地下连续墙成槽施工槽壁稳定机制分析

作者简介：丁勇春(1979–)，男，博士，2002 年毕业于扬州大学土木工程专业，现任高级工程师，主要从事基坑工程及港口岩土工程的设计方面的研 究工作。E-mail：ycding@163.com
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丁勇春等：地下连续墙成槽施工槽壁稳定机制分析
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必然产生一定的地层变形与位移，地下连续墙成槽 过程中如控制措施不当，则引起的地面沉降可占后 期总沉降量的 30%～50%[2]。 泥浆护壁成槽过程中槽壁的稳定是保证地下连 续墙顺利施工，控制墙体施工质量的关键，但是开 挖失稳并导致邻近建(构)筑物损坏或生命财产损失 的情况仍然时有发生，其主要原因在于：影响泥浆 护壁条件下成槽开挖稳定的因素众多且关系复杂， 工程技术人员对其认知程度还相当不够，导致成槽 开挖稳定控制的经验性占优，而开挖稳定的科学预 见性不足[3]。 本文针对地下连续墙成槽过程中的槽壁稳定问 题，探讨地下连续墙槽壁稳定的影响因素，分析槽 壁失稳机制和成槽前、后槽壁土体的应力路径，提 出保证槽壁稳定的技术措施，为地下连续墙的设计 与施工提供参考。
周围土体的物理力学性质， 槽壁加固常采用水泥土 搅拌桩、 高压旋喷桩或注浆的方法对地下连续墙槽 段两侧一定范围内的土体进行预加固。 (3) 地下水位 从静力平衡角度来看， 护壁泥浆压力必须大于 地下水压力并平衡掉部分土压力， 泥浆的护壁作用 才能有效发挥。泥浆液面与地下水位之间的相对高 差成为工程实施的控制条件之一，施工中一般均要 求泥浆液面高出地下水位 0.5 m 以上。同时，提高 对场地水文地质条件的认识， 可以提高槽壁失稳的 科学预见性，提前或及时采取有效措施，预防突发 失稳事件的发生[3]。 (4) 槽段形状与尺寸 泥浆护壁成槽开挖工程中槽段的平面形状主 要有圆形(如灌注桩)和矩形(如地下连续墙)，有时 也有“T”形等异形槽段。轴对称的圆形槽的开挖 稳定性要高于矩形和其他形状的槽段， 这是因为轴 对称情况下，槽壁土体径向应力的释放大部分会转 移到环向应力中，形成封闭的环形应力拱。对于矩 形槽，槽段长度则是影响开挖稳定性的主要因素。 有限的整体失稳和局部失稳实例都发生在槽段长 度大于 5 m 的情况[5]。这可能是由于槽段越长，开 挖引起的应力重分布更接近于平面应变， 土拱效应 减弱的缘故。相比而言，开挖深度(通常都在 20 m 以上)似乎对稳定性的影响并不显著。 2.2 外在因素 (1) 成槽机械 成槽机械的重量和施工中的振动对槽壁的稳 定是不利的。 因此地下连续墙在成槽前必须先修筑 导墙，一方面维护地表土层的稳定，避免发生槽口 坍塌， 另一方面作为地下连续墙按设计要求进行施 工的准绳，控制槽段开挖的垂直度。在开挖过程中， 挖斗的形状、 循环往复的提升和下降速度会影响挖 槽中泥浆的流动， 使槽壁周围土体中的孔隙水压力 上升，当泥浆的流动从层流转变为湍流时，槽壁上 的泥皮或土颗粒将会受到冲蚀， 增加局部破坏甚至 可能整体失稳的风险。 从成槽机械对槽壁泥皮的影响来看， 如果用回 转式成槽机进行挖土则不会有太大的影响， 若使用 冲击式或抓斗式的成槽机， 则由于机具在槽段内需 要上下移动，容易把槽壁上的泥皮碰落。在多数情 况下， 槽内的泥浆又会立即在那部分壁面上向土层 渗透，仍可重新形成新的泥皮。但是，当土层是黏
Abstract：Some key issues including inner and outer influencing factors of trench face stability，overall and local instability mechanism of trench face，and stress path of soil element near trench face are discussed in detail to investigate the trench face stability and instability performance during slurry trenching for diaphragm wall panels. The research results show that shallow ground collapse is the major trench face overall instability pattern during slurry trenching，and trench face local collapse is commonly caused by heavily sandy of soil and excessive fluctuation of slurry flux level. Some precautionary construction measures，including increasing unit weight of slurry appropriately，raising slurry fluid level，pre-reclamation of trench face soil，control of trenching machine overloading and manipulation of soil disturbance during slurry trenching，are the most effective countermeasures to ensure the trench face stability. The trench face stability decreases with the dissipation of negative pore pressure after slurry trenching. Therefore，reinforcement cages should be placed into trench in time and concrete should be casted as soon as possible to guarantee the trench face stability. Key words：soil mechanics；diaphragm wall；slurry trenching；trench face stability；collapse；stress path 强，是软土地区常用的一种深基坑围护结构。但目
第 32 卷 增 1 2013Leabharlann Baidu年 1 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.32 Supp.1 Jan.，2013
地下连续墙成槽施工槽壁稳定机制分析
丁勇春 1，李光辉 1，程泽坤 1，王建华 2，陈锦剑 2
(1. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2. 上海交通大学 土木工程系，上海 200240)
hw 为地下水位至地面距离。
根据静力等效假定将槽段内泥浆液面和槽段 外地下水位抬升至与地面平齐， 同时修正相关物理 参数。计算假定如下：(1) 简化后地下水位与地面 平齐，槽壁土体为饱和黏性土，成槽开挖是相对短 暂的过程，按不排水状态考虑，即 0 ；(2) 滑 动体为楔形(沿槽段长度方向取单位宽度)，且滑动 面为直线，滑动面与水平面夹角 按塑性极限破坏 理论应为 45 / 2 ，因 0 ，则 45 ；(3) 在 静力平衡计算中，不单独考虑静水压力，采用水土 合算确定水土压力；(4) 因 0 ，滑动面底部抗 力 R 与滑动面法向夹角 0 。 由图 1(b)可知，滑动体竖向合力为 1 eqv 2 H qH F下 W eqv qH 2 sat (1) 2 F上 cH 2 R 滑动体水平合力为 1 F右 Fbeqv cH 2 beqv H 2 cH (2) 2 F左 2 R 根据静力平衡原理，由 F下 F上 及 F左
Fig.1
b
Fb W
eqv v
W eqv
eqv sat
H
sat
c R
Fbeqv
c R

(a) 实际模型
(b) 等效模型
图1
槽壁稳定整体简化分析模型
Model of overall stability analysis of trench face
效重力，c 为土体黏聚力， 为滑动破坏面与水平 面夹角，R 为滑动面底部抗力， 为滑动体底部抗 力与滑动面法向夹角， hb 为泥浆液面至地面距离，
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岩石力学与工程学报
q hb q hw
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性小的砂层或砂砾层时， 或者泥皮被成槽机连续大 面积碰落时，槽壁就会在新泥皮形成前坍塌。因此， 为了保护槽壁的泥皮， 也必须注意施工机械的选择 问题。 (2) 地面超载 地下连续墙周边地面超载主要来自大型施工 机械的压载及振动，地面超载会增加槽壁外土压 力。应尽量使大型施工设备远离槽段，同时采用刚 性地面或铺设路基钢板加以保护， 并避免在槽段周 围堆放钢筋等施工材料。 (3) 施工工艺 不同槽段成槽的先后顺序对槽壁的稳定也有 一定的影响。一般采用间隔施工(跳仓法)比顺序施 工更有利于地基水平土拱效应的发挥， 从而提高开 挖的稳定性。此外，开挖时间或成槽后的静置时间 如果过长，泥浆会发生絮凝和沉淀，上部泥浆的比 重将减小，降低槽壁的稳定性。
摘要：针对地下连续墙成槽施工过程中的槽壁稳定性及其失稳现象，分别从地下连续墙槽壁稳定影响因素、槽壁 整体及局部失稳机制、不同施工阶段槽壁土体的应力路径 3 个方面进行分析。研究结果表明：浅层失稳是泥浆护 壁成槽施工过程中槽壁整体失稳的主要形式，局部失稳多由槽壁土体砂性较重及槽段内泥浆液面波动过大引起； 适当增加泥浆比重、提高泥浆液面标高、槽壁预加固、控制成槽机械地面超载及降低开挖对土体的扰动可有效保 证槽壁的稳定；开挖后槽壁稳定性会随土体负孔隙水压力的消散而下降，成槽后应及时吊放钢筋笼并及早浇筑混 凝土。 关键词：土力学；地下连续墙；泥浆成槽；槽壁稳定；坍塌；应力路径 中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)增 1–2704–06
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槽壁稳定影响因素
2.1 内在因素 (1) 泥浆性质 膨润土泥浆具有触变性， 这是由于黏土矿物在 水中会形成薄板状颗粒的悬液，颗粒表面和端头分 别带有负电荷和正电荷， 通过正负电荷间的引力作 用，在颗粒间形成弱胶结，使得膨润土泥浆在静置 时絮凝，扰动时液化 。由于槽壁稳定机制是借助 泥浆与地下水位差的作用来抵抗槽壁外水土压力， 从而维持槽壁的稳定， 因而一般要求新拌制泥浆的 比重不小于 1.05。成槽后，泥浆由于受到泥砂“污 染”使比重增大，如果泥浆比重过大，不但影响混 凝土的浇筑，同时由于泥浆的流动性差，会使泵送 混凝土困难并且消耗输送设备的功率， 所以一般清 底后泥浆比重不应大于 1.15。 (2) 地质条件 泥浆具有护壁作用的一个重要原因是泥浆能 够渗入槽壁周围土体孔隙内， 并在槽壁上形成凝胶 层，即泥皮。就槽壁上泥皮的形成条件来看，粗粒 土较细粒土有利，但粗粒土的渗透系数大，渗透系 数过大又可能会造成泥浆的流失并引起泥浆液面 的迅速下降，进而可能造成槽壁局部坍塌，因此土 体粒径与泥皮形成两者间存在矛盾关系。 施工场地的土层是自然沉积形成的， 施工中无 法选择， 工程中常采用地基加固的措施来改善槽壁
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引
言
前基坑变形控制设计主要针对基坑开挖阶段，一般 认为地下连续墙“假想就位”[1]，即不考虑地下连 续墙成槽施工引起的地层变位。事实上，地下连续 墙成槽施工也经历了一系列开挖和土体扰动过程，
现浇地下连续墙具有刚度大、整体性好、防渗 性强等优点，对复杂地质条件和施工条件的适应性
收稿日期：2012–08–16；修回日期：2012–09–05
ANALYSIS OF TRENCH FACE STABILITY OF DIAPHRAGM WALL PANEL DURING SLURRY TRENCHING
DING Yongchun1，LI Guanghui1，CHENG Zekun1，WANG Jianhua2，CHEN Jinjian2
(1. CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China； 2. Department of Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)