基于位移標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性分析

摘" 要" 隨著周圍環(huán)境對(duì)地下工程施工要求的提高，構(gòu)建以沉降為標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法、實(shí)現(xiàn)地連墻成槽期間的地表沉降控制已經(jīng)成為工程中亟待解決的關(guān)鍵問題。以臺(tái)州市域鐵路S1線一期工程車站地連墻施工為背景，通過有限元方法分析了槽壁加固對(duì)地表沉降的影響，基于參數(shù)折減法研究了不同沉降標(biāo)準(zhǔn)的地連墻槽壁穩(wěn)定的安全系數(shù)，分析了不同加固條件對(duì)槽壁變形穩(wěn)定的影響，構(gòu)建了以沉降為標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明，槽壁加固能有效實(shí)現(xiàn)地表的沉降控制，以沉降為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行新的表征，可以實(shí)現(xiàn)槽壁加固的量化分析，沉降標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格，相同安全系數(shù)條件下所需的槽壁加固深度越深。合理選擇槽寬和加固深度是有效控制槽壁穩(wěn)定和變形的關(guān)鍵，槽寬越大，槽壁加固深度對(duì)槽壁的變形和安全系數(shù)的提升作用越大。此外，還給出了不同槽寬條件下安全提高系數(shù)與槽壁加固深度的量化關(guān)系。

關(guān)鍵詞" 位移標(biāo)準(zhǔn)， 槽壁加固， 安全系數(shù)， 變形控制

收稿日期： 2023-05-12

* 聯(lián)系作者： 連 天（1971-），男，高級(jí)工程師，主要從事市政公用工程管理和研究工作。E-mail： 466135733@qq.com

Stability Analysis of Trench Wall Strengthened by Diaphragm Wall Based on Displacement Standard

LIAN Tian1，*" LI Zhenbing2" HE Rongyu2" PENG Hongyan2" PAN Dongcheng2

（1.Taizhou Municipal Engineering Quality and Safety Affairs Center， Taizhou 318000， China； 2.China Railway No.9 Bureau Group No.7 Engineering Co.，Ltd.， Shenyang 110044， China）

Abstract" With the improvement of the requirements of the surrounding environment for the construction of underground engineering， it has become a key problem to build a stability evaluation method of the reinforced trench wall under settlement standard and realize the control of the surface settlement during the trench excavation. Based on the construction project of a rail transit diaphragm wall， the influence of the reinforcement of the trench wall on the ground settlement through the finite element method was analyzed， and the safety factor of the stability of the trench wall of the diaphragm wall with different settlement standards based on the parameter reduction method was studied. The influence of different reinforcement conditions on the deformation stability of the trench wall was examined. And then an evaluation method of the stability of the trench wall of the reinforcement of the diaphragm wall under settlement standard was proposed. The research results show that the reinforcement of the trench wall can effectively realize the settlement control of the ground surface. Based on settlement standard， the stability safety factor can be used to realize the quantitative analysis of the trench wall reinforcement. The stricter the settlement standard is， the deeper trench wall reinforcement depth is required under the same safety factor. Reasonable selection of trench width and reinforcement depth is the key to control the stability and deformation effectively. The larger the trench width is， the greater the reinforcement effect is on the deformation of trench wall. In addition， the quantitative relationship between the safety improvement coefficient and the reinforcement depth of the trench wall was also given.

Keywords" displacement standard， trench reinforcement， safety factor， deformation control

0" 引" 言

地下連續(xù)墻是基坑工程中的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在很多深基坑工程特別是軌道交通工程中得到了廣泛應(yīng)用。地連墻成槽施工過程中，其槽壁穩(wěn)定性是關(guān)系成墻質(zhì)量和施工安全的關(guān)鍵［1-2］，為了提高槽壁穩(wěn)定性，很多工程在成槽前利用攪拌樁對(duì)槽壁進(jìn)行加固，對(duì)提高槽壁穩(wěn)定性起到了很好的效果［3］。隨著周圍環(huán)境對(duì)地下工程施工要求的提高，特別是在城市建筑密集區(qū)，變形控制已經(jīng)成為工程中關(guān)心的首要問題［4-5］。

目前對(duì)地連墻槽壁穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)主要關(guān)注于其極限承載條件下力的平衡［6-8］，主要目的在于確保槽壁不發(fā)生整體和局部失穩(wěn)。目前針對(duì)槽壁穩(wěn)定性已經(jīng)形成了眾多力學(xué)分析模型［9-11］，同時(shí)以現(xiàn)有模型為基準(zhǔn)，部分學(xué)者也開展了加固條件下地連墻穩(wěn)定性研究［3， 12］。而大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，成槽過程中槽壁的變形不能忽視，特別是近年來，地連墻成槽地表變形引起的建筑損害頻發(fā)，僅考慮極限承載穩(wěn)定并不能滿足工程需求，成槽期間槽壁變形特性也得到了越來越多的重視［13-15］。Clough和O'Rourke［16］統(tǒng)計(jì)了眾多工程中成槽施工引起的槽壁沉降分布特性；唐寅偉［17］結(jié)合蘇州地區(qū)超深地連墻施工對(duì)成槽期間的地表變形特性進(jìn)行了分析；丁勇春等［18-19］通過數(shù)值分析方法對(duì)槽壁加固、導(dǎo)墻施作、混凝土地坪等施工條件對(duì)槽壁側(cè)向變形與地面沉降的影響進(jìn)行了分析；Mohamed［20］研究了成槽施工對(duì)周圍深基礎(chǔ)的影響。現(xiàn)有的研究雖然對(duì)沉降特性及其影響進(jìn)行了分析［21］，但是目前仍缺少槽壁加固下沉降量化控制的研究。如何開展槽壁加固控制地表沉降，構(gòu)建以沉降為標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)已經(jīng)成為工程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文以臺(tái)州市域鐵路S1線一期工程車站地連墻施工為背景，通過有限元方法分析了槽壁加固對(duì)地表沉降的影響，基于參數(shù)折減法研究了不同沉降標(biāo)準(zhǔn)的地連墻槽壁穩(wěn)定的安全系數(shù)，分析了不同加固條件對(duì)槽壁變形穩(wěn)定的影響，構(gòu)建了以沉降為標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

1" 工程背景

臺(tái)州市域鐵路S1線一期工程車站地連墻施工采用明挖順作法施工，采用地下連續(xù)墻作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻設(shè)計(jì)深度40 m，單個(gè)槽段寬6 m。場地位于沖海積平原區(qū)，地形平坦，地下水位埋深0.9～2.0 m。地層賦存有較厚的軟弱土層，同時(shí)周圍建筑密布，對(duì)施工引起的沉降要求較高。為了提高槽壁穩(wěn)定性，控制地表沉降，地下連續(xù)墻兩側(cè)槽壁各采用單排Φ850@600攪拌樁進(jìn)行加固。合理確定加固深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍地表沉降的控制是本工程的關(guān)鍵問題。場地主要的土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2" 槽壁加固的變形控制機(jī)理

為了提高槽壁穩(wěn)定性，通常采用水泥攪拌樁對(duì)槽壁進(jìn)行加固，傳統(tǒng)的槽壁加固僅考慮槽壁不發(fā)生失穩(wěn)。而隨著周圍環(huán)境對(duì)成槽過程中土體沉降要求的提高，變形控制成為了槽壁加固的重要考慮因素。為了分析槽壁加固對(duì)土體沉降的影響，通過有限元建模分析了不同加固條件下土體的沉降特性。有限元模型如圖1（a）所示，考慮單槽段的開挖，由于對(duì)稱性取一半進(jìn)行分析，模型尺寸120 m×70 m×30 m，底部約束雙向位移，側(cè)面約束法線方向位移。土層按實(shí)際地層分層建模，土體和加固土體都選用摩爾庫倫模型，參考已有的對(duì)軟土加固水泥土的力學(xué)特性指標(biāo)的研究［22-23］，同時(shí)考慮到本工程所采用的水泥土摻入量（18%～20%），選取了加固土體的力學(xué)參數(shù)（E=200 MPa， c=280 kPa， φ=32°），各土層參數(shù)與實(shí)際工程一致。采用多個(gè)分析步模擬槽段的分段開挖，在整個(gè)開挖過程中槽段內(nèi)部作用泥漿護(hù)壁壓力γg=10.8 kPa。

通過計(jì)算可以得到槽段開挖完成后土層的應(yīng)力和土體的變形［圖1（b）］。為了分析不同加固條件對(duì)槽壁地表沉降特性的影響，分別利用有限元軟件對(duì)不同加固深度（Hg）的槽壁模型進(jìn)行了分析，計(jì)算得到各條件下地表沉降特性，如圖2所示。為了能進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比，地表沉降量sv和遠(yuǎn)離開挖面的距離d都通過開挖深度He進(jìn)行無量綱處理。

從圖2中可以看出，當(dāng)槽壁未加固時(shí)，成槽開挖引起槽后土體的沉降變形，形態(tài)整體呈半蝶形，地表最大變形sv為成槽深度He的0.108%，最大沉降位于槽壁位置處，沉降影響范圍約為1.1He，沉降槽分布與Mohamed［20］給出的槽壁開挖沉降分布曲線相吻合。隨著槽壁的加固，槽后土體沉降槽形態(tài)發(fā)生改變，地表沉降逐漸降低，特別是當(dāng)槽壁加固深度超過槽深一半時(shí)，地表沉降明顯減小，最大的沉降為0.04%He，僅為未加固條件下的37%。同時(shí)地表差異沉降也明顯減小，表明槽壁加固能有效地實(shí)現(xiàn)地表的沉降控制，當(dāng)周圍環(huán)境對(duì)地表沉降要求較高時(shí)，槽壁加固能作為控制沉降的重要手段。

為了進(jìn)一步分析槽壁加固對(duì)槽壁引起地表沉降的影響，將本工程槽壁加固條件下的實(shí)測地表沉降量、其他工程加固槽壁實(shí)測沉降量與現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)的槽壁開挖引起的地表沉降分布曲線進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示。從圖中可以看出，本工程地表沉降大小和范圍與有限元分析結(jié)果相近。由于槽壁加固提高了槽壁的穩(wěn)定性，實(shí)測的地表沉降值明顯小于已有研究統(tǒng)計(jì)給出的槽壁開挖引起的地表沉降關(guān)系曲線，也進(jìn)一步表明了槽壁加固對(duì)地表沉降的有效控制。槽壁加固條件下，現(xiàn)有的成槽地表沉降分布曲線給出的預(yù)估值偏大，應(yīng)進(jìn)行合理修正。

通過有限元模型對(duì)不同加固深度和槽寬條件的地表沉降關(guān)系進(jìn)行了分析，將各槽壁加固條件下地表沉降最大值svg和未加固條件下地表沉降最大值svu之間的比值定義為沉降比，如圖4所示。從圖4中可以看出，各寬度槽壁沉降比與加固深度的變化趨勢基本一致，沉降比隨加固深度的增加而減小，在工程常用的加固深度范圍內(nèi)，加固沉降比取值范圍為0.3～0.5。另外，可以看出槽寬越大，槽壁加固對(duì)地表沉降的控制效果越明顯。

3" 沉降標(biāo)準(zhǔn)的槽壁加固分析

現(xiàn)有對(duì)地連墻槽壁加固的分析都是基于承載穩(wěn)定性角度開展的，主要目的是確保槽壁不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，主要是通過安全系數(shù)對(duì)槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前計(jì)算槽壁安全系數(shù)的方法主要包括極限平衡分析和有限元分析方法，其中有限元分析方法主要采用參數(shù)折減法計(jì)算槽壁的穩(wěn)定安全系數(shù)，采用下列公式對(duì)土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行不斷折減：

（1）

（2）

式中：c和分別為折減前后的黏聚力；和分別為折減前后的內(nèi)摩擦角；Fcr為安全系數(shù)。

計(jì)算得到槽壁失穩(wěn)條件下的臨界安全系數(shù)Fcr，根據(jù)不同的安全系數(shù)需求，可以對(duì)槽壁加固深度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

而當(dāng)槽壁加固的目的是控制沉降時(shí)，需要采用新的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)槽壁穩(wěn)定性和加固深度進(jìn)行評(píng)估。考慮到參數(shù)折減的過程對(duì)應(yīng)于槽壁逐漸變形直至失穩(wěn)的過程，原有參數(shù)折減的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的極限條件下土體的變形已經(jīng)很大，為了實(shí)現(xiàn)變形控制，可以在參數(shù)折減的過程中引入位移標(biāo)準(zhǔn)。

如圖5所示，根據(jù)參數(shù)折減法，可以通過有限元計(jì)算得到不同折減系數(shù)條件下槽壁的沉降變形發(fā)展。可以看出隨著折減系數(shù)的增加，槽壁沉降變形逐漸增加。當(dāng)塑性區(qū)貫通或者位移迅速增加時(shí)，認(rèn)為槽壁達(dá)到了極限失穩(wěn)條件，此時(shí)對(duì)于未加固槽壁、加固深度0.25He的槽壁和加固深度0.5He的槽壁，其穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為1.05、1.08和1.2。若以地表沉降作為穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)，如以sv/He=0.1%作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，此時(shí)得到上述工況條件下的安全系數(shù)分別為0.98、1.02和1.14，這時(shí)的安全系數(shù)要低于傳統(tǒng)的極限承載穩(wěn)定性安全系數(shù)，因此要達(dá)到某個(gè)安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所需要加固的槽壁深度也越深。同樣，若采用更嚴(yán)格的沉降標(biāo)準(zhǔn)（如sv/He=0.05%），此時(shí)得到三種工況的安全系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低（分別為0.9、0.91和1.07），相同安全系數(shù)條件下所需的槽壁加固深度也進(jìn)一步增加。這樣，基于沉降標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行新的表征，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)以沉降控制為標(biāo)準(zhǔn)的槽壁加固的量化分析。

standard conditions

為了進(jìn)一步分析不同加固條件下基于位移標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)取值，通過有限元方法進(jìn)一步開展了不同工況條件下槽壁變形穩(wěn)定分析，計(jì)算得到的加固深度與安全系數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。

reinforcement depth

從圖6中可以看出，在不同的標(biāo)準(zhǔn)條件下安全系數(shù)與加固深度的增長趨勢基本相同。加固深度小于0.4He時(shí)，槽壁加固對(duì)安全系數(shù)的提高相對(duì)較小；而當(dāng)加固深度超過0.4He時(shí)，槽壁安全系數(shù)會(huì)有明顯的提升。標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)槽壁安全系數(shù)的判定也不同，采用的加固設(shè)計(jì)也存在差異，以達(dá)到1.2的安全系數(shù)為例，如果采用傳統(tǒng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，槽壁加固深度應(yīng)達(dá)到0.45He。但是如果控制槽壁沉降在sv/He=0.1%標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，所需要的加固深度應(yīng)該達(dá)到0.51He；而如果對(duì)沉降的要求更嚴(yán)格，控制在sv/He=0.05%標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，所需要的加固深度應(yīng)該達(dá)到0.58He。以本工程的成槽深度40 m為例，要想滿足更高的位移標(biāo)準(zhǔn)，槽壁加固深度應(yīng)該多5.2 m。此外，槽寬對(duì)槽壁穩(wěn)定性也有重要影響，槽寬為4 m更容易達(dá)到控制位移標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)槽寬增大，可能槽壁全深加固都很難滿足沉降的要求。因此合理地選擇槽寬和加固深度是有效控制槽壁穩(wěn)定和變形的關(guān)鍵。

由于不同工程面臨的槽壁變形控制標(biāo)準(zhǔn)不同，考慮到不同標(biāo)準(zhǔn)條件下加固深度與安全系數(shù)取值間的變化趨勢基本一致，為了便于對(duì)槽壁加固的分析和設(shè)計(jì)，將不同標(biāo)準(zhǔn)條件下加固深度對(duì)安全系數(shù)的影響進(jìn)行統(tǒng)一分析，以未加固條件下的安全系數(shù)Fs0為基準(zhǔn)，其他加固條件下的安全系數(shù)Fs與未加固條件下的安全系數(shù)的比值來定義安全提高系數(shù)，來表征加固帶來的安全系數(shù)的提高，根據(jù)圖6的結(jié)果，進(jìn)一步得到的Fs0/Fs與Hg/He的關(guān)系，如圖7所示。

從圖7中可以看出槽壁加固對(duì)寬槽安全系數(shù)的提升作用更大。對(duì)于不同槽寬的槽壁，各評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)下安全提高系數(shù)隨加固深度的變化趨勢大致一致，因此可以通過擬合得到不同槽寬條件下安全提高系數(shù)與槽壁加固深度的關(guān)系式如下：

（D=4 m）""" （3）

（D=6 m）""" （4）

（D=8 m）""" （5）

式中：Fs0和Fs分別為未加固條件下的安全系數(shù)和加固條件下的安全系數(shù)；D為槽壁開挖寬度。

4" 結(jié)" 論

本文通過有限元方法軟件分析了不同加固條件對(duì)槽壁沉降特性的影響，利用參數(shù)折減法研究了基于沉降標(biāo)準(zhǔn)的地連墻槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)確定方法，構(gòu)建了以沉降為標(biāo)準(zhǔn)的地連墻加固槽壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，本文得到的主要結(jié)論如下：

（1） 槽壁加固能有效地實(shí)現(xiàn)成槽期間地表的沉降控制，本工程中當(dāng)槽壁加固深度達(dá)到槽深一半時(shí)，地表最大的沉降為成槽深度的0.04%，是未加固條件下的37%。

（2） 基于沉降標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)槽壁穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行新的表征，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)以沉降控制為標(biāo)準(zhǔn)的槽壁加固的量化分析。沉降標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格，相同安全系數(shù)條件下所需的槽壁加固深度越深。

（3） 合理地選擇槽寬和加固深度是有效控制槽壁穩(wěn)定和變形的關(guān)鍵。槽寬越大，槽壁加固深度對(duì)槽壁的變形和安全系數(shù)的提升作用越大。

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