泥皮作用下的地連墻槽壁穩定性分析

劉衛衛，唐建政，趙民 （濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101）

1 引言

21世紀是地下空間資源大力開發利用的新紀元，近年來我國的地下工程不斷向“長洞線、大埋深、高應力”方向發展[1]。隨著地下工程的深入發展，工程種類越來越多，面臨的地質環境越來越復雜，因此地下工程在開挖過程中面臨的安全問題就越來越多，尤其是深厚軟黏土及砂土中，在黏土或砂土層中成槽時，槽壁因臨空而失穩，對基槽的安全性造成了極大的威脅，在施工中往往采用向槽內注入泥漿的方法來保持槽壁的穩定。事實上，泥漿槽壁的穩定過程就是泥漿與地基土相互作用和影響的過程。實際工程施工過程中，經常采用泥漿護壁方法保持側壁的穩定性，效果比較明顯，應用廣泛。但其作用機理少有學者研究，因此，護壁泥漿對槽壁作用機理的研究，對進一步推廣泥漿護壁應用具有極其重要的作用。

泥漿液對槽壁穩定的影響可以概括為兩點：其一，泥漿的液柱壓力主要靠泥漿比重來調節，液柱壓力隨比重增大，越大槽壁越穩定；其二，泥漿的滲透膠結作用，泥漿壓力與地下水壓力及土壓力產生的壓差將會使泥漿滲透進入地層，在槽壁上形成泥皮且其高分子材料滲入到土體內膠結土體顆粒，以增強土體的內聚力[2]，這是提高泥漿護壁防塌性能最重要的一個因素。

2 泥皮作用下的槽壁穩定分析

2.1 力學分析

在沒有泥皮的情況下，力學示意圖如圖1所示，圖（a）、（b）中的泥漿水平力均可以用以下公式計算。

圖1 計算示意圖

如果用Fs表示△ABC區域的面積，則：

還可以得出：

2.2 泥皮抗剪強度試驗

由于泥漿失水而在槽壁上形成泥皮時，泥漿的實際壓力介于Pf和之間。泥皮的密度、強度和變形特性與所使用的膨潤土性能和用量以及地層條件有著密切關系。在研究中用三軸剪切固結不排水模型試驗來確定泥皮的抵抗變形能力。

采用直徑72mm，高130mm的砂土試樣，在膨潤土泥漿中浸泡12h，在其表面形成一層泥皮，如圖2所示。

圖2 試驗砂樣

采用三軸固結排水剪切試驗，試驗過程中試樣雖發生變形，但仍與泥皮結合。砂土試樣表面的抗剪強度試驗值為0.74N/cm2（圖 3）。雖然這個力比較小，但卻能在一定程度上防止砂子松散坍塌。即使泥皮抗剪強度很小，也可以支持一個位于砂礫地層沒有護壁泥漿的高約2m～3m的溝槽，而不會發生坍塌，這說明，槽壁上形成泥皮時，受泥皮影響其穩定性大大增加。

圖3 帶有泥皮的砂樣三軸試驗結果

2.3 泥漿抗剪強度下穩定性分析

從物理現象的角度觀察槽壁的穩定性，當土顆粒有從槽壁面上脫落進入泥漿的趨勢時，膨潤土泥漿對此有微弱的抵抗作用。為了模擬土顆粒進入泥漿受到的阻力作用，本文建立模型可以將此作為兩塊硬板間的全塑性體的壓縮問題處理，進行以下分析。

取泥漿的微小單元加以研究，其平衡方程。

式中：γf為凝膠狀態時的泥漿容重。

經過模擬分析，當微分體應力狀態滿足下列屈服條件時，泥漿將發生塑性流動。

式中：Cf為泥漿凝膠的抗剪強度。

在合適的邊界條件下，以上2個公式可以求得靜力狀態下的應力。對于寬度為2a的深槽，水平應力：

被動抗力：

因此，對于黏性土中的深槽，經過推導，可采取以下公式（9）推算其安全系數：

由以上公式可以看出，即使泥漿只有極小的抗剪強度，對于增加槽壁穩定性也有一定的作用。

圖4 泥漿微小單元

因為地層的土拱效應和泥漿抗剪強度能夠有效地提高地下連續墻的槽壁穩定性，所以采用“考慮土拱效應和泥漿抗剪強度作用下的穩定性分析”的方法[2]，對槽壁穩定性安全系數進行如下分析：

式中，γ'、分別為槽壁土層和泥漿的浮容重，kN/m3；d為地下水深度，m；φ為土層的不排水抗剪強度；Cf為泥漿抗剪強度，kPa；a為槽寬的1/2，m；H為槽深，m；q為上部施工荷載，kN/m2；Ks為拱效應折減系數（取值為0.1～0.25）。對于膨潤土泥漿其抗剪強度Cf，一般為0.245kPa。

選取多組數據多種工況，采用該方法進行分析計算，得出的結果如表1所示。

泥皮作用下安全系數計算 表1

3 泥皮增強槽壁穩定性計算

本文采用三棱柱模型計算[4-6]與泥皮抗剪強度模型計算相對比。

三棱柱模型考慮的計算參數：成槽長度、地基土天然重度、地基土浮容重、地下水深度、開挖深度、泥漿液面高度、土體的內摩擦角、黏聚力和泥漿重度。

通常情況下，泥皮抗剪強度作用下的分析模型考慮的計算參數：成槽寬度、成槽深度、地基土浮容重、地下水深度、泥漿浮容重、土體內摩擦角、黏聚力、地面載荷、拱效應系數和泥漿抗剪強度。這些條件對于泥漿的作用機理影響很大，不同的地下水深度，對于泥漿的稠度設置不同，土顆粒的粗細，如粗砂、細砂對于泥漿的用量也不同，因此，模型應控制好外界條件，對于模型計算的精確度影響比較大。

其中，從計算參數來看，三棱柱模型考慮泥漿液面高度對槽壁穩定的影響。而另一種方法則考慮了地面施工載荷、泥皮抗剪強度和土拱效應，其因素對于槽壁穩定均有一定影響，泥漿液面的高度低于水位，槽壁穩定性相比泥漿液面高的槽壁穩定性相對較差。地面施工荷載越大泥漿護壁對于槽壁的穩定性作用越明顯，相應的泥皮抗剪強度較大，土拱效應相對比較明顯，兩種方法各有利弊。將典型地層分析中所得出的土層物理力學參數分別代入，進行兩種分析方法的計算對比，計算過程及結果對比詳見表2所示。

兩種模型計算結果對比 表2

從表2不同分析方法及不同工況計算結論分析對比可知，采用泥漿抗剪強度計算模型安全系數高于采用三棱柱模型計算得出的安全系數，兩種模型的內摩擦角變化基本不變，大小相同，相差較大的主要是黏聚力，采用泥漿抗剪強度計算模型所計算得出的黏聚力大于采用三棱柱模型計算得出的黏聚力，對于安全系數的提高起到了重要作用。根據兩種模型計算工況，監測某工程基槽穩定性，通過實際工程的變形監測數據對比，其安全穩定性與采用泥漿抗剪強度計算模型理論得出的安全系數結論相吻合，因此，采用考慮泥漿抗剪強度模型更接近工程實際。

4 結語

①通過對比計算分析，槽壁在泥漿的作用下，失水后的泥漿在槽壁表面會形成致密的泥皮，通過力學分析和三軸固結排水試驗表明，泥皮的抗剪強度雖小，但卻能夠很大程度地提高槽壁穩定性，確保基坑的安全穩定性。

②采用三菱柱計算模型與泥皮抗剪強度計算模型相對比，在考慮泥皮抗剪強度的基礎上，其計算出的安全系數更接近實際情況，表明泥漿作用于槽壁能提高槽壁的穩定性，同時能更準確地確定泥漿的比重參數，節約工程預算。

③考慮泥漿作用下槽壁穩定性相比無泥漿作用可進一步提升，泥漿護壁作用機理即通過漿液將泥皮滲入到松散槽壁中，形成新的穩定槽壁，從而提升了槽壁的穩定性，其對相似地下工程坑壁提升穩定性具有重要參考意義。