软土地区超载作用下地下连续墙的槽壁稳定性分析

王世君，杨 才

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

随着我国地下空间的开发，地下连续墙广泛应用于深基坑工程的支护，具有墙体刚度大、抗渗性能好等优势。在地下连续墙成槽过程中，如何保证槽壁的稳定，对地下连续墙的施工质量至关重要。很多学者对槽壁稳定性进行了研究，Katagiri等[1]通过离心试验证明：超载作用下槽壁更容易发生浅层失稳，分析了地面超载对槽壁稳定性的影响。Fox[2]采用摩尔-库仑模型,考虑了上部受拉区的影响，求出了稳定系数及相应的危险滑动面的倾角。姜朋明等[3]认为槽壁稳定性具有时空效应，通过对成槽前后的槽壁应力状态变化进行分析，推导出槽壁稳定性系数计算公式，但忽略了超载的影响。刘国彬等[4]对超载作用下的槽壁稳定问题进行弹性力学应力应变解答，但没有给出槽壁稳定系数计算公式；王盼等[5]研究了搅拌桩抗剪强度、加固宽度对槽壁整体稳定系数的影响。金亚兵[6-7]认为搅拌桩固壁机制是搅拌桩墙两侧槽头处的搅拌桩的全长横向抗剪力去平衡土压力与泥浆压力差，提出了水泥土搅拌桩合理加固深度和宽度的确定方法。

我国上海、宁波等城市广泛分布厚层状软土，其具压缩性高，强度低，灵敏度高，透水性低等特点。成槽过程中土体容易受扰动发生坍塌。本文运用土力学基本原理，推导了超载作用下地下连续墙的槽壁稳定系数Fs由基本稳定系数Fs1、时效稳定系数Fs2、强度稳定系数Fs3三部分组成，结合算例对槽壁稳定性影响参数进行了分析，为软土地区超载作用下的地下连续墙的设计与施工提供了参考。

1 槽壁应力状态分析

槽壁开挖前，超载作用下的土体的固结基本完成，此时土体的静止侧压力系数为K0。地面以下深度z取单元体M进行分析，计算模型见图1。利用角点法可得超载作用下单元体M的大小主应力为：

总应力σ1=γz+Kcqσ3=K0(Kcq+γ′z)+γwz

(1)

(2)

图1 槽壁单位应力示意图

一般槽段开挖施工速度很快, 可以视为侧向瞬时卸荷的过程，计算模型可以简化为平面应变问题，运用弹性力学中量纲分析法，槽壁开挖应力重分布后单元体M的大小主应力为：

总应力σ1=γz+qσ3=γs(z+h)

(3)

(4)

式中:K0为静止侧压力系数；Kc为角点应力系数，取0.25；q为地面超载，kPa；γ为土的重度，kN/m3；γ′为土的浮重度，kN/m3；γs为泥浆重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；z为计算点距离地面高度，m；h为泥浆面超高，m。

由式(1)、式(3)可知槽壁开挖前后应力状态发生变化，根据有效应力原理，单元体M的孔隙水压力的变化为：

Δσ1=(1-Kc)q

(5)

Δσ3=γs(z+h)-K0(Kcq+γ′z)-γwz

(6)

Δu=B[Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)]

(7)

假设土体饱和，饱和土的孔隙压力系数B=1.0，则

Δu=Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)=(1-A)Δσ3+AΔσ1

(8)

将Δσ1、Δσ3代入式(8)：

Δu=(1-A)[γs(z+h)-K0(Kcq+γ′z)-γwz]+A(1-Kc)q

(9)

从式(9)可知，槽壁开挖引起的负孔隙水压力值一部分是由地面超载引起的。地下连续墙成槽会因土剪胀而产生负孔隙水压力，可以起到瞬时稳定槽壁作用。由槽壁单元体应力状态表达式可画出不同工况下的有效应力莫尔圆，如图2。圆A为槽壁开挖前初始有效应力圆；圆B为超载作用下槽壁开挖后的有效应力圆；圆C为负孔隙水压力消散后的有效应力圆。

图2 槽壁单元体有效应力圆

槽壁开挖或者槽壁失稳是瞬时状态，将有效应力圆B作为研究对象，超载作用下槽壁开挖后有效应力圆B的半径为EO,

(10)

(11)

(12)

从图2可以看出，当土体有效内摩擦角φ′≥临界有效内摩擦角θ时，槽壁单元体M未发生破坏。槽壁单元体M的瞬时稳定条件可以表达为sinθ≤sinφ′，此时表征槽壁稳定安全的富余度可用总稳定系数Fs表示。

(13)

(14)

(15)

(16)

Fs=Fs1+Fs2+Fs3

(17)

超载作用下地下连续墙的槽壁稳定系数Fs由基本稳定系数Fs1、时效稳定系数Fs2、强度稳定系数Fs3三部分组成。从式(14)可看出基本稳定系数Fs1随着超载q的增大而减小，随着泥浆重度γs增大而增大，随着泥浆面超高h的增大而增大。

时效稳定系数Fs2与负孔隙水压力Δu相关，Δu是随时间逐步消散，从式(15)可看出，时效稳定系数Fs2随着超载q的增大而减小，随着泥浆重度γs增大而减小，随着泥浆面超高h的增大而降低。这是因为当其他条件相同，增大泥浆重度和泥浆面超高会增大泥浆压力，从而减小负孔隙水压力引起的吸力，减小时效稳定系数。

强度稳定系数Fs3随着有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′的增大而增大，特别注意的是当开槽深度内有砂层时，抗拉强度很低c′≈0，此时Fs3≈0；对于软弱土层c′和φ′都比较低，Fs3很小。

2 槽壁稳定性影响参数分析

槽壁稳定系数Fs由基本稳定系数Fs1、时效稳定系数Fs2、强度稳定系数Fs3三部分组成，通过某算例采用控制变量法分别分析超载q、泥浆重度γs、泥浆面超高h、有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′对Fs1、Fs2、Fs3以及所占比重Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs的影响。

为了简化计算，算例假设槽壁范围内为均质土，有效黏聚力c′=5 kPa，有效内摩擦角c′=20°，地面超载q=20 kPa，计算点距离地面高度z=10 m，泥浆面超高h=1 m，泥浆重度γs=11 kN/m3，水重度γw=10 kN/m3，静止侧压力系数K0=0.6，孔隙水压力系数A=0.5。

2.1 泥浆重度γs

目前国内泥浆护壁技术中绝大多数采用的是膨润土泥浆，泥浆重度γs介于10 kN/m3～12 kN/m3之间，取γs=10.0 kN/m3、10.5 kN/m3、11.0 kN/m3、11.5 kN/m3、12.0 kN/m3分别计算，计算结果见表1。

表1 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs随泥浆重度变化表

由表1可知， 随着γs增大，Fs、Fs1、Fs3都增大，Fs2减小。且Fs1/Fs>Fs3/Fs>Fs2/Fs，Fs1的占比逐渐增加，Fs2的占比逐渐减小，Fs3的占比不变。提高泥浆重度会增加泥浆压力，减小负孔隙水压力造成的吸力，Fs2减小，但是提高γs会增大Fs1，且增加的幅度大于Fs2减小的幅度，Fs是增大的。γs从10 kN/m3增加到12 kN/m3，Fs提高了42%，可见增大泥浆重度是增加槽壁稳定性的有效措施之一，但是目前施工技术提高泥浆重度来增加稳定系数的作用是有限的。

2.2 地面超载q

地面超载q受周边建构筑物、新回填土厚度、重型施工机械等影响，取q=10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa分别计算，计算结果见表2。

由表2可知，随着q的增大，Fs、Fs1、Fs2、Fs3都减小，且Fs1/Fs>Fs2/Fs>Fs3/Fs，Fs1占比逐渐增加，Fs2和Fs3的占比逐渐减小。q从10 kPa增加到50 kPa，Fs降低了30%，可见地面超载对槽壁稳定系数的影响很大，施工时应避免槽壁两侧大面积堆载。

2.3 泥浆面超高h

泥浆面超高h指的是泥浆液面与地下水位面之间的相对高差，泥浆压力大于地下水压力从而抵消部分土压力。根据实际工程经验，一般要求泥浆液面高出地下水位0.5 m～1.5 m作为控制条件。取h=0.50 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m分别计算，计算结果见表3。

表2 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs随地面超载变化表

表3 Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs随泥浆面超高变化表

由表4可知，随着h的增大，Fs、Fs1、Fs3都增大、Fs2减小，且Fs1/Fs>Fs3/Fs>Fs2/Fs，Fs1的占比逐渐增加，Fs2的占比逐渐减小，Fs3的占比不变。提高h增加泥浆压力，与水压力差可抵消部分土压力，Fs1、Fs3增大；同时泥浆压力的增大会减小负孔隙水压力造成的吸力，Fs2减小，Fs1、Fs3增大的幅度大于Fs2减小的幅度，Fs是增大的。h从0.5 m增加到1.5 m，Fs提高了15%，可见增大h也是增加槽壁稳定性的有效措施之一，但通过提高h来增加稳定系数的作用是有限的。

2.4 有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′

选取宁波某地铁车站的土层参数进行槽壁稳定系数计算，详勘阶段土层参数见表4，计算结果见表5。

表4 土层参数表

表5 不同土层的Fs1、Fs2、Fs3以及Fs1/Fs、Fs2/Fs、Fs3/Fs计算表

不同土层的c′和φ′比较②2T<③2<⑤1，计算结果显示：Fs(②2T)Fs2(③2)>Fs2(⑤1)；Fs3(②2T)

3 工程实例

3.1 工程概况

钱湖北路站是宁波市轨道交通3号线一期工程的车站，为地下二层岛式站，车站标准段底板埋深为19.53 m，围护结构采用800 mm厚地下连续墙+混凝土(第一道支撑)和钢管内支撑体系，连续墙插入比约为0.94。该车站周边环境复杂，车站主体站位基本全位于前塘河之下，前塘河宽度约30.0 m，水深约1.0 m～1.5 m，河床底标高为-0.60 m～1.10 m，淤泥厚约0.4 m～0.8 m，呈南北走向。场地属典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，其具“天然含水率大于或等于液限，天然孔隙比大于或等于1.0，压缩性高，强度低，灵敏度高，透水性低”等特点。槽壁开挖范围主要软土层为①3层淤泥质黏土、②2T层淤泥、②2层淤泥质黏土、③2粉质黏土。

3.2 槽壁稳定计算

前塘河河道改移后回填土厚度3.2 m，考虑附加荷载和施工荷载，按50 kPa计。泥浆重度γs=11.5 kN/m3，泥浆面超高h=1 m，γw=10 kN/m3，孔隙水压力系数A=0.5，其余土层参数见表6。

表6 土层参数表

地下连续墙成槽施工时，槽段位于原河道范围内，原河道回填时间短，回填土尚未密实；回填土对原河底以下软弱土层产生堆载效应，下部土体会产生再次固结沉降，固结沉降过程漫长，尚未稳定，在超载作用下软弱土层极易发生塌孔。地下连续墙槽孔的开挖深度为40 m, 研究表明失稳往往发生在表层或深度约5 m～15 m内的浅层土中[8-11],为防止地墙槽壁塌孔，设计方案拟在槽壁两侧各增设两排Φ850@600三轴水泥土搅拌桩地基加固，加固深度16 m，穿透③2层粉质黏土。槽壁加固方案见图3。

图3 槽壁加固方案剖面图

(18)

(19)

根据以往工程经验槽壁失稳往往发生在表层土或深度在5 m～15 m内的浅层土中，经计算加固前与加固后槽壁稳定系数见表7。

表7 加固前、后槽壁稳定性计算结果

经计算地基加固前的Fs(①3)、Fs(②2T)、Fs(②2)、Fs(③2)均<1.0，加固后各土层的Fs均>1.0，槽壁稳定性满足要求。槽壁两侧各增设两排Φ850@600三轴水泥土搅拌桩加固后，地下连续墙成槽顺利，未发生塌孔现象，地表沉降在可控范围之内，说明加固方案合理可行。

4 结 语

(1) 槽壁稳定系数FS由基本稳定系数Fs1、时效稳定系数Fs2、强度稳定系数Fs3三部分组成。增大泥浆重度和增大泥浆面超高可增大泥浆压力，可有效的提高槽壁稳定性，受目前施工技术限制，用这两种方法增加稳定系数的作用是有限的，施工时应予以充分利用。

(2) 地面超载q从10 kPa增加到50 kPa，槽壁稳定系数降低了30%，地下连续墙成槽时应避免槽壁两侧大面积堆载、避免重型机械走动，尽可能减小施工扰动。

(3) 土体有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′对槽壁稳定系数影响很大，当土层强度指标达到一定程度，强度稳定系数占比可与基本稳定系数相当。对于软弱土层和砂性土层，槽壁极容易坍塌，应采取水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等加固措施，提高槽壁稳定性。

(4) 大面积超载作用下，采用三轴水泥土搅拌桩对有深厚软土层的槽壁进行加固，加固后槽壁稳定系数均>1.0，施工过程中地下连续墙成槽顺利。