CN102094416B - 基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法 - Google Patents

Abstract

一种建筑工程技术领域的基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，通过搜索法确定安全系数的最小值，判断阳角处槽壁的稳定性，调整泥浆容重，直至阳角处槽壁安全系数大于1；然后依次制作导墙、配置化学泥浆，并根据地质条件和筑墙深度选用成槽机械进行挖槽施工；再采用单机起吊或双机抬吊方式进行钢筋笼加工与吊放，最后插入直径与墙厚相同的接头管，在护壁泥浆下用导管灌注混凝土并拨动接头管，最后根据混凝土顶端的凝结状态全部拔出接头管。本发明具有确定精度高和分析效率高等优点，大大提高的了地下连续墙成槽施工中阳角处槽壁稳定性及泥浆容重分析的精度和效率。

Description

基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法。

背景技术

地下连续墙施工方法，就是利用成槽机械，采用泥浆进行护壁，向地下钻挖具有一定长度和深度的沟槽，然后在槽段内放入预制的钢筋笼，灌注水下砼筑成一段钢筋砼墙段，并逐段连接起来形成一道连续封闭的地下墙体。地下连续墙由于其性好、墙体刚度大，支护结构变形较小；墙身具有良好的抗渗能力；可作为地下结构外墙；可用于多种地质条件下施工等诸多特点，是基坑围护工程中普遍使用的围护型式。在地下连续墙成槽施工全过程中泥浆需始终充满槽段，起着液体支撑、保持阳角处槽壁土体的稳定等作用，使墙体在筑成之前不会出现阳角处槽壁坍塌的危险。

经对现有国内外技术文献的检索，徐殿祥在《中国土木工程学会第三届年会论文集》1986，No11，pp.12-16上发表的“论地下连续墙施工中槽壁稳定与泥浆”，研究了泥浆、地下水、土压力三者的相互作用，通过力的平衡，分析了槽壁的稳定性。王盼在《路基工程》2010，No4，pp.218-220上发表了“T形地下连续墙阳角处槽壁稳定性分析”，通过力的平衡，研究了T形槽阳角处槽壁稳定安全系数，没有考虑槽长的影响。刘建航、侯学渊主编的《基坑工程手册》(1997)，介绍了抛物线圆柱体法、梅耶霍夫经验公式法以及非粘性土的经验公式法。抛物线圆柱体法是利用极限平衡方法，假设滑动体为抛物线圆柱体，通过力的平衡，得出槽壁的安全系数。梅耶霍夫经验公式法是根据现场试验获得的公式。

极限分析理论是通过能量方程建立起来的理论，所以极限分析理论是比极限平衡更优越的理论。目前还没发现用极限分析理论研究阳角处槽壁稳定性的文献，本发明利用极限分析理论，得出了地下连续墙成槽过程中阳角处槽壁稳定性方法，从而确定泥浆容重等施工参数的大小。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，具有确定精度高和分析效率高等优点，大大提高的了地下连续墙成槽施工中阳角处槽壁稳定性及泥浆容重分析的精度和效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，充分收集工作区已有地质资料，掌握场地土质情况，确定土质的粘聚力c、内摩擦角

容重γ，确定泥浆的容重γ_w、槽深h、槽长B、泥浆表面到地面的距离h_w，把各参数代入到阳角处槽壁失稳安全系数公式，利用搜索法确定安全系数的最小值。

所述的确定土质的粘聚力c、内摩擦角容重γ是指：通过取样试验或原位试验，测定出土的内摩擦角

和粘聚力c，通过环刀法等测定土容重试验，测定出土的容重γ。

所述的确定泥浆的容重γ_w、槽深h、槽长B、泥浆表面到地面的距离h_w是指：根据工程项目地下连续墙设计深度，确定槽深h、槽长B，根据制定的连续墙施工方案，确定泥浆的容重γ_w、泥浆表面到地面的距离h_w。

所述的利用搜索法确定安全系数的最小值是指：根据确定安全系数公式

计算得到安全系数，其中：c为土的粘聚力(kPa)，

为土的内摩擦角(kPa)，γ为土体的容重(kN/m3)，γ_w为泥浆的容重(kN/m3)，h为槽深(m)，B为槽长(m)，h_w为泥浆表面到导墙表面的距离(m)，θ₀、θ_h为中间变量，可通过

求得，

y₂＝a-x₃cotμ+xcotμ，y₃＝d+xcotμ，h′＝xcotμsinθ-x₁，tanμ＝cosθ，

f₄＝(r_m+y)²cosθ，

通过变化θ₀、θ_h，搜索出安全系数F的最小值，即为地下连续墙成槽过程中阳角处槽壁失稳安全系数，其中：r、r′、r₀、r′₀、r_m、r_x1、r_x2、R、θ、a、d、h′、μ、θ₁、θ₂、x₁、x₂、x₃、x₄、y₁、y₂、y₃、f₁、f₂、f₃、f₄、f₅、f₆、f₇、f₈为求解过程中用到的中间变量，通过以上方程代换可以全部消去。

第二步，根据安全系数的大小，判断阳角处槽壁的稳定性，调整泥浆容重，直至阳角处槽壁安全系数大于1；然后依次制作导墙、配置化学泥浆，并根据地质条件和筑墙深度选用成槽机械进行挖槽施工；

所述的导墙使用不低于C20的钢筋砼浇筑而成，其深度为1.2～1.5m，高于底面0.1～0.2m。

所述的化学泥浆的有效成分为水、膨润土、碱和纤维素。

所述的成槽机械包括：旋转多头钻、导板抓斗或冲击钻。

所述的挖槽的槽段的的单元长度为6～8m。

第三步，采用单机起吊或双机抬吊方式进行钢筋笼加工与吊放，最后插入直径与墙厚相同的接头管，在护壁泥浆下用导管灌注混凝土并拨动接头管，最后根据混凝土顶端的凝结状态全部拔出接头管。

本发明先通过阳角处的稳定性，确定阳角高度、阳角的宽度、土体参数、泥浆容重等施工参数，然后按照得到的各参数进行优化施工。具有参数物理意义明确，原理简单、精度高、分析效率高、应用方便等优点，为工程实践提供了参考。

附图说明

图1为本发明阳角处滑动示意。

图2为本发明槽壁滑动几何模型。

图3为本发明的实施例当c＝20kPa、γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m、B＝5.2m时F随γ_w/γ变化关系曲线。

图4为本发明的实施例当

γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m、B＝5.2m时F随γ_w/γ变化关系曲线。

图5为当c＝20kPa、

γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m时F随γ_w/γ变化关系曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例应用环境为上海市十六铺地区综合改造(一期)工程。该工程的施工场地东侧为黄浦江防汛墙，防汛墙为20世纪70年代建设，并于90年代初期经过加高加固。场地西侧为中山东二路，交通繁忙，且有地下管线分布，新建临时防汛墙已将施工区域和管线、道路有效隔离。

本工程陆域范围建筑物的基坑工程分为A、B、C和D共4个施工区，围护结构采用800mm厚、27m～28m深地下连续墙，坑内采用三道水平钢筋混凝土支撑，基坑开挖方式为常规顺作施工，基坑开挖深度13.5m，基坑总延长1200m，属一级基坑，基坑变形控制标准严格。

本实施例包括以下步骤：

1)充分收集工作区地质资料，通过取样试验或原位试验，测定出土的内摩擦角

粘聚力c＝20kPa，土的容重γ＝17.5kN/m³。

2)根据工程项目地下连续墙设计深度及施工方案，确定槽深h＝27m、槽长B＝6m，泥浆的容重γ_w＝12kN/m³，泥浆到导墙表面的距离h_w＝1m。

3)如图1所示，把各参数代入到由阳角处槽壁失稳推导出的求解安全系数公式(1)，通过变化θ₀、θ_h，搜索出安全系数最小值F＝1.99。

4)由于F大于1，说明阳角处槽壁处于稳定状态，不会发生失稳现象。

5)制作导墙，使用不低于C20的钢筋砼浇筑而成，导墙中心线与连续墙轴线偏差不得大于±10mm，导墙内壁面垂直度不得大于0.5％，墙面平整度小于5mm，导墙平面位置±10mm。

6)配制泥浆，根据上面确定的泥浆容重进行配制，采用优质粘土作为制浆材料，粘土的塑性指标大于20，含砂率小于5％，粘度18～25S。

7)挖槽施工，挖槽机械采用液压抓斗成槽。在整个成槽过程中随时进行纠偏，始终保持显示精度在良好范围内。

8)钢筋笼加工与吊放，根据设计图纸对钢筋笼进行加工制作，其中纵向钢筋底端距槽底的距离10cm～20cm，水平钢筋的端部至混凝土表面留5cm～15cm的间隙。吊安时采用辅助起吊的扁担梁，对于较长的钢筋骨架，考虑两台吊车辅助起吊的方法。

9)接头与砼浇注，插入直径与墙厚相同的接头管，在护壁泥浆下用导管灌注混凝土，在用导管开始灌注混凝土前为防止泥浆混入混凝土，在混凝土浇注约2小时后，采用起重机从墙段内将接头管慢慢地拔出来。先每次拔出10cm，拔到1.0m，再每隔半小时拔出0.5m，最后根据混凝土顶端的凝结状态全部拔出接头管。

为便于进行确定结果的对比和分析，分别制作图2、图3和图4。图2为当c＝20kPa、γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m、B＝5.2m时F随γ_w/γ变化关系曲线，由图可以看出，安全系数F随泥浆容重与土体容重之比γ_w/γ的增加而增加，随土体内摩擦角的增加而加。

图3为当

γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m、B＝5.2m时F随γ_w/γ变化关系曲线，由图可以看出，安全系数F随泥浆容重与土体容重之比γ_w/γ的增加而增加，随土体粘聚力的增加而增加。

图4为当c＝20kPa、

γ＝17.5kN/m³、h_w＝1m、h＝20m时F随γ_w/γ变化关系曲线，由图可以看出，安全系数F随泥浆容重与土体容重之比γ_w/γ的增加而增加，随土体阳角处槽壁宽度的增加而减小。

由实施例可以看出，阳角处槽壁安全系数与土体的粘聚力、土的内摩擦角、土体的容重、泥浆的容重、泥浆到导墙表面的距离有关，通过调整以上各参数，可以控制阳角处槽壁稳定，确定泥浆的配制容重、开槽深度和宽带等。本发明方法理论性强，工程应用方便，结果可靠，应用前景广泛。

Claims (4)

1.一种基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，充分收集工作区已有地质资料，掌握场地土质情况，确定土质的粘聚力c、内摩擦角

容重γ，确定泥浆的容重γ_w、槽深h、槽长B、泥浆表面到导墙表面的距离h_w，把各参数代入到阳角处槽壁失稳安全系数公式，利用搜索法确定安全系数的最小值；

所述的阳角处槽壁失稳安全系数公式为：

根据上述安全系数公式，计算得到安全系数，其中：c为土的粘聚力，

为土的内摩擦角，γ为土体的容重，λ_w为泥浆的容重，h为槽深，B为槽长，h_w为泥浆表面到导墙表面的距离，θ₀、θ_h为中间变量，通过

求得，

$r=r_0{e}^{(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}},$ $r^{\′}=r_0^{\′}{e}^{-(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}},$ $r_m=\frac{r+r^{\′}}{2},$ $R=\frac{r-r^{\′}}{2},$ $a=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}}{r}_0-r_m,$

$d=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_h}{\cos \mathrm{\θ}}{r}_0{e}^{({\mathrm{\θ}}_h-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}}-r_m,$ ${\mathrm{\θ}}_1=\arccos \frac{f_5\cot {\mathrm{\θ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sqrt{1+f_5\sin {\mathrm{\θ}}_0(2+f_5{\csc }^2{\mathrm{\θ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_0)}},$

${\mathrm{\θ}}_2=\arctan \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\cos {\mathrm{\θ}}_h{e}^{({\mathrm{\θ}}_h-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}}},$ $r_{x1}=\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}}{r}_0,$ $r_{x2}=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_h}{\cos \mathrm{\θ}}{r}_0{e}^{({\mathrm{\θ}}_h-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}},$

$x_2=[\sqrt{R^2-{(a-x_3\cot \mathrm{\μ})}^2{\sin }^2\mathrm{\μ}}-(a-x_3\cot \mathrm{\μ})\cos \mathrm{\μ}]\sin \mathrm{\μ},$ $x_3=\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ})\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\sin \mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}_2}{r}_0,$

$x_4=(\sqrt{R^2-d^2{\sin }^2\mathrm{\μ}}-d\cos \mathrm{\μ})\sin \mathrm{\μ},$ $y_1=\sqrt{R^2-x^2},$ y₂＝a-x₃cotμ+xcotμ，y₃＝d+xcotμ，h′＝xcotμsinθ-x₁，tanμ＝cosθ，

$f_1=\frac{1}{2}\sin \mathrm{\θ}\csc \mathrm{\μ}\sqrt{1+{\cos }^2\mathrm{\θ}}{(r_{x1}+x\cot \mathrm{\μ}-x_3\cot \mathrm{\μ})}^2,$

$f_2=\frac{1}{2}\sin \mathrm{\θ}\csc \mathrm{\μ}\sqrt{1+{\cos }^2\mathrm{\θ}}{(r_{x2}+x\cot \mathrm{\μ})}^2,$ $f_3=\frac{\cos \mathrm{\θ}\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\mathrm{\θ})}{{\sin }^4\mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\θ}}_2},$ f₄＝(r_m+y)²cosθ，

$f_5=\frac{h}{h_w}\frac{1}{\sin {\mathrm{\θ}}_h{e}^{({\mathrm{\θ}}_h-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}}-\sin {\mathrm{\θ}}_0},$ $f_6={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}_{x_1}^{x_2}{h}^{\′}{f}_1\mathrm{dxd\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_2}^{{\mathrm{\θ}}_1}{\∫}_{x_1}^{x_4}{h}^{\′}{f}_2\mathrm{dxd\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_1}^{{\mathrm{\θ}}_h}{\∫}_0^{x_4}{h}^{\′}{f}_2\mathrm{dxd\θ},$

$f_7=-r_0^3{\sin }^3{\mathrm{\θ}}_0{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_2}{f}_3\mathrm{d\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}_{x_3}^{x_2}{f}_1\mathrm{dxd\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_2}^{{\mathrm{\θ}}_h}{\∫}_0^{x_4}{f}_2\mathrm{dxd\θ},$

$f_8={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}_0^{x_3}{\∫}_a^{y_1}{f}_4\mathrm{dydxd\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{{\mathrm{\θ}}_2}{\∫}_{x_3}^{x_2}{\∫}_{y_2}^{y_1}{f}_4\mathrm{dydxd\θ}+{\∫}_{{\mathrm{\θ}}_2}^{{\mathrm{\θ}}_h}{\∫}_0^{x_4}{\∫}_{y_3}^{y_1}{f}_4\mathrm{dydxd\θ},$

$r_0=\frac{h\left(\sqrt{R^2-d^2{\sin }^2\mathrm{\μ}}d\cos \mathrm{\μ}\right)\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\θ}{\cos }^2\mathrm{\μ}}}{B[\sin {\mathrm{\θ}}_h{e}^{({\mathrm{\θ}}_h-{\mathrm{\θ}}_0)\tan \mathrm{\φ}}-\sin {\mathrm{\θ}}_0]};$

通过变化θ₀、θ_h，搜索出安全系数F的最小值，即为地下连续墙成槽过程中阳角处槽壁失稳安全系数；

第二步，根据阳角处槽壁失稳安全系数，判断阳角处槽壁的稳定性，调整泥浆容重，直至阳角处槽壁失稳安全系数大于1；然后依次制作导墙、配置化学泥浆，并根据地质条件和筑墙深度选用成槽机械进行挖槽施工；

第三步，采用单机起吊或双机抬吊方式进行钢筋笼吊放，最后插入直径与墙厚相同的接头管，在护壁泥浆下用导管灌注混凝土并拨动接头管，最后根据混凝土顶端的凝结状态全部拔出接头管。

2.根据权利要求1所述的基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，其特征是，所述的化学泥浆的有效成分为水、膨润土、碱和纤维素。

3.根据权利要求1所述的基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，其特征是，所述的成槽机械为：旋转多头钻、导板抓斗或冲击钻。

4.根据权利要求1所述的基于稳定阳角处槽壁的地下连续墙成槽优化施工方法，其特征是，所述的挖槽的槽段的单元长度为6～8m。

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