2可知，隨著q的增大，F(xiàn)s、Fs1、Fs2、Fs3都減小，且Fs1/Fs>Fs2/Fs>Fs3/Fs，F(xiàn)s1占比逐漸增加，F(xiàn)s2和Fs3的占比逐漸減小。q從10 kPa增加到50 kPa，F(xiàn)s降低了30%，可見地面超載對槽壁穩(wěn)定系數(shù)的影響很大，施工時應避免槽壁兩側大面積堆載。

2.3 泥漿面超高h

泥漿面超高h指的是泥漿液面與地下水位面之間的相對高差，泥漿壓力大于地下水壓力從而抵消部分土壓力。根據(jù)實際工程經驗，一般要求泥漿液面高出地下水位0.5 m～1.5 m作為控制條件。取h=0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m分別計算，計算結果見表3。

表2 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs隨地面超載變化表

表3 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs隨泥漿面超高變化表

由表4可知，隨著h的增大，F(xiàn)s、Fs1、Fs3都增大、Fs2減小，且Fs1/Fs>Fs3/Fs>Fs2/Fs，F(xiàn)s1的占比逐漸增加，F(xiàn)s2的占比逐漸減小，F(xiàn)s3的占比不變。提高h增加泥漿壓力，與水壓力差可抵消部分土壓力，F(xiàn)s1、Fs3增大；同時泥漿壓力的增大會減小負孔隙水壓力造成的吸力，F(xiàn)s2減小，F(xiàn)s1、Fs3增大的幅度大于Fs2減小的幅度，F(xiàn)s是增大的。h從0.5 m增加到1.5 m，F(xiàn)s提高了15%，可見增大h也是增加槽壁穩(wěn)定性的有效措施之一，但通過提高h來增加穩(wěn)定系數(shù)的作用是有限的。

2.4 有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′

選取寧波某地鐵車站的土層參數(shù)進行槽壁穩(wěn)定系數(shù)計算，詳勘階段土層參數(shù)見表4，計算結果見表5。

表4 土層參數(shù)表

表5 不同土層的Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs計算表

不同土層的c′和φ′比較②2T<③2<⑤1，計算結果顯示：Fs(②2T)Fs2(③2)>Fs2(⑤1)；Fs3(②2T)

3 工程實例

3.1 工程概況

錢湖北路站是寧波市軌道交通3號線一期工程的車站，為地下二層島式站，車站標準段底板埋深為19.53 m，圍護結構采用800 mm厚地下連續(xù)墻+混凝土(第一道支撐)和鋼管內支撐體系，連續(xù)墻插入比約為0.94。該車站周邊環(huán)境復雜，車站主體站位基本全位于前塘河之下，前塘河寬度約30.0 m，水深約1.0 m～1.5 m，河床底標高為-0.60 m～1.10 m，淤泥厚約0.4 m～0.8 m，呈南北走向。場地屬典型的軟土地區(qū)，廣泛分布厚層狀軟土，其具“天然含水率大于或等于液限，天然孔隙比大于或等于1.0，壓縮性高，強度低，靈敏度高，透水性低”等特點。槽壁開挖范圍主要軟土層為①3層淤泥質黏土、②2T層淤泥、②2層淤泥質黏土、③2粉質黏土。

3.2 槽壁穩(wěn)定計算

前塘河河道改移后回填土厚度3.2 m，考慮附加荷載和施工荷載，按50 kPa計。泥漿重度γs=11.5 kN/m3，泥漿面超高h=1 m，γw=10 kN/m3，孔隙水壓力系數(shù)A=0.5，其余土層參數(shù)見表6。

表6 土層參數(shù)表

地下連續(xù)墻成槽施工時，槽段位于原河道范圍內，原河道回填時間短，回填土尚未密實；回填土對原河底以下軟弱土層產生堆載效應，下部土體會產生再次固結沉降，固結沉降過程漫長，尚未穩(wěn)定，在超載作用下軟弱土層極易發(fā)生塌孔。地下連續(xù)墻槽孔的開挖深度為40 m, 研究表明失穩(wěn)往往發(fā)生在表層或深度約5 m～15 m內的淺層土中[8-11],為防止地墻槽壁塌孔，設計方案擬在槽壁兩側各增設兩排Φ850@600三軸水泥土攪拌樁地基加固，加固深度16 m，穿透③2層粉質黏土。槽壁加固方案見圖3。

圖3 槽壁加固方案剖面圖

(18)

(19)

根據(jù)以往工程經驗槽壁失穩(wěn)往往發(fā)生在表層土或深度在5 m～15 m內的淺層土中，經計算加固前與加固后槽壁穩(wěn)定系數(shù)見表7。

表7 加固前、后槽壁穩(wěn)定性計算結果

經計算地基加固前的Fs(①3)、Fs(②2T)、Fs(②2)、Fs(③2)均<1.0，加固后各土層的Fs均>1.0，槽壁穩(wěn)定性滿足要求。槽壁兩側各增設兩排Φ850@600三軸水泥土攪拌樁加固后，地下連續(xù)墻成槽順利，未發(fā)生塌孔現(xiàn)象，地表沉降在可控范圍之內，說明加固方案合理可行。

4 結 語

(1) 槽壁穩(wěn)定系數(shù)FS由基本穩(wěn)定系數(shù)Fs1、時效穩(wěn)定系數(shù)Fs2、強度穩(wěn)定系數(shù)Fs3三部分組成。增大泥漿重度和增大泥漿面超高可增大泥漿壓力，可有效的提高槽壁穩(wěn)定性，受目前施工技術限制，用這兩種方法增加穩(wěn)定系數(shù)的作用是有限的，施工時應予以充分利用。

(2) 地面超載q從10 kPa增加到50 kPa，槽壁穩(wěn)定系數(shù)降低了30%，地下連續(xù)墻成槽時應避免槽壁兩側大面積堆載、避免重型機械走動，盡可能減小施工擾動。

(3) 土體有效黏聚力c′和有效內摩擦角φ′對槽壁穩(wěn)定系數(shù)影響很大，當土層強度指標達到一定程度，強度穩(wěn)定系數(shù)占比可與基本穩(wěn)定系數(shù)相當。對于軟弱土層和砂性土層，槽壁極容易坍塌，應采取水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等加固措施，提高槽壁穩(wěn)定性。

(4) 大面積超載作用下，采用三軸水泥土攪拌樁對有深厚軟土層的槽壁進行加固，加固后槽壁穩(wěn)定系數(shù)均>1.0，施工過程中地下連續(xù)墻成槽順利。