地下连续墙槽壁稳定性分析.docx

地下连续墙槽壁稳定性分析李小青(中国地质大学工程学院 ,武汉 430074)何圣熙(中国地质大学机电系 ,武汉 430074)摘 要 根据土层的物理力学性质 、地下水位及护壁泥浆等进行地下连续墙槽壁稳定性分析 ,导出槽壁稳定性数学模型公式 ,并提出相应的护壁措施 ,防止槽壁的坍塌 .关键词 地下连续墙 ,槽壁稳定性 ,数学模型 .中图法分类号tu94 , p642第一作者简介 李小青 ,男 ,讲师 ,1965 年生 ,1992 年毕业于中国地质大学 ( 武汉) 研究生院 ,获硕士学位 ,主要从事地基与基础方面的教学与科研工作.从地下连续墙成槽过程来看 ,由于地层土压力 、孔隙水压力 、地下水位及土体的蠕变等因素的影响 , 在成槽过程中或墙体浇筑之前 ,槽壁处于不稳定状 态之中 ,随时会出现滑裂或坍塌的危险. 因此 ,在施工中 ,应事先且必须根据场区土层的物理力学性质 、 地下水位 、泥浆质量和单元槽段长度等因素 ,对槽壁 进行稳定性分析 ,并采取相应护壁措施 ,保证槽壁的 稳定.图 1 粘性土中槽壁稳定性fig. 1 the stability analysis of t rench in co hesive soil粘土层中槽壁稳定性1设土压力强度 ea = 0 时的深度为 z 0 , 则z 0 = 2u/ .当 z z 0 时 , ea 为负值 , 这表明 z 0 在以上范围 内不产生侧压力 , 槽壁是稳定的. 令 pa = 0 , 根据式 ( 4) 即可求得槽壁能稳定自立的最大深度 , 即临界槽粘土层中槽壁稳定性 ,按经典土力学滑动理论 ,取滑动契形土体进行分析 ( 图 1a) : o a 为槽壁 , ob 为最危险破裂滑动面 , 其倾角为 45+ / 2 ( 为土 体内摩擦角) , h 为槽深.主动土压力强度 ea 为深hcr :hcr = ( 4u - 2 q) / , 无地面超载时 , q = 0 , 则 hcr = 4u/ .ea = kaz - 2 c( 1)ka ;( 5)全主动土压力 pa 为pa = 1 h2 ka - 2 cka + q hka .( 2)( 6)2式中 : z 为任意深度 ,为土体容重 , ka 为主动土压力系数 , ka = tan2 ( 45+ / 2) , q 为地面超载.对于饱和状态的粘性土 , = 0 , c = u (u 为不 排水抗剪强度) , 于是有上面分析并未考虑泥浆的静水柱压力 , 实际施工时 , 槽内充满了容重为 m 的泥浆 , 泥浆对槽壁有一定的支护作用.图 1a 中 , & o a b 上作用的力有 : 土体自重 w( 包括地面超载) 、ob 面上的抗剪力 , 泥浆对槽壁产ea = z - 2u ,pa = h2 / 2 + q h - 2u h ,( 3)( 4)生的作用力 p ( 按静水压力考虑) 及破裂滑动面上m的法向力 r . 图 1b 为契形土体 o a b 的力平衡图.在 o a 面上作用的水平力为 p m - pa , 令 p m -1998 年 11 月 21 日收稿.地球科学 中国地质大学学报第 24 卷218pa = 0 可求得临界槽深 hcr , 即h2 / 2 + q h - 2u h - m h/ 2 = 0 , hcr = ( 4u - 2 q) / (- m) ; 没有地面超载时 ( q = 0) ,hcr = 4u/ (- m) .( 7)( 8)式 ( 7) 和 ( 8) 说明 , 如果泥浆的容重 m 大 , 临界槽深 hcr也就大 , 假使 m 接近于 , 就与深度无关 , 槽壁总是稳定的. 因此施工中应用重度较大的泥浆 是有利于槽壁稳定的.其安全系数 fs 可表示为图 3 砂土层中槽壁稳定性分析fig. 3 the stability analysis of t rench in sandy soiltan = (- m) / 2m ,( 10)fs = ( 4u - 2 q) / (- m) h .( 9)m / (- m) tan .( 11)fs =tan = 2式 ( 11) 表明 , 如果应用泥浆就能在砂土中进行垂直成槽作用 , 决定槽壁稳定的安全系数的因素是 砂土的容重 、内摩擦角及泥浆的重度.对于非常松软的砂 , 其容重 较小 , 在浇灌混 凝土时 , 混凝土在凝固之前会对槽壁产生水平推力作用 , 此时 ( - m ) 为负值 , 即混凝土向槽壁挤出 , 产生反向稳定性问题. 这一反向挤出现象将持续到 土体变形加大到足以产生被动抗力为止.如果砂层处在地下水位以下 , 此时土体压力为 有效土压力 , 孔隙水压力为静水压的排水状态 , 内摩 擦角为有效内摩擦角 , 于是有pa = h2 ka/ 2 + w h2 / 2 ,p m = m h2 / 2 ,2 砂土层中的槽壁在干砂中放坡开挖 ( 图 2) , 由于砂土颗粒间无fs 为 1 内聚力存在 , 土坡对于滑动的安全系数fs =tan .gsin t图 2 砂土坡稳定分析fig. 2 the stability analysis of sandy soilfs = 2m tan / (- m)( 12)其中 , ka = tan2 ( 45- / 2) ;= - w ;m = m- w . ,m ,w 分别为砂土 、泥浆及水的容重 , 为砂土有效内摩擦角.比较式 ( 12) 和式 ( 11) , 由于分母 - m = (-w) - (m - w ) = - m 相同 , 而分子 m m , 由此可知在地下水位以下的砂层中成槽 , 其 安全系数要比无地下水时小 , 这是由于地下水的水压引起的. 为了充分抵抗地下水压 , 施工过程中应尽 量抬高泥浆的液面 , 使其高于地下水位 , 同时增加泥浆重度 , 确保槽壁稳定 .显然 , 不管坡高如何 , 只有坡角 小于或等于砂土内摩擦角时 , 坡面才是稳定的 . 由此可知 , 在 砂土中 , 在毫无支撑的情况下进行垂直成槽施工是不可能的. 在此我们仅对充满泥浆的槽壁进行稳定性分析. 图 3a 中w = h2 tan ( 90- ) / 2 , p m = m h2 / 2 .在图 3b 中p m = w tan (- ) ,于是有tan ( 45- / 2) / m = 1/ tan (- ) .在= 45- / 2 时 , 契形土体处于最容易滑动状态 ,即tan ( 45- / 2) / m = 1/ tan ( 45- / 2) .从而可得地下水位对槽壁稳定性的影响3理论和试验证明 , 地下水位愈高 , 平衡它所需的泥浆重度也愈大 , 即槽壁失稳的可能性也愈大 ; 所以 地下水位的相对高度 , 对槽壁稳定的影响很大 , 同时tan gco stan ttan 第 2 期李小青等 :地下连续墙槽壁稳定性分析219对槽壁产生稳定平衡作用 , 泥浆相对于地下水位液面愈高 , 泥浆重度愈大 , 其平衡护壁作用愈强. 其次 , 泥浆在槽壁壁面上形成不透水膜 , 大大促进泥浆的 护壁作用. 如果泥浆不断渗透周围土中或者反过来 地下水侵入槽内与泥浆混合 , 就会使整体不稳定或失去护壁作用. 第三是泥浆的凝胶作用 3 , 泥浆侵 入土中孔隙成为静止的凝胶 , 凝胶化的泥浆固定了 土颗粒的相对位置 , 在槽壁附近形成稳定的土层. 而 当壁面上土颗粒脱落进入泥浆时 , 凝胶状态泥浆对 此有微弱的抵抗作用. 下面是对凝胶泥浆的稳定护壁作用分析.图 4 地下水中的槽壁稳定性分析fig. 4 the stability analysis of t rench under groundwater surface它也影响着泥浆重度的大小. 地下水位即使有较小的变化 , 对槽壁的稳定亦有显著的影响 , 特别是当槽 深较浅时影响就更为显著 , 如地下水位上升就会使泥浆对地下水的超压力减小 , 极易产生槽壁塌方. 故 采用泥浆成槽时 , 要重视地下水的影响. 施工中除抬 高泥浆液面或增加泥浆重度外 , 必要时可部分或全 部降低地下水位 , 对保证槽壁的稳定性会起很大的作用 2 .在无内聚力的砂质地层内 , 如泥浆液面高于地 下水位 ( 图 4) , 槽壁的稳定性可从图 4 中推导出m/ w =图 5 凝胶泥浆微分单元体应力状态fig. 5 st ress behavior of colloidal slurry unit取护壁凝胶泥浆微分单元体 ( 图 5) 加以研究分析 , 其平衡方程如下x d y +x y d x - x + ( 5x / 5 x ) d x d y -x y + ( 5x y / 5 y ) d y d x = 0 ,y d x +x y d y - y + ( 5y / 5 y ) d y d x -x y + ( 5x y / 5 x ) d x d y + m d x d y = 0 .即5x / 5 x + 5x y / 5 y = 0 ,.sin 2+ ( 1 - co s 2) tan ( 13) 当契形土 体 处 于 最 容 易 滑 动 状 态 时 , 即 = 45+ / 2 , 式 ( 13) 变为=,w1 + sin ( 14a)( 15)5y / 5 y + 5x y / 5 x - m = 0 .或平衡方程式 ( 15 ) 中 m 为凝胶泥浆的密度 , 当微分单 元 体 应 力 状 态 满 足 屈 服 条 件 ( - ) 2 += 21 + sin +wx yh4x y = 42 时 , 泥浆发生塑性流动 , 为凝胶的抗mm 1 ( 14b).剪强度. 在适当的边界条件 , 利用式 ( 15) 可以求得静态的应力.对于宽度为 2 b 的槽壁 , 根据 bishop 解 3 , 水平 应力 xtan2 ( 45+ / 2)土w于或根据现场工程地质及水文地质情况 , 用式 ( 14a)或 (14b) 便可求出保持槽壁稳定所需的最小泥浆重 度 m .x = m y + (/ 2 + y / b)m ,则全部水平抗力为( 16)泥浆的凝胶作用4hp m = 0 d y22x(m h/ 2) .mm=h / 2 + ( h / 2 b) +在地下连续墙中 , 泥浆主要起稳定护壁作用 . 它首先表现在泥浆静压力作用 , 对地下水产生超压力 ,sin hm2 ( h/ h) 2 sin + / w ( 1 - sin )m2 ( h/ h) 2 tan + / w sin 2+ ( 1 + co s) tan 地球科学 中国地质大学学报第 24 卷220根据式 ( 4) , pa = h2 / 2 + q h - 2u h , 于是可得凝胶泥浆护壁条件 , 槽壁稳定的临界深度hcr = ( 4u - 2 q +m) / (- m - m/ b) ,( 17a)如果 m = 0 , 即不考虑凝胶作用 , 则备一定的抗剪强度.综上所述 , 在地下连续墙施工中 , 为确保槽壁稳 定 , 防止坍塌事故发生 , 应根据场区工程地质和水文 地质条件及设计要求进行槽壁稳定性分析和安全系数计算 , 采用如下相应措施 : ( 1) 采用优质膨润土浓 泥浆 ; ( 2) 掺加加重剂 , 增大泥浆重度 ; ( 3) 提高泥浆 液面或降低地下水位 , 使泥浆液面与地下水位保持 一定的高差等 .hcr = ( 4u - 2 q) / (- m) ,与前面推导的公式相同.同样安全系数可表示为fs = ( 4u - 2 q) / (- m - m/ b) h - m ,或fs = 4u/ (- m - m/ b) h - m .( 17b)参考文献( 18a)周汉荣主编 . 土力学地基与基础 . 第 2 版 . 武汉 :武汉工业大学出版社 ,1993 .日本建设机械化协会编 . 地下连续墙设计与施工手册 . 祝 国荣 ,马明 耀 , 高 秀 理 译 . 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ,1983 .陆震铨 ,祝国荣编译 . 地下连续墙的理论与实践. 北京 :中 国铁道出版社 ,1985 .1( 18b)分析式 ( 17a) , (17b) , (18a) , ( 18b) 可知 , 即使凝胶泥浆的抗剪强度 m 很小 , 槽壁的稳定性将增大 很多 , 同时槽宽 2 b 越小 , 其稳定性也越好. 在施工 中 , 为增强槽壁的稳定性 , 可以采用优质的膨润土泥 浆 , 并增大膨润土浓度 , 使泥浆产生凝胶作用 , 而具23stabil ity a nalysis of trenc hes of d iap hra gm wallli xiaoqing( facul t y of en gi nee ri n g , chi n a u ni ve rsi t y of geosciences , w u ha n430074)he shengxi( de p a rt m en t of m echa nical a n d elect ronic