基于槽壁整体稳定性的富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参数设计方法

技术领域

本发明属于地下工程领域，具体涉及一种富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参数 设计方法。

背景技术

随着城市地铁建设的蓬勃发展，地下连续墙得到了广泛应用，并成为了重要的基坑围 护手段。地下连续墙施工主要是利用成槽机械在泥浆护壁的条件下开挖一条狭长的深槽， 当开挖结束后形成一个单元段，然后插入制作好的钢筋笼，以导管法灌注混凝土完成一个 单元槽段，各槽段之间以特定的接口方式进行连接形成一道壁式地下连续墙。为防止富水 砂卵地层地下连续墙槽壁出现突水坍塌，通常采用泥浆护壁等措施。然而，目前国内外对 于泥浆参数的设计主要还是在经验的基础上按工程类比法进行，对于采用的泥浆参数是否 完全能够保证地下连续墙槽壁安全施工的需要，或者是否过于保守，包括工程师自己都无 法确定。总体来说，地下连续墙成槽施工泥浆参数的设计目前还停留在经验阶段，无法满 足我国地下连续墙建设快速发展的需要。因此，研制一种富水砂卵地层地下连续墙成槽施 工泥浆参数的设计方法是当前亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明提供了一种基于槽壁整体稳定性的富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参 数设计方法，使分析模型更加贴近实际，计算结果更加准确。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于槽壁整体稳定性的富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参数设计方法，包 括以下步骤：

步骤一：根据工程实际的地质、水文条件，建立富水砂卵地层地下连续墙槽壁整体失 稳分析模型，以计算滑动体即槽壁失稳土体的下滑力T_g以及抗滑力T_s；

步骤二：基于极限平衡理论，计算得到保证富水砂卵层地下连续墙槽壁整体稳定的最 小泥浆重度即得到泥浆参数。其中泥浆参数就是泥浆重度，由于连续墙槽壁开挖稳定与否， 仅取决于泥浆重度，故本发明的目的是对泥浆重度进行准确的计算。

所述的方法，所述的步骤一中，计算滑动体下滑力的步骤包括：

步骤1：首先计算滑动体体积，然后根据滑动体体积计算滑动体自重；

步骤2：计算地面超载；

步骤3：根据滑动体自重和地面超载计算地下连续墙槽壁滑动体的下滑力T_g。

所述的方法，所述的步骤1中计算滑动体自重的过程为：

首先计算地下水以上部分滑动体体积V_u：

V_u＝BLH_w

式中，L为开挖槽段的长度、H_w为地下水距离地表的距离、B为滑动体宽度，其表达式为 B＝(H-H_t)cotα，其中，H_t为砂卵层埋深、H为滑动体的深度、滑动面与水平面的夹角 其中为土体的内摩擦角；

然后计算地下水以下部分滑动体体积V_d：

$V_d=\frac{1}{2}\mathrm{BL}(2H-2H_w-B\tan \alpha )$

则滑动体自重W为：

$\left(\begin{array}{c}W=\gamma V_u+({\gamma }_{\mathrm{sat}}-{\gamma }_w)V_d\\ =[\gamma H_w+\frac{1}{2}({\gamma }_{\mathrm{sat}}-{\gamma }_w)(H+H_t-2H_w)]L(H-H_t)\cot \alpha \end{array}\right)$

式中，γ为地下水以上土的平均重度、γ_sat为地下水以下土的饱和重度、γ_w为水的重 度；

所述的步骤2中计算地面超载的过程为：

地面超载Q为：

Q＝qL(H-H_t)cotα

式中，q为基坑周围建筑物等效荷载；

所述的步骤3中计算地下连续墙槽壁滑动体的下滑力的过程为：

地下连续墙槽壁滑动体的下滑力T_g为：

T_g＝(W+Q)sinα。

所述的方法，所述的步骤一中，计算滑动体抗滑力的步骤包括：

步骤1)：计算泥浆和地下水对槽壁的合力；

步骤2)：计算土体的水平主动土压力；

步骤3)：计算作用在滑动面上的抗剪力；

步骤4)：计算作用在槽壁侧面上粘聚力；

步骤5)：根据步骤1)-4)所得到的各作用力计算地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力T_s。

所述的方法，所述的步骤1)中，计算泥浆和地下水对槽壁的合力的过程为：

作用在槽壁上泥浆压力P_s和地下水压力P_w的合力ΔP为：

$\mathrm{\Delta P}=\frac{1}{2}L[{\gamma }_s{(H-H_s)}^2-{\gamma }_w{(H-H_w)}^2]$

式中，γ_s为泥浆重度，H_s为泥浆液面距地表的距离，L为开挖槽段的长度，γ_w为水的 重度，H为滑动体的深度，H_w为地下水距离地表的距离；

所述的步骤2)中，计算土体的水平主动土压力的过程为：

土体的水平主动土压力P_a，根据朗肯土压力理论计算

$\left(\begin{array}{c}{P}_a=L{\int }_0^H[K_a({\gamma }_{a}h+q)-2c\sqrt{K_a}]\mathrm{dh}\\ =\mathrm{HL}(\frac{1}{2}{K}_a{\gamma }_{a}H+K_{a}q-2c\sqrt{K_a})\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，γ_a为z深度范围内土的平均有效重度、c为土体的平均粘聚力、K_a为主动土压 力系数，q为基坑周围建筑物等效荷载；

所述的步骤3)中，计算作用在滑动面上的抗剪力的过程为：

作用在滑动面上的抗剪力T₁为：

式中，N₁为滑动面法向反力，表达式为N₁＝(W+Q)cosα+(ΔP-P_a)sinα；S₁为滑动 面的面积，表达式为

所述的步骤4)中，计算作用在槽壁侧面上粘聚力的过程为：

作用在槽壁侧面上粘聚力合力T₂为：

T₂＝cA_c                           (8)

式中，A_c为竖向侧面acog、bdeh的面积，其表达式为A_c＝(H+H_t)(H-H_t)cotα；c 为土体的平均粘聚力；

所述的步骤5)中，计算地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力的过程为：

地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力T_s为：

T_s＝(ΔP-P_a)cosα+T₁+T₂。

所述的方法，所述的步骤二中，在计算最小泥浆重度前，首先引入并计算安全系数F_s， 将安全系数F_s定义为滑动体的抗滑力与下滑力的比值，即

$F_s=\frac{T_s}{T_g}.$

在此处引入这个安全系数F_s的原因及作用在于：1.考虑土体等计算初始参数的选取有 一定的离散型；二、留出足够的安全储备。

所述的方法，计算保证富水砂卵层地下连续墙槽壁整体稳定的最小泥浆重度γ_s为：

式中，允许最小安全系数F_smin取1.5，地下水距离地表的距离H_w、砂卵层埋深H_t、滑 动体的深度H、地下水以上土的平均重度γ、地下水以下土的饱和重度γ_sat、水的重度γ_w、 土体粘聚力c、摩擦角z深度范围内土的平均有效重度γ_a根据地质勘探报告得到。

本发明的技术效果在于，本发明考虑了富水砂卵地层的地质、水文特征，特别是考虑 了基坑周边的建筑物荷载对槽壁的稳定性影响，建立的分析模型更为贴近工程实际，计算 的结果更为可靠，实现了复杂周边条件下富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参数的定 量设计。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明富水砂卵地层地下连续墙槽壁整体稳定性分析模型；

图2为本发明富水砂卵地层地下连续墙槽壁滑动体的力学分析图。

图中，为土体的内摩擦角；L为开挖槽段长度；q为地面均布堆载；H_w为地下水距地面 距离；W为滑动体重量；P_s为泥浆压力；P_w为地下水压力；P_a为滑动体受到的主动土压力； H_s为泥浆液面距地面的距离；T₁和N₁分别表示滑动体底斜面上受到的切向力和法向力； T₂表示滑动体竖直平面上的土体粘聚力；a、b、c、d、o、e、g、h分别为滑动体的顶点。

具体实施方式

富水砂卵地层地下连续墙成槽开挖时，在土压力、水压力和泥浆压力共同作用下可 能会发生整体失稳，破坏模式如图1，分别计算作用于滑动体上沿滑动面方向的下滑力和 抗滑力，基于极限平衡理论，最终确定保证富水砂卵层连续墙槽壁整体稳定的最小泥浆重 度γ_s。

(1)滑动体自重W的计算

地下水以上部分滑动体体积V_u：

V_u＝BLH_w                     (1)

式中，L为开挖槽段的长度；H_w为地下水距离地表的距离；B为滑动体宽度，其表达式为 B＝(H-H_t)cotα，其中，H_t为砂卵层埋深；H为滑动体的深度；滑动面与水平面的夹角 其中为土体的内摩擦角。

地下水以下部分滑动体体积V_d：

$V_d=\frac{1}{2}\mathrm{BL}(2H-2H_w-B\tan \alpha )---\left(2\right)$

则滑动体自重W为：

$\left(\begin{array}{c}W=\gamma V_u+({\gamma }_{\mathrm{sat}}-{\gamma }_w)V_d\\ =[\gamma H_w+\frac{1}{2}({\gamma }_{\mathrm{sat}}-{\gamma }_w)(H+H_t-2H_w)]L(H-H_t)\cot \alpha \end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，γ为地下水以上土的平均重度；γ_sat为地下水以下土的饱和重度；γ_w为水的重度。

(2)作用在槽壁上泥浆压力和地下水的合力ΔP计算

作用在槽壁上泥浆压力P_s和地下水压力P_w的合力为：

$\mathrm{\Delta P}=\frac{1}{2}L[{\gamma }_s{(H-H_s)}^2-{\gamma }_w{(H-H_w)}^2]---\left(4\right)$

式中，γ_s为泥浆重度；H_s为泥浆液面距地表的距离；其余符号意义同上。

(3)地面超载Q的计算

地面超载Q为：

Q＝qL(H-H_t)cotα                     (5)

式中，q为基坑周围建筑物等效荷载。

(4)土体的水平主动土压力P_a的计算

根据朗肯土压力理论，得到滑动体处于极限平衡状态时受到土体的水平主动土压力 为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_a=L{\int }_0^H[K_a({\gamma }_{a}h+q)-2c\sqrt{K_a}]\mathrm{dh}\\ =\mathrm{HL}(\frac{1}{2}{K}_a{\gamma }_{a}H+K_{a}q-2c\sqrt{K_a})\end{array}\right)---\left(6\right)$

式中，γ_a为z深度范围内土的平均有效重度；K_a为主动土压力系数，

(5)作用在滑动面上的抗剪力T₁的计算

作用在滑动面上的抗剪力T₁为：

式中，N₁为滑动面法向反力，表达式为N₁＝(W+Q)cosα+(ΔP-P_a)sinα；S₁为滑动面的 面积，表达式为其余符号意义同上。

(6)作用在槽壁侧面上粘聚力T₂的计算

作用在槽壁侧面上粘聚力合力T₂为：

T₂＝cA_c                        (8)

式中，A_c为竖向侧面acog、bdeh的面积，其表达式为A_c＝(H+H_t)(H-H_t)cotα；c为土 体的平均粘聚力。

(7)地下连续墙槽壁滑动体的下滑力T_g的计算：

地下连续墙槽壁滑动体的下滑力为：

T_g＝(W+Q)sinα                      (9)

(8)地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力T_s的计算：

地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力为：

T_s＝(ΔP-P_a)cosα+T₁+T₂                  (10)

(9)地下连续墙槽壁整体稳定的安全系数F_s的计算：

考虑到一定的安全储备，引入安全系数F_s，将安全系数F_s定义为滑动体的抗滑力与下 滑力的比值，即

$F_s=\frac{T_s}{T_g}---\left(11\right)$

(10)最小泥浆重度γ_s计算

根据极限平衡理论，计算得出保证富水砂卵层地下连续墙槽壁整体稳定的最小泥浆重 度γ_s为：

式中，安全系数F_s可取为1.5，其余符号意义同上，土体粘聚力c、摩擦角等参数根据地 质勘探报告选取。

下面结合实例对本发明进行进一步说明。

某地铁车站地下连续墙施工时，工程地处富水砂卵地层段，施工过程中槽壁极易发 生突水、甚至坍塌等施工风险。泥浆液面在地表处，距离地表的距离H_s为0m，地下水液 面距离地表距离H_w为5m，地下水容重γ_w为9.8kN/m³，埋深H_t为7m，槽段开挖长度L 为6m，土体平均重度γ为18.8kN/m³，饱和重度γ_sat为19.4kN/m³，有效重度γ_a为9.6kN/m³， 地面均布等效荷载q为75kPa，粘聚力c为3kPa，内摩擦角为38°，安全系数F_s取为1.5。

采用本发明的基于槽壁整体稳定性的富水砂卵地层地下连续墙成槽施工泥浆参数的 设计方法，对保证富水砂卵层地下连续墙槽壁整体稳定的最小泥浆重度进行计算，地下连 续墙槽壁发生坍塌一般是在深度12m左右，将其代入式(12)计算得到，保证连续墙整体 稳定最小泥浆重度γ_s为12.58kN/m³。