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摘要：槽壁稳定是地下连续墙施工有序和墙体质量保证的关键。文中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数值分析，提出相应的护壁措施，为在类似地质条件下地下连续墙成槽的设计和施工提供参考。
关键词：地下连续墙，槽壁稳定，稳定性，数值分析，护壁措施
中图分类号：TU476文献标志码：
1引言
随着我国城市地铁建设规模日趋庞大，深基坑工程数量多，深度大、施工难度高等方面发展。地下连续墙已被公认为是深基坑工程中最佳的围护结构之一，具有刚度大、整体性好、抗渗性能力强、施工低噪声和低震动等优点[1]。但是地下连续墙施工中槽壁坍塌事故时有发生，造成邻近建筑物和管线不均匀沉降，甚至有成槽机械设备侧翻的危险。
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。文中根据地下连续墙槽壁失稳机理，通过有限元数值模拟分析，探讨成槽试验存在的问题及其对策。
2槽壁稳定性分析
目前槽壁稳定性分析方法主要有极限平衡法和有限元法两种。极限平衡理论是通过假定槽壁破坏体的滑动面，假定槽壁稳定问题是平面应变问题[2-3]、二维问题[4-5]或三维问题[6-9]，从而建立刚体静力平衡方程。文中通过有限元数值模擬对槽壁稳定性进行分析。
2.1基本假定
根据成槽试验泥浆液面变化范围为30cm~100cm实际情况，分两种工况计算：（1）工况1为泥浆液面距导墙顶面50cm；（2）工况2为泥浆液面距导墙顶面130cm。槽壁稳定分析简图如图5所示。
图1 成槽稳定分析简图
为简便计算作如下假设：1)假设模型中的土层为均质土层。2)不考虑渗流与槽壁的变形耦合作用；3)不考虑路面对槽壁稳定有利的作用；4)泥浆与地下水的合应力为： 。式中：γs为泥浆的重度；hs为泥浆液面至槽底的高度；γw为地下水的重度；hw为地下水位至槽底的高度。
2.2模型建立
文中土体采用摩尔-库伦本构模型。模型成槽深度H=21.5m，地面荷载q=40kN/m2，土层参数见表1所示。考虑地下连续墙的几何对称性，取矩形横截面l/2模型进行计算，即试样模型尺寸为为30m×5m×31.5m（长×宽×高）。模型底部采用固定约束；地表面为自由面；各个侧面除z向自由外，其它两个方向约束。槽壁内侧施加泥浆产生的应力。计算有限元模型采用六面体C3D20R单元模拟，如图2所示。
表1 计算模型土层参数表
土层 密度/ g /c m3 变形模E / MPa 泊松比v 粘聚力c / kPa 内摩擦φ / °
回填土 1.85 12.0 0.375 10 31
粉土 1.90 14.0 0.3 20 27
细砂 1.95 15.0 0.33 11 33
粗砂 1.90 35.0 0.28 0 38
砾砂 1.95 40.0 0.28 0 40
图2网格划分计算模型图图3 工况1变形分布云图
图4 工况2变形分布云图图5 工况2塑性区分布云图
2.3结果分析
成槽开挖时两种不同的工况变形和塑性区分布云图如图3~图5所示。根据有限元计算结果，工况1土体基本上都处于弹性状态，邻近槽壁土体的最大水平位移为18.03mm（如图3）；工况2邻近槽壁土体的最大水平位移为32.36mm（如图4），土体塑性集中区主要出现在距地面1.6 m~4.8 m（如图5），并且因塑性应变突变较大而有限元计算不收敛，槽壁很容易在此发生了坍塌。因此，保持泥浆液面的高度及波动范围是槽壁稳定的关键。
3地下连续墙成槽稳定对策
根据槽壁稳定性数值分析，地下连续墙成槽坍塌主要发生在上部土层，建议采取如下处理措施以保证槽壁稳定。
（1）当表层土体为杂填土、暗浜、管线搬迁等造成的松软土层时，应先清除松软土层，导墙浇筑深度至原状土层或经处理的坚实地基，并在导墙后用质量好的粘土分层回填夯实；当松软土层埋深大于4米时，宜对槽壁两侧进行加固，加固措施有换填、注浆、双轴搅拌、旋喷等，加固深度为穿透松软土层。
（2）严格控制泥浆液面与地下水位的高差，通常采用两种措施：1）若周边环境允许降水时，降低地下水位；2）采用高修导墙的方式提高泥浆液面高度。
（3）为防止成槽过程中细砂层、粗砂层及砾砂层坍塌，应配置高质量泥浆，且及时补充浆液，保持液面距导墙顶面30cm。成槽试验表明在该砂性地层循环泥浆的比重为1.17~1.19，粘度为27~31可以满足要求。
（4）成槽过程应做到紧凑、连续，尽量缩短施工时间。在成槽试验过程中液压抓斗出现故障，拖延了施工进度，增加了槽壁坍塌的风险。抓斗出入泥浆液面时应做到“慢提慢放”，液面波动范围控制在30cm~50cmn内。当地质条件较差或周边环境复杂时，宜减少单元槽段幅长，并跳段开挖。
4结语
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。采用如下相应措施：（1）严格控制泥浆液面与地下水位的高差，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；（2）采用优质浓泥浆，增大泥浆重度；（3）成槽过程应做到紧凑、连续，尽量缩短施工时间。
参考文献
[1]刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册（第二版）[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009. 364.~
[2]Elson W K. An experimental investigation of the stability of slurry trenches[J]. Géotechnique, 1968, 18(3): 37-49.
[3]Morgensten N. Amir-Tahmasseb I.The stability of a slurry trench in cohesionless soils[J]. Géoteehnique, 1965, 16(3): 263-264.
[4]姜朋明, 胡中雄, 刘建航. 地下连续墙槽壁稳定性的时空效应分析[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(3): 338-342.
[5]刘国彬, 黄院雄, 刘建航. 超载时地下连续墙的槽壁稳定分析与实践[J].同济大学学报, 2000, 28(3): 267-271.
[6]杨嵘昌, 刘世同. 地下墙浅表泥浆槽壁的稳定分析-坍体底面涉及地表时的泥浆临界相对密度[J]. 南京建筑工程学院学报, 1997, 41(2): 28-34.
[7]季冲平, 余绍锋. 地下连续墙泥浆槽稳定性分析的一种方法[J]. 华东交通大学学报, 1998, 15(3): 13-17.
[8]张厚美, 夏明耀. 地下连续墙泥浆槽壁稳定的三维分析[J]. 土木工程学报, 2000, 33(1): 73-76.
[9]王轩. 矩形地下连续墙槽壁失稳机理及其分析方法研究[D]. 南京: 河海大学, 2005.
关键词：地下连续墙，槽壁稳定，稳定性，数值分析，护壁措施
中图分类号：TU476文献标志码：
1引言
随着我国城市地铁建设规模日趋庞大，深基坑工程数量多，深度大、施工难度高等方面发展。地下连续墙已被公认为是深基坑工程中最佳的围护结构之一，具有刚度大、整体性好、抗渗性能力强、施工低噪声和低震动等优点[1]。但是地下连续墙施工中槽壁坍塌事故时有发生，造成邻近建筑物和管线不均匀沉降，甚至有成槽机械设备侧翻的危险。
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。文中根据地下连续墙槽壁失稳机理，通过有限元数值模拟分析，探讨成槽试验存在的问题及其对策。
2槽壁稳定性分析
目前槽壁稳定性分析方法主要有极限平衡法和有限元法两种。极限平衡理论是通过假定槽壁破坏体的滑动面，假定槽壁稳定问题是平面应变问题[2-3]、二维问题[4-5]或三维问题[6-9]，从而建立刚体静力平衡方程。文中通过有限元数值模擬对槽壁稳定性进行分析。
2.1基本假定
根据成槽试验泥浆液面变化范围为30cm~100cm实际情况，分两种工况计算：（1）工况1为泥浆液面距导墙顶面50cm；（2）工况2为泥浆液面距导墙顶面130cm。槽壁稳定分析简图如图5所示。
图1 成槽稳定分析简图
为简便计算作如下假设：1)假设模型中的土层为均质土层。2)不考虑渗流与槽壁的变形耦合作用；3)不考虑路面对槽壁稳定有利的作用；4)泥浆与地下水的合应力为： 。式中：γs为泥浆的重度；hs为泥浆液面至槽底的高度；γw为地下水的重度；hw为地下水位至槽底的高度。
2.2模型建立
文中土体采用摩尔-库伦本构模型。模型成槽深度H=21.5m，地面荷载q=40kN/m2，土层参数见表1所示。考虑地下连续墙的几何对称性，取矩形横截面l/2模型进行计算，即试样模型尺寸为为30m×5m×31.5m（长×宽×高）。模型底部采用固定约束；地表面为自由面；各个侧面除z向自由外，其它两个方向约束。槽壁内侧施加泥浆产生的应力。计算有限元模型采用六面体C3D20R单元模拟，如图2所示。
表1 计算模型土层参数表
土层 密度/ g /c m3 变形模E / MPa 泊松比v 粘聚力c / kPa 内摩擦φ / °
回填土 1.85 12.0 0.375 10 31
粉土 1.90 14.0 0.3 20 27
细砂 1.95 15.0 0.33 11 33
粗砂 1.90 35.0 0.28 0 38
砾砂 1.95 40.0 0.28 0 40
图2网格划分计算模型图图3 工况1变形分布云图
图4 工况2变形分布云图图5 工况2塑性区分布云图
2.3结果分析
成槽开挖时两种不同的工况变形和塑性区分布云图如图3~图5所示。根据有限元计算结果，工况1土体基本上都处于弹性状态，邻近槽壁土体的最大水平位移为18.03mm（如图3）；工况2邻近槽壁土体的最大水平位移为32.36mm（如图4），土体塑性集中区主要出现在距地面1.6 m~4.8 m（如图5），并且因塑性应变突变较大而有限元计算不收敛，槽壁很容易在此发生了坍塌。因此，保持泥浆液面的高度及波动范围是槽壁稳定的关键。
3地下连续墙成槽稳定对策
根据槽壁稳定性数值分析，地下连续墙成槽坍塌主要发生在上部土层，建议采取如下处理措施以保证槽壁稳定。
（1）当表层土体为杂填土、暗浜、管线搬迁等造成的松软土层时，应先清除松软土层，导墙浇筑深度至原状土层或经处理的坚实地基，并在导墙后用质量好的粘土分层回填夯实；当松软土层埋深大于4米时，宜对槽壁两侧进行加固，加固措施有换填、注浆、双轴搅拌、旋喷等，加固深度为穿透松软土层。
（2）严格控制泥浆液面与地下水位的高差，通常采用两种措施：1）若周边环境允许降水时，降低地下水位；2）采用高修导墙的方式提高泥浆液面高度。
（3）为防止成槽过程中细砂层、粗砂层及砾砂层坍塌，应配置高质量泥浆，且及时补充浆液，保持液面距导墙顶面30cm。成槽试验表明在该砂性地层循环泥浆的比重为1.17~1.19，粘度为27~31可以满足要求。
（4）成槽过程应做到紧凑、连续，尽量缩短施工时间。在成槽试验过程中液压抓斗出现故障，拖延了施工进度，增加了槽壁坍塌的风险。抓斗出入泥浆液面时应做到“慢提慢放”，液面波动范围控制在30cm~50cmn内。当地质条件较差或周边环境复杂时，宜减少单元槽段幅长，并跳段开挖。
4结语
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。采用如下相应措施：（1）严格控制泥浆液面与地下水位的高差，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；（2）采用优质浓泥浆，增大泥浆重度；（3）成槽过程应做到紧凑、连续，尽量缩短施工时间。
参考文献
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[4]姜朋明, 胡中雄, 刘建航. 地下连续墙槽壁稳定性的时空效应分析[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(3): 338-342.
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[6]杨嵘昌, 刘世同. 地下墙浅表泥浆槽壁的稳定分析-坍体底面涉及地表时的泥浆临界相对密度[J]. 南京建筑工程学院学报, 1997, 41(2): 28-34.
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[9]王轩. 矩形地下连续墙槽壁失稳机理及其分析方法研究[D]. 南京: 河海大学, 2005.