三轴搅拌桩加固作用下地下连续墙槽壁稳定性探讨.pdf

73PROJECTMANAGEMENT楚理探讨与交流建设三轴搅拌桩加固作用下地下连续墙槽壁稳定性探讨董光辉（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海200032)摘要：地下连续墙槽壁稳定是地下连续墙钢筋笼能成功下放以及保证施工质量和安全的关键因素。首先，从槽壁的失稳机理出发，分析了影响槽壁失稳的8 类影响因素，并且把影响因素分为内因和外因；其次，给出了三轴搅拌桩加固作用下基于抛物线柱体滑动体模型的槽壁稳定性安全系数以及泥浆重度的计算方法；最后，结合工程实例，分析了搅拌桩加固的必要性并把抛物线柱体模型与模形体模型进行了对比，可供类似工程参考。关键词：地下连续墙；搅拌桩；槽壁稳定性；槽壁失稳中图分类号：F407.9文献标识码：B文章编号：10 0 7-410 4（2 0 2 3）0 7-0 0 7 3-0 50引言地下连续墙（以下简称“地连墙”）是地铁工程建设中常见的围护方式，具有挡土、止水等效果，对周边环境影响较小，自2 0 世纪50 年代末传入我国，经历近7 0 年的发展，其技术已日趋成熟。由于上海地区淤泥质软土分布比较广泛且厚度较大，施工地连墙时，易出现塌、缩颈等问题，表层填土以及松散不均匀砂性土会出现土体剥落，以至于墙体出现混凝土夹砂夹土情况，给后续堵漏以及处理墙体断层增加了成本，故上海地区在施工地连墙时常采用搅拌桩增加槽壁稳定性。近几十年来，国内学者对槽壁稳定性进行了大量研究。张厚美等提出了一种从破坏体高度、厚度以及滑动面倾角3个方向搜索最危险破坏面的三维分析法，并与传统的抛物线法以及半圆柱法进行比较；该方法得出的计算结果更加可靠，为槽壁稳定性的研究提供了重要的参考依据。王盼 2 将搅拌桩技术应用在软弱地层中，并分析了搅拌桩的力学指标对泥浆重度的影响。金亚兵 3-4 提出了4种槽壁稳定性计算方法，建立了搅拌桩加固作用下基于楔形体的失稳体模型，并给出了加固深度和宽度的计算方法，但没有基于抛物线柱体法建立搅拌桩加固作用下的失稳体模型并与前者进行对比。崔根群等 5 分别建立了槽壁整体以及局部失稳的滑动体模型，为泥浆重度设计提供了参考。周洋 6 提出了三维截锥体平动机动模型，并采用上限分析得到了新的计算槽壁稳定性公式。路乾等7 采用基于库伦理论的滑动体模型，且考虑了竖直侧面的黏聚力对滑动体的影响，对黏土地层槽壁稳定性进行了分析。黄茂松等 8 利用水平条分法来解决非均质地层的槽壁稳定性问题，为工程实践提供了借鉴，但没有考虑搅拌桩加固作用下如何计算整体稳定性。王晓华等 9 分析了土单元体在槽壁施工扰动影响下的应力变化规律，重点探讨了时空效应对槽壁稳定性的影响。薛青松等 10 基于工程情况建立了粉砂层三维滑动体模型并分析了影响粉砂层槽壁失稳破坏的各类原因。本文将以上海市域线机场联络线张江站项目为研究背景，深入探讨地连墙成槽过程中槽壁失稳机理以及地连墙槽壁稳定性的影响因素；基于库伦理论，比较搅拌桩加固作用下抛物线柱体与楔形体失稳模型的差异，分析搅拌桩加固宽度、深度以及强度对槽壁稳定性的影响，并提出保证槽壁稳定性的措施，为类似地铁工程积累经验并提供参考。1槽壁失稳机理及稳定性影响因素1.1失稳机理超深地连墙槽壁失稳主要包括3 方面，分别是整体失稳、局部失稳以及时间效应引起的失稳。由于成槽机施工使得槽孔内土体突然失去了侧向压力，泥浆渗入周围地基土体时无法及时平衡静止土压力，导致槽壁后方土体受到土压力的作用向槽孔内移动，随着土压力的逐渐减小，最终达到74楚理PROJECTMANAGEMENT建设探讨与交流主动土压力；如果泥浆提供的压力不足以抵消主动土压力，槽壁土体就会继续向槽孔一侧移动，最终导致整体失稳。整体失稳是指土层中的失稳区域扩展到了地表，表现为土体塌或者明显的裂缝，严重时甚至会使成槽机倾覆、周边建筑出现倾斜墙面破裂等。根据以往经验，槽壁失稳通常发生在515m 的浅层土或者表层土中，局部失稳一般发生在软弱夹层中。根据超声波检测图（如图1所示）可以发现，填土以及黏土交接区域（大概地下5m左右）相比于整个槽段更容易出现局部失稳。若土层力学参数较差或者较厚、上覆岩土压力较大或者泥浆支护压力偏小，往往会引起超挖、灌注混凝充盈系数偏大，此时土体受到的剪切力超过了土体能承受的剪切强度。当开挖卸荷瞬时，地基土体的超静孔隙水压力会迅速消散，从而导致槽壁稳定性逐渐降低。特别是砂性层土，由于其高渗透性，相较于黏性土，超静孔隙水压力会消散得更快，故在施工中应不中断成槽、及时吊装钢筋笼并浇筑混凝土，这便是时间效应 2。13131S151717191921212323252521272929333353139图1槽壁超声波检测图1.2影响因素金亚兵 4 把影响地连墙槽壁稳定性的因素归纳为8 类，分别是槽段的长度、三轴搅拌桩加固深度宽度以及力学指标、选取滑动体失稳模型的高度、土体力学物理参数、地下水深度位置、泥浆指标及位置、地面荷载情况、成槽机抓土对周围地基土体的扰动等。本文把上述8 类因素细分为内在因素和外在因素。1.2.1内因为了确保槽壁的稳定性，泥浆液面高度应高于地下水水位，以形成足够的渗透力。泥浆在渗透力的作用下会形成泥皮，对于颗粒大的土层、砂性土层，泥浆渗透路径较长，容易造成泥浆损失，降低槽壁稳定性，故施工时要严格控制泥浆比重及高度，实时补浆。同时，泥浆比重过大会影响成槽机的工作并给后续混凝土浇筑带来困难，因此二次清底后泥浆比重一般不大于1.15。薄且抗渗性能强的泥皮能很好地维系泥浆压力与地下水、土压力的平衡，这对泥浆的含砂量、黏度、失水率有一定的要求，如此泥浆才能起到很好的护壁作用。地铁工程基坑通常采用矩形、L形、Z形和T形单元槽段，其宽度一般不超过6 m。当槽段长度超过5m时，由于土拱效应的削弱，挖土产生的应力重分布更近似于弹性力学中的平面应变，会造成土体失稳破坏的高度下降，从而影响槽壁的安全性。1.2.22外因当操纵抓斗式的成槽机时，抓斗在槽孔内上下移动，易触碰到泥皮，在黏性低的砂性土层或者静置一段时间的槽孔内成槽，槽壁有概率在泥皮再次形成之前塌，因此必须熟练掌控成槽机。地面荷载会增大槽孔附近的表层土剪应力，同时增大超静孔隙水压力，应采用刚性路面、避免槽孔附近堆积材料等措施减少地面荷载对槽壁稳定性影响。开挖时间以及静置时间过长会使得泥浆比重减小而影响槽壁稳定性，施工顺序采用跳仓法可以减少相邻槽段的相互影响。2搅拌桩加固作用下槽壁整体稳定性的计算方法2.1基于抛物线柱体法的破坏体模型的建立假设槽壁土体的整体失稳为一具有倾斜滑动面的抛物线柱体（如图2 所示），滑动面与水平面形成角，抛物线开口朝向泥浆槽，开口宽度等于槽段长度L，抛物线顶点到槽壁的距离为h，滑动破坏体深度为H，搅拌桩咬合厚度为D，搅拌桩长为Hp，泥浆面距槽底高为Zn，地下水位距离槽底高Zm，已知ZmZn。破坏体整体失稳所受的力包括失稳体自身的重力W、失稳体范围内的地表荷载Q，槽内泥浆的压力Pm、地下水压力Pw、侧面摩擦力Pc、滑动面抗剪力T以及滑动面上的法向反力N等。各力的作用位置和方向，如图3所示。塌体表面塌体图2几何模型75式(1)PROJECTMANAGEMENT装理探讨与交流建设QABWAP工DT/NEh图3滑动体受力图2.2破坏体的受力分析各力的计算公式如下。(1）失稳体平面投影面积S：2S=Lh32）失稳体滑动面面积S。：2S.Lhseca35.=2Lhseca式(2)3(3)失稳体重量W:V=2Lh(H-Zm)N+(Y,-Yw)22Whtana式(3)5式中，Yi为土体浮重度、Yw为地下水重度。(4）作用在失稳体上的泥浆压力Pm、地下水压力Pw以及合力P：1P一m21YwZ,L式(4)2(zZz-YuZm)2式中,Y2为泥浆重度。(5)侧面摩擦力Pc:Pe=(2Hh-htana)c式(5)(6）金亚兵 3 认为搅拌桩固壁机制就是在横向水平土拱效应下，搅拌桩的横向全长抗剪力去平衡土压力与泥浆压力差，故搅拌桩的合理加固深度是指满足地连墙槽壁稳定性要求前提下桩的合理长度。其计算公式以及本滑动模型中搅拌桩水平抗剪力分别为：H,=H+H=T./2 T D式(6)T,=2TDH,式中，T为搅拌桩抗剪强度，T为搅拌桩横断面提供的抗剪力。（7）滑动面法向反力N及滑动面抗剪力T：N=(W+Q)cos+(P+T.)s i n a式(7)T=Ntan+Sac-T,cosa将N、S。代入式（7)的T表达式得：2LhcT=(W+Q)cos+(P+T)s i n a t a n a+T,cos3cos式(8)将以上各力投影到滑动体模型的滑动面，得极限状态下的力平衡方程：(W+Q)sina=(P+T.)c o s+T+P式(9)将以上各力代入到式（9），展开得到护壁泥浆的比重：21hcYwZ+2TDH,(2hH-htanac)cosa+3Y2ZZ,(sinatana+cosa)cosa式(10)槽壁整体稳定性安全系数可以定义为抗滑力与促使土体下滑的力的比值，抗滑力与滑动力分别可以取式（9）的左右两端表达式，即：(P+T.)c O S+T+PK，式(11)(W+Q)sin当=45+/2时，滑动面与水平面夹角达到了塑性极限破裂角，此时可以代入式（11），进一步进化K,的表达式。整体失稳时，临界高度H对应于槽壁稳定的最小安全系数，即Ksmin，当dKsmin/dH时，即求得泥浆的最小比重。无搅拌桩加固作用下，采用抛物线柱体法得到的稳定性安全系数为：K,=-LW+Q)cosa+APina tanp+S,c+P式(12)(W+Q)sina一般泥浆比重是已经给出的，但破坏滑动体几何参数是未知的，因此需要采用上述求解泥浆比重同样的方法，求出最小的安全系数。由于考虑了搅拌桩作用，K,会相对偏大，接下来将结合张江站工程实例与本节探讨安全系数的合理取值。3工程实例分析上海地铁机场线张江站沿东西方向净长6 9 2 m，为减少不同地质条件区域的相互影响以及不影响后续盾构施工进度，张江站分4个区域进行施工并设置3 道封堵墙。本文取二区槽段为例，槽宽1m、长6 m，地连墙槽深为53.5m，年平均地下水位埋深按照1m计算，导墙深度为1.5m，泥浆液面距导墙顶部为0.5m，超过15m深的黏土地层不易塌，取槽深为15m，地面机器、材料等荷载取40 kPa。围护结构采用三轴水泥搅拌桩作槽壁加固，加固深度均为地面以下13 m，基坑外边搅拌桩采用套打形式，间距为850mm600mm，基坑76装理PROJECTMANAGEMENT建设探讨与交流内边搅拌桩采用搭接形式，间距为850mm600mm，则搅拌桩咬合厚度D为3 0 1mm，水泥掺量为2 0%，2 8 d无侧限抗压强度1MPa，取抗剪强度为抗压强度的1/4，即0.25MPa，泥浆比重取1.0 5。3.1工程地质与水文地质特点工程所处位置，按上海地貌单元分区土属滨海平原地貌类型，工程场地为古河道沉积区，浅部存在软土、厚填土等不良地质和特殊性土，基坑开挖无涉及透水性较强的地层。根据地质报告，车站基坑地板主要位于灰色粉质黏土层上，以黏性土为主，对围护结构有利；但表层填土、淤泥以及淤泥质黏性土等软弱层开挖易扰动，对围护结构施工不利，其中淤泥质黏土有流塑性大、含水量高、强度低、高压缩性等特点，填土层结构松散且不均。土层分布情况，具体如表1所示。为了方便计算，对各个土层参数进行加权平均处理。表1主土层分布情况表土层编号加权平均处理土层名称填土褐黄、灰黄色黏土灰色淤泥质粉质黏土灰色砂质粉土平均厚度/m4.162.333.532.06重度y/(kNm-3)18.5018.5017.2018.9018.15黏聚力c/kPa019.9010.402.407.30内摩擦角中/30.0014.1013.2030.4018.903.23种槽壁稳定性安全系数计算方法的K，值为方便比较，本文将未进行三轴搅拌桩加固时采用抛物线柱体法的稳定性安全系数与和搅拌桩加固作用下采用该方法的稳定性安全系数进行了对比；为了比较采用不同失稳滑动体模型得到的稳定性安全系数的差异，本文又与采用楔形体法 3 滑动体模型得到的稳定性安全系数进行了对比。各K，数值，如表2 所示。表2 各种槽壁稳定性安全系数计算方法的K，值计算方法计侧面摩擦力P不计侧面摩擦力P。楔形体法1.821.26三轴搅拌桩加固抛物线柱体法1.451.62无槽壁加固抛物线柱体法一0.53由表2 的计算结果可知，在不使用三轴搅拌桩加固作用下，使用二维假定得到的稳定安全系数非常小，可见采用三轴搅拌桩进行槽壁加固可以大幅度提升槽壁稳定性；是否考虑失稳体两端面的摩擦力对计算得到的安全系数结果影响非常大，建议搅拌桩作用下楔形体失稳体模型的安全系数在考虑两端面摩擦力时K,1.5，不考虑时K,1.053；本文工程案例在搅拌桩加固作用下抛物线柱体模型得到的安全系数偏小，建议K,1.3。3.3槽壁加固效果经过槽壁加固后，本工程二区的6 8 幅地连墙在成槽时均没有发生槽壁塌或缩颈等险情，进展顺利；成槽结束后，每幅墙槽壁均进行了2 次超声波检测，并在成槽中期也进行了1次成槽检测，每1h检查1次成槽机垂直度仪表盘，保证顺利成槽，实时把控成槽垂直度，使槽壁垂直度控制在1/3001/450之间。除此之外，在成槽阶段多次抽验其他各项检测指标（泥浆的比重、含砂量、pH、黏度以及沉渣厚度）。基坑开挖过程中，槽壁加固土体与地连墙紧密贴合，未发现地连墙垂直度出现大偏差，地连墙无夹泥且只发现个别墙体部分区域存在渗漏现象。根据现场水泥土搅拌桩取芯试验结果，水泥土在地连墙成槽时达到了设计要求。很多国内学者进行了关于水泥掺入比、龄期、土体性质等相关因素的试验，发现搅拌桩的强度会随着时间的增加以及水泥掺量的提高而提高，并给出了淤泥水泥土强度fcu与龄期的幂函数关系式即式（13），为张江站基坑开挖时间提供了参考。fcu=0.239 T 0.455式(13)根据式（13）计算，从槽壁加固到基坑开挖时间不宜过长，否则会致使开挖困难。4结语本文对影响槽壁稳定性的8 类因素进行了探讨，并将其详细分为外因和内因，为类似工程槽壁加固施工过程中的管控提供了借鉴。基于库伦理论建立抛物线柱体法滑动体模型，对考虑双向侧面摩擦力对三轴搅拌桩加固作用下的槽壁整体进行了稳定性受力平衡分析，并导出了槽壁稳定安全系数和泥浆比重的计算公式；根据导出的计算公式，基于实例分析了搅拌桩对于槽壁稳定性的影响，比较了不同滑动体模型所得到的安全系数计算公式的差异，可供其他类似工程参考。参考文献：1张厚美，夏明耀。地下连续墙泥浆槽壁稳定的三维分析 .土木工程学报，2 0 0 0（1)：7 3-7 6.2王盼，李松，胡继业.搅拌桩加固作用下地下连续墙的槽壁稳定分析 工程勘察，2 0 16(5):2 6-2 9.77.上接第48 页）.PROJECTMANAGEMENT楚理探讨与交流建设3金亚兵.地连墙槽壁加固稳定性计算方法研究 J.岩土力学，2 0 17(增刊1)：3 0 5-3 12,3 50.4金亚兵.地连墙槽壁加固深度和宽度计算方法研究 J.岩土力学，2017(增刊2)：2 7 3-2 7 8.5崔根群，刘瑶.基于槽壁稳定性的地下连续墙成槽施工泥浆重度计算方法 J.现代隧道技术，2 0 18（1)：17 8-18 3.6周洋.软土超深地连墙成槽施工地层稳定机理研究 D苏州：苏州大学，2 0 19.7路乾，胡长明，王晓华，等.地下连续墙成槽施工槽壁整体稳定性分析 .地下空间与工程学报，2 0 2 1（3)：8 6 4-8 7 1.8黄茂松，王鸿宇，谭廷震，等.地下连续墙成槽整体稳定性的工程评本文可以为建筑工程企业的数字化转型和工程造价信息数据库的构建提供一定的指导和借鉴，但同时也存在一定的局限性。未来的研究可以进一步探索数字化转型和工程造价信息数据库的构建的技术、管理和政策等方面的问题，从而更加深入地了解数字化转型和工程造价信息数据库的构建全貌和发展趋势。参考文献：1张燕.工程造价管理数据库的建立与应用 .冶金矿山设计与建设，2000(6):22-25,41.2张勇.公路工程造价数据库的研究与设计 J.中外公路，2 0 0 2(6)：80-82.3李志强.论工程造价的信息化管理 .经济师，2 0 0 4（4)：2 7 3-2 7 5.4王冲.建设项目工程造价管理信息系统构建及运用 J.企业经济，2013(2):73-75.5黄伟标.信息技术在建设工程造价中的应用与发展 .中小企业管理与科技（上旬刊），2 0 12（4）：3 0 5-3 0 6.6雷凯，黄硕康，方俊杰，等.智能生态网络：知识驱动的未来价值互联网基础设施 .应用科学学报，2 0 2 0（1)：152-17 2.7翟红刚.区块链技术在工程招投标的应用研究 D.郑州：郑州大价方法 J.岩土工程学报，2 0 2 1（5）：7 9 5-8 0 3.9王晓华，贾文彪，胡长明，等.地下连续墙成槽施工槽壁稳定时空效应的分析 J.工业建筑，2 0 2 2（2)：10 1-10 7.10薛青松，林永亮，周忠群，等考虑承压水地连墙穿越粉砂层槽壁稳定性分析 J.华南地震，2 0 2 2（1)：119-12 6.收稿日期：2 0 2 3-0 3-16作者简介：董光辉，硕士，助理工程师，任职于上海地铁咨询监理科技有限公司。通信地址：上海市徐汇区宛平南路7 5号2 号楼3 楼上海地铁咨询监理科技有限公司。学,2 0 2 1.课题项目：深圳市科技计划重点基础研究（JCYJ20220818100810023）基2 0 2 2 0 0 7 2 区块链网络控制、安全存储及攻击防御方法研究收稿日期：2 0 2 3-0 4-19作者简介：徐恩利，毕业于天津大学，硕士，高级工程师，任职于北京大学深圳研究生院深圳市内容中心网络与区块链重点实验室（IC NLA B）、深业集团有限公司，email:；汤佩豫，任职于北京大学深圳研究生院深圳市内容中心网络与区块链重点实验室（ICNLAB）；方欣，任职于北京大学深圳研究生院深圳市内容中心网络与区块链重点实验室（ICNLAB）；陈佩淑，任职于北京大学深圳研究生院深圳市内容中心网络与区块链重点实验室（ICNLAB）；袁国辉，通信作者，主要从事网络与区块链技术研究工作，任职于北京大学深圳研究生院深圳市内容中心网络与区块链重点实验室（ICNLAB），E-ma i l:y u a n g h p k u.e d u.c n，联系电话：[phone]。通信地址：广东省深圳市南山区丽水路2 19 9 号北京大学深圳研究生院。