CN113673019A - 一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法。本发明首先收集工程详细的地质及水文资料，随后建立异形槽段槽壁整体失稳计算模型，最后基于极限平衡法，计算滑动体的下滑力和抗滑力，计算得到保证整体稳定所需的最小泥浆重度。本发明针对地下连续墙双折角槽段，考虑到场地超载等各种因素对槽壁稳定影响，最终建立针对双折角处的槽壁整体失稳计算模型，计算模型具有精度高、效率高、可靠度高的优点，有着较强的实用性，应用前景广泛。

Description

一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法。

背景技术

地下连续墙作为基坑围护的一种重要形式，由于其墙体刚度大、整体性强，可逆作法施工等优点得到广泛应用。其施工中需在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后在槽内吊放钢筋笼，然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁，作为截水、防渗、承重、挡水结构。

但是，地下连续墙在成槽过程中常常发生槽壁坍塌现象，特别是在软弱疏松土层或含砂性夹层非稳定土层中，进行地下连续墙施工，槽壁坍塌现象更为严重。

目前的研究主要针对矩形槽段以及T型槽段，对于圆形地连墙的双折线形异形槽段研究很少，由于其存在阳角，故槽壁稳定机理与矩形槽段相差甚远，亟需一种可以确定圆形地下连续墙双折角处稳定性的最小重度泥浆方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，目的是基于极限平衡理论，建立整体破坏理论计算模型，纳入诸多影响因素，使建立的模型更为贴近工程实际，计算的结果更为可靠，实现圆形地连墙最小泥浆重度的定量计算，并根据计算得到的泥浆重度值配制泥浆。

针对如图1所示的圆形基坑折线形基槽，本发明的超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，按照以下步骤进行：

(1)根据收集到的施工地地质及水文资料，建立针对超深圆形地下连续墙双折角形槽段的槽壁整体失稳计算模型；

(2)基于极限平衡理论，计算使得抗滑力T_s不小于下滑力T_g的最小泥浆重度γ_s，从而确保槽壁稳定。

其中，所述的针对超深圆形地下连续墙双折角形槽段的槽壁整体失稳计算模型是：将槽壁的滑动破坏产生滑动楔形体简化破坏体：破坏体分为两部分，即上部的三棱柱abcdef与下部的三棱锥defg；破坏体的受力包括：破坏体自重W，破坏体顶面abc上所受超载Q，破坏体侧面abgd与bcfg上所受泥浆压力F_s，破坏体侧滑动面acfd上所受的水压力F_w1，底滑动面dfg上所受的水压力F_w2，破坏体底滑动面dfg上所受法向反力N₁与切向阻力T₁，破坏体侧滑动面acfd上所受法向反力N₂与切向阻力T₂，以此计算槽壁失稳土体的下滑力T_g及抗滑力T_s。

所述的下滑力T_g的计算步骤是：

步骤1：首先，求破坏体的体积；破坏体的自重W等于破坏体的体积乘以土的重度，其中地下水以下的土重度取的浮重度。假定地下水位位于上部三棱柱(abcdef)范围内，因此破坏体体积可分为三部分，水位以上三棱柱(abchij)体积V₁、水位以下三棱柱(hijdef)体积V₂与三棱锥(defg)体积V₃；

地下水位以上破坏体(abchij)的体积为：

地下水位以下破坏体体积为：

则破坏体自重W为：

W＝γV₁+γ'(V₂+V₃) (4)

步骤2：根据水土分算原则，分别计算作用于破坏体滑动面上的土压力P_a和水压力F_W，如下所示：

作用于楔形体矩形侧滑动面(acfd)范围内的主动土压力合力Pa₁为：

作用于楔形体底滑动面(dfg)三角形范围内的主动土压力合力Pa₂为：

主动土压力在中轴面的投影为：

P_a＝P_a1+P_a2 (7)

垂直作用于楔形体矩形侧滑动面acfd上的水压力为：

垂直作用于楔形体下方底滑动面三角形dfg上的水压力为：

步骤3：根据滑动体形状，计算作用于其表面abc上的地面超载值Q，如下所示：

步骤4：根据滑动体自重、地面超载值、土压力和水压力，可计算得到地下连续墙槽壁滑动体的下滑力T_g：

T_g＝(W+Q)sinα+(P_a+F_w1)cosα (11)

所述的抗滑力T_s的具体计算步骤是：

步骤1：泥浆压力可分为两部分，作用于三棱柱abcdef上的泥浆压力与作用于三棱锥dgf上的泥浆压力；

以侧面abgd为例，作用于楔形体侧面上方矩形(abed)范围内的泥浆压力为：

作用于楔形体侧面下方三角形(deg)范围内的泥浆压力为

则泥浆压力在中轴面的投影为

步骤2：根据滑动体几何形状，计算滑动体侧面adfc上的法向反力N₂及切向反力T₂。侧面上的法向反力N₂可按朗肯主动土压力计算：

根据摩尔-库伦强度理论，可求得处于极限平衡状态时滑动面上的抗剪力T₂：

式中，S₂为侧滑动面adfc的面积；

步骤3：通过滑动面方向的力学平衡，求得底滑动面dfg上的法向反力N₁以及抗剪力T₁。

根据楔形体受力平衡可知，滑动面dfg上的法向反力N₁为：

N₁＝(W+Q-T₂)cosα+(F_s-N₂)sinα-F_w2 (17)

根据摩尔-库伦强度理论，滑动面上的抗剪力为：

式中，S₁为底滑动面dfg的面积。

步骤4：将以上各力投影到滑动面方向，可得极限状态的力平衡方程，将以上各力表达式代入可得：

T₁+(F_s-F_w-N₂)cosα＝(W+Q-T₂)sinα (19)

根据泥浆压力和抗剪力，计算地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力T_s，如下所示：

T_s＝F_s cosα+T₁+T₂sinα (20)

所述的最小泥浆重度γ_s的计算步骤如下：

定义安全系数K为滑动体的抗滑力T_s与下滑力T_g的比值，如下式：

当K＝1时，可求得临界泥浆重度γ_s如下：

式中：H_c为楔形体下部高度(m)为，L为槽段长度(m)，H为破坏体高度(m)，H_s为泥浆液面到地表的高度(m)；H_w为地下水位到地表的高度(m)，q为地表超载，kN/m²；γ为土体天然重度，kN/m³；γ′为土体浮重度，kN/m³；c为土体粘聚力(kPa)；

为土体内摩擦角(°)；α为楔形体滑动面与水平面的夹角(°)；β为相邻槽段面夹角(°)；K_a为主动土压力系数；γ_w为水的重度kN/m³；γ_s为泥浆重度，kN/m³。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

(1)本发明针对地下连续墙槽壁双折线角处，基于极限平衡理论，建立整体破坏理论计算模型，考虑了诸多影响因素，建立的模型更为贴近工程实际，计算的结果更为可靠，实现了圆形地连墙最小泥浆重度的定量计算。

(2)本发明所提出的公式，其参数物理意义明确，原理简单，分析效率高，应用方便，具有较强的实用性，应用前景广泛。

附图说明

图1是本发明的圆形基坑多折线形槽段平面示意图；

图2是本发明的楔形滑动体示意图；

图3是本发明的楔形滑动体计算几何模型；

图4是本发明的楔形滑动体受力分析；

图5是本发明实例的地下连续墙槽端划分图；

图6是本发明实例的计算结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请的技术方案做进一步说明。

实施例

本发明实例为昆明市滇中引水盾构接收井，其位于沣源路与昆曲高速交叉转盘处西南角，采用圆形结构，内径15m，外径17m，永久结构总高度77.5m，基坑开挖深度77.3m。地下连续墙成槽深度96.6m，地连墙墙深94m，墙顶至硬化地面高度2.6m，成槽垂直度要求为1/650，采用1.5m厚地下连续墙共计14幅，Ⅰ、Ⅱ期槽段各7个，P1、P2、P3为Ⅰ期槽段，S为Ⅱ期槽段，地下墙接头采用铣接头，Ⅰ、Ⅱ期槽段交错布置，如图5所示。

勘察表明，该段接收井基坑开挖深度范围内涉及的地层主要为<1>素填土、<2>粉质黏土、<2-1>黏土、<2-2>粉土、<3>粉质黏土、<3-1>黏土、<3-2>粉土、<3-3>泥炭质土，地下连续墙成槽深度范围内除上述地层外，还涉及到<4>强风化白云质灰岩，岩土体物理力学参数如下表所示。

表1岩土体物理力学参数表

采用本发明的基于整体稳定性的圆形地下连续墙双折线阳角处泥浆重度确定方法，对保证圆形地连墙阳角处整体稳定的最小泥浆重度γ_s进行计算，单次开挖槽段长度L＝1.9m，地下水位取3.7m，泥浆液面取地面以下0.5m，槽段夹角β取167°，成槽深度为96.6m，各地层参数参照表1，将上述数据代入公式(22)～(31)，可得γ_s计算结果如图6所示。

由图6可知，随着深度增加，维持槽壁稳定所需泥浆重度呈现先增加后稳定的趋势。在阶段Ⅰ中，维持槽壁稳定所需泥浆重度随着深度增加逐渐提高，同时在临近地表区域，由于场地超载的存在，非常容易发生小范围整体失稳，而后在10～30m深度范围内，维持槽壁稳定所需泥浆比重直线上升，以防泥浆质量不佳导致槽壁失稳，建议对该区域进行槽壁加固，加固至30m深度。在阶段Ⅱ中，此时随着深度增加，维持槽壁稳定所需泥浆重度基本维持稳定，其中在60m深度处出现突变，这是由于此时进入岩土交界处的<3.3>泥炭质土，该土层处于岩土结界处所以应力集中，同时由于其天然密度小、天然含水率高，孔隙比大，压缩性高，均匀性差，承载力低、值较低等物理力学特性，该土层容易发生槽壁失稳。在阶段Ⅲ中，维持槽壁稳定所需泥浆重度基本不变，同时临界泥浆重度明显低于阶段Ⅱ，这是由于进入岩层之后，岩层物理力学性质较好，c、

值较高，容易维持槽壁稳定。

总体来说，维持该实例圆形地连墙阳角处整体稳定，所需最小泥浆重度为10.6kN/m³。

上述仅为本发明的具体实施例，但本发明并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，其特征在于按照以下步骤进行：

(1)根据收集到的施工地地质及水文资料，建立针对超深圆形地下连续墙双折角形槽段的槽壁整体失稳计算模型；

(2)基于极限平衡理论，计算使得抗滑力T_s不小于下滑力T_g的最小泥浆重度γ_s，从而确保槽壁稳定。

2.如权利要求1所述的一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，其特征在于所述的针对超深圆形地下连续墙双折角形槽段的槽壁整体失稳计算模型是：将槽壁的滑动破坏产生滑动楔形体简化破坏体：破坏体分为两部分，即上部的三棱柱abcdef与下部的三棱锥defg；破坏体的受力包括：破坏体自重W，破坏体顶面abc上所受超载Q，破坏体侧面abgd与bcfg上所受泥浆压力F_s，破坏体侧滑动面acfd上所受的水压力F_w1，底滑动面dfg上所受的水压力F_w2，破坏体底滑动面dfg上所受法向反力N₁与切向阻力T₁，破坏体侧滑动面acfd上所受法向反力N₂与切向阻力T₂，以此计算槽壁失稳土体的下滑力T_g及抗滑力T_s。

3.如权利要求2述的一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，其特征在于所述的下滑力T_g的计算步骤是：

步骤1：首先，求破坏体的体积；破坏体的自重W等于破坏体的体积乘以土的重度，其中地下水以下的土重度取的浮重度。假定地下水位位于上部三棱柱(abcdef)范围内，因此破坏体体积可分为三部分，水位以上三棱柱(abchij)体积V₁、水位以下三棱柱(hijdef)体积V₂与三棱锥(defg)体积V₃；

地下水位以上破坏体(abchij)的体积为：

地下水位以下破坏体体积为：

则破坏体自重W为：

W＝γV₁+γ'(V₂+V₃) (4)

步骤2：根据水土分算原则，分别计算作用于破坏体滑动面上的土压力P_a和水压力F_W，如下所示：

作用于楔形体矩形侧滑动面(acfd)范围内的主动土压力合力Pa₁为：

作用于楔形体底滑动面(dfg)三角形范围内的主动土压力合力Pa₂为：

主动土压力在中轴面的投影为：

P_a＝P_a1+P_a2 (7)

垂直作用于楔形体矩形侧滑动面acfd上的水压力为：

垂直作用于楔形体下方底滑动面三角形dfg上的水压力为：

步骤3：根据滑动体形状，计算作用于其表面abc上的地面超载值Q，如下所示：

步骤4：根据滑动体自重、地面超载值、土压力和水压力，可计算得到地下连续墙槽壁滑动体的下滑力T_g：

T_g＝(W+Q)sinα+(P_a+F_w1)cosα (11)。

4.如权利要求1所述的一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，其特征在于所述的抗滑力T_s的具体计算步骤是：

步骤1：泥浆压力可分为两部分，作用于三棱柱abcdef上的泥浆压力与作用于三棱锥dgf上的泥浆压力；

以侧面abgd为例，作用于楔形体侧面上方矩形(abed)范围内的泥浆压力为：

作用于楔形体侧面下方三角形(deg)范围内的泥浆压力为

则泥浆压力在中轴面的投影为

步骤2：根据滑动体几何形状，计算滑动体侧面adfc上的法向反力N₂及切向反力T₂；侧面上的法向反力N₂可按朗肯主动土压力计算：

根据摩尔-库伦强度理论，可求得处于极限平衡状态时滑动面上的抗剪力T₂：

式中，S₂为侧滑动面adfc的面积；

步骤3：通过滑动面方向的力学平衡，求得底滑动面dfg上的法向反力N₁以及抗剪力T₁；

根据楔形体受力平衡可知，滑动面dfg上的法向反力N₁为：

N₁＝(W+Q-T₂)cosα+(F_s-N₂)sinα-F_w2 (17)

根据摩尔-库伦强度理论，滑动面上的抗剪力为：

式中，S₁为底滑动面dfg的面积；

步骤4：将以上各力投影到滑动面方向，可得极限状态的力平衡方程，将以上各力表达式代入可得：

T₁+(F_s-F_w-N₂)cosα＝(W+Q-T₂)sinα (19)

根据泥浆压力和抗剪力，计算地下连续墙槽壁滑动体的抗滑力T_s，如下所示：

T_s＝F_scosα+T₁+T₂sinα (20)。

5.如权利要求1所述的一种超深圆形地下连续墙双折角形槽段泥浆重度确定方法，其特征在于所述的最小泥浆重度γ_s的计算步骤如下：

定义安全系数为滑动体的抗滑力T_s与下滑力T_g的比值，如下式：

当K＝1时，可求得临界泥浆重度γ_s如下：

式中：H_c为楔形体下部高度(m)为，L为槽段长度(m)，H为破坏体高度(m)，H_s为泥浆液面到地表的高度(m)；H_w为地下水位到地表的高度(m)，q为地表超载，kN/m²；γ为土体天然重度，kN/m³；γ′为土体浮重度，kN/m³；c为土体粘聚力(kPa)；

为土体内摩擦角(°)；α为楔形体滑动面与水平面的夹角(°)；β为相邻槽段面夹角(°)；K_a为主动土压力系数；γ_w为水的重度kN/m³；γ_s为泥浆重度，kN/m³。

Images