地下連續(xù)墻施工過(guò)程中泥漿護(hù)壁對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響分析*

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433

1 泥漿護(hù)壁理論分析

本文以上海某一已建工程為例進(jìn)行理論及有限元分析，該工程中地下連續(xù)墻施工標(biāo)準(zhǔn)段厚為800 mm，寬為5 000 mm?；炷恋仄汉穸葹?00 mm，導(dǎo)墻尺寸為1 500 mm×800 mm，厚300 mm。

成槽過(guò)程中護(hù)壁泥漿對(duì)槽壁和槽底產(chǎn)生靜水泥漿壓力，靜水泥漿壓力分布如式（1）所示：

在進(jìn)行水下混凝土的澆筑時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段的限制且目前還沒有被工程界廣為接受的流態(tài)混凝土壓力分布模式。1994年，Lings等[1]提出了流態(tài)混凝土壓力雙線性分布模式，可表示為：

式中：hcri——流態(tài)混凝土靜水壓力分布臨界深度，本文計(jì)算模型取hcri=H/3；H為槽段最終開挖深度；

γ混凝土——流態(tài)混凝土重度，取23 kN/m3。

2 三維數(shù)值分析及對(duì)比[2,3]

2.1 模型概況及參數(shù)選取

模型根據(jù)上述工程中地下連續(xù)墻施工標(biāo)準(zhǔn)段常用地墻尺寸進(jìn)行建模分析。模型尺寸為60 m×80 m×100 m。導(dǎo)墻、混凝土地面模型參數(shù)取彈性模量E=24 GPa，泊松比v= 0.2，重度γ= 25 kN/m3。

因地下連續(xù)墻施工時(shí)未進(jìn)行場(chǎng)地降水，且成槽階段均需保持槽段內(nèi)泥漿液面的高度至少高于地下水位0.5 m，地下連續(xù)墻施工階段場(chǎng)地潛水水位一般位于地面以下1 m左右，槽段內(nèi)外的水頭差不大。

故計(jì)算模型中不考慮地下水的滲流效應(yīng)，土體假定為固結(jié)不排水狀態(tài)。土體本構(gòu)模型采用修正劍橋模型，由于修正劍橋模型中單元的體積壓縮量是隨單元平均有效應(yīng)力變化而變化的，因此此模型本身能夠反映土體剛度隨土層深度增加而增大的規(guī)律。

2.2 計(jì)算步驟

模型周圍采用法向約束，模型底部（z=0 m）采用固定約束，地表面（z=100 m）為自由面。按照實(shí)際工程地下連續(xù)墻開挖深度為27 m。模擬開挖順序?yàn)镾1→S2→S3→S4→S5→S6→S7→N1→…→N7，見圖1。除第1、2、3段開挖深度為1.5 m、2.5 m、3 m外，其余段均按5 m進(jìn)行開挖。開挖后槽壁和槽底面施加泥漿重度為10.5 kN/m3的靜水泥漿壓力。因?qū)嶋H施工過(guò)程及環(huán)境復(fù)雜，本計(jì)算為理想施工狀態(tài)下的位移分析，未考慮施工過(guò)程中由于施工機(jī)械振動(dòng)、施工實(shí)際時(shí)間間隔及施工場(chǎng)地超載邊載的影響等。

圖1 開挖順序

2.3 計(jì)算結(jié)果

結(jié)合側(cè)向位移曲線（圖2）可知，成槽開挖階段，槽壁面產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力釋放，周圍土層產(chǎn)生朝槽壁方向的位移（正值表示向槽段內(nèi)側(cè)變形）。成槽開挖階段由于靜水泥漿壓力小于初始土壓力，槽壁在壓力差作用下必然會(huì)產(chǎn)生向槽段內(nèi)側(cè)的側(cè)向變形；成槽過(guò)程中土層最大側(cè)向位移發(fā)生在北段開挖27 m結(jié)束時(shí)，最大值為6.6 mm，最大值發(fā)生的位置為地下埋深約為10 m處。

由混凝土澆筑階段側(cè)向位移曲線（圖3）可知，在混凝土澆筑階段，由于作用在槽壁的雙線性混凝土壓力大于初始K0壓力，在混凝土壓力的推擠作用下，槽壁又會(huì)產(chǎn)生向槽段外側(cè)的側(cè)向變形，即槽壁產(chǎn)生變形恢復(fù)。由于同一深度混凝土壓力與K0壓力間的壓力差遠(yuǎn)大于泥漿壓力與K0壓力間的壓力差，最終槽壁會(huì)向外側(cè)變形。混凝土澆筑過(guò)程中土層最大側(cè)向位移發(fā)生位置為地下埋深約10 m處，最大值為3.2 mm。

2.4 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

測(cè)斜管115-2位于距離槽壁中心線最外側(cè)0.6 m處，測(cè)斜管115-3位于距離槽壁中心線最外側(cè)1.4 m處。對(duì)比分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)115-2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)可知：模擬值在成槽后土體朝向槽壁最大位移值為5.95 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約10 m處；實(shí)測(cè)值最大為5.7 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約11 m處；混凝土澆筑結(jié)束后，模擬值背離槽壁側(cè)向位移值最大為2.3 mm，同樣發(fā)生在土層埋深約10 m處；實(shí)測(cè)值最大為2.3 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約8 m處。具體表現(xiàn)如圖4所示。

圖2 側(cè)向位移曲線

圖3 混凝土澆筑階段側(cè)向位移曲線

同樣，分析距離槽壁1.4 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)115-3數(shù)據(jù)可知：模擬值在成槽后土體朝向槽壁最大位移值為4.2 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約10 m處；實(shí)測(cè)值最大為4.0 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約12 m處；混凝土澆筑結(jié)束后，模擬值背離槽壁側(cè)向位移值最大為2.0 mm，同樣發(fā)生在土層埋深約10 m處；實(shí)測(cè)值最大為2.1 mm，最大值發(fā)生在土層埋深約8 m處。具體表現(xiàn)如圖5所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)115-2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)115-3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

綜上所述，模擬值與實(shí)測(cè)值在最大值處匹配較好，同時(shí)由于模擬過(guò)程中的模型未考慮施工中的機(jī)械振動(dòng)及人為因素，模擬值與實(shí)測(cè)值無(wú)法完全一致。但模擬值與實(shí)測(cè)值均處于同一量級(jí)。因此可認(rèn)為在工程中是可以接受的，可為后續(xù)的模擬提供指導(dǎo)。

3 泥漿液面下降對(duì)槽壁穩(wěn)定性影響分析[4-7]

槽壁開挖過(guò)程中，有時(shí)因補(bǔ)漿不及時(shí)使得護(hù)壁泥漿液面下降，從而泥漿靜水壓力值不足以平衡周圍土壓力值，導(dǎo)致周圍土層向槽壁內(nèi)側(cè)涌動(dòng)加劇甚至發(fā)生槽壁坍方事故。通過(guò)三維有限元分析補(bǔ)漿不及時(shí)導(dǎo)致泥漿液面下降0.5 m、1.0 m、1.5 m及2.0 m時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響。

通過(guò)分析可知，隨著泥漿液面降低值越大，周圍土層朝向土層涌動(dòng)值越大，當(dāng)泥漿液面低于導(dǎo)墻時(shí)，使得一部分低于導(dǎo)墻底面而高于注漿面的土層成為臨空面，產(chǎn)生了較大的側(cè)向位移，具體表現(xiàn)如圖6所示。

根據(jù)圖7可知當(dāng)泥漿液面由正常情況下降2 m時(shí)，其側(cè)向位移由6.01 mm增加到15.1 mm，最大值約增加了151%，即泥漿液面每下降0.5 m，側(cè)向位移增加百分比為37.8%。

圖6 成槽結(jié)束后側(cè)向位移曲線

圖7 泥漿液面下降與最大 側(cè)向位移關(guān)系曲線

由圖8可知隨著泥漿液面下降值越大，導(dǎo)墻下的土層（埋深2 m時(shí)）沉降也越大。同時(shí)，由圖9可知當(dāng)泥漿液面由正常情況下降2 m時(shí)，埋深為2 m處土層的最大沉降量由1.68 mm增加到4.71 mm，最大值增加了約180%，即泥漿液面每下降0.5 m，地層沉降量增加百分比為45.1%?？梢姡诘叵逻B續(xù)墻施工過(guò)程中，由于補(bǔ)漿不及時(shí)對(duì)周圍土層的變形影響較大。

圖8 成槽結(jié)束后土層沉降曲線

圖9 成槽階段泥漿液面下降與 土層沉降量關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)泥漿護(hù)壁的理論分析指導(dǎo)三維有限元模型的建立，并結(jié)合工程已有實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有限元數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。據(jù)此再考慮施工因素如補(bǔ)漿不及時(shí)導(dǎo)致泥漿液面下降對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響分析，具體結(jié)論如下：

（a）對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)115-2模擬值及實(shí)測(cè)值可知，模擬值最大值為5.95 mm，實(shí)測(cè)值最大值為5.7 mm，均發(fā)生在地表以下約10 m處，即數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值在最大值處匹配較好?？蔀楹罄m(xù)的模擬提供指導(dǎo)。

（b）地下連續(xù)墻成槽過(guò)程由于靜水泥漿壓力略小于土層初始?jí)毫χ?，周圍土層朝向槽壁涌?dòng)，同時(shí)在混凝土澆筑階段流態(tài)混凝土壓力值大于土層初始值壓力，槽壁不僅變形恢復(fù)并且最終導(dǎo)致周圍土體會(huì)向槽壁外側(cè)變形。

（c）地下連續(xù)墻成槽開挖過(guò)程中隨著開挖深度的不斷增大，周圍土層側(cè)向位移值也越來(lái)越大；同時(shí)隨著開挖斷面（由南段開挖至北段開挖過(guò)程中）的增加，土層側(cè)向位移增大比較明顯。此外，混凝土澆筑過(guò)程中，周圍土層側(cè)向位移由槽段底部往上逐步得到補(bǔ)償。因此成槽開挖過(guò)程中控制泥漿重度以防止槽壁坍塌、有效控制流態(tài)澆筑混凝土重度以控制充盈系數(shù)是施工關(guān)鍵。

（d）在地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，由于補(bǔ)漿不及時(shí)對(duì)周圍土層的影響較大，當(dāng)泥漿液面由正常情況下降2 m時(shí)，其側(cè)向位移最大值約增加了151%，即泥漿液面每下降0.5 m，側(cè)向位移增加百分比為37.8%。

（e）同時(shí)當(dāng)泥漿液面由正常情況下降2 m時(shí)，埋深為2 m處土層最大沉降量增加約為180%，即泥漿液面每下降0.5 m，地層沉降量增加百分比為45.1%，由此帶來(lái)周圍土層的沉降明顯，進(jìn)而對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物影響較大。因此，由于補(bǔ)漿不足導(dǎo)致泥漿液面下降量越大對(duì)周圍環(huán)境的影響也越大，在施工過(guò)程中需要引起足夠重視。