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        砂性土層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性研究

        2022-11-26 21:58:29鄭文杰
        關(guān)鍵詞:混凝土施工

        鄭文杰

        北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 北京 100044

        地下連續(xù)墻因其墻體剛度大、整體性好、抗?jié)B性能好、耐久性好、施工噪聲低振動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于地下建筑結(jié)構(gòu)的施工。砂性土層中地下連續(xù)墻的施工難度大,成槽過程中極易產(chǎn)生槽壁坍塌現(xiàn)象。槽壁坍塌容易引起混凝土超方和結(jié)構(gòu)尺寸超出允許的界限,嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起相鄰地面發(fā)生沉降、坍塌,危害到鄰近建筑和地下管線的安全[1],因此,這是一個(gè)不得不重視的問題。鑒于此,本文對(duì)如何改善槽壁坍塌問題,提高砂性土層地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

        1 地下連續(xù)墻簡介

        地下連續(xù)墻是在擬修建的地下工程地面上,沿著基坑的周邊劃分若干槽段,在泥漿護(hù)壁的支護(hù)下,使用挖槽設(shè)備開挖一條深槽,挖到設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行清槽,清槽后在槽段內(nèi)安放接頭管、放置鋼筋籠,然后澆筑水下混凝土筑成一個(gè)單元槽段,如此逐次進(jìn)行,最后將各個(gè)槽段連成一個(gè)整體。地下連續(xù)墻既可以作為擋土擋水的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu),也可以作為建筑的主體結(jié)構(gòu)。

        在地下連續(xù)墻成槽過程中,一般都會(huì)采用泥漿進(jìn)行護(hù)壁,泥漿拌制材料宜優(yōu)先選用膨脹土。泥漿護(hù)壁主要有以下幾個(gè)作用:(1)泥漿在地連墻槽壁上形成泥皮,可以有效地防止槽壁坍塌;(2)泥漿對(duì)槽壁提供靜水壓力以平衡槽段開挖時(shí)作用在槽段上的水、土壓力;(3)泥漿具有攜渣的作用,其具有一定的粘度可以攜同泥渣一塊排出;(4)泥漿還具有潤滑的作用。

        2 地連墻槽壁穩(wěn)定性影響因素

        2.1 土層性質(zhì)

        砂性土層的顆粒較大、顆粒之間缺乏膠結(jié),因此砂性土層的滲透系數(shù)較大[2],自穩(wěn)能力差,在砂性土層中建設(shè)的地連墻極易產(chǎn)生槽壁坍塌事故??紤]到不同砂土性質(zhì)對(duì)成槽施工變形的影響,邱明明等[3]選擇四種典型砂層進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)土質(zhì)條件確實(shí)對(duì)地連墻成槽施工擾動(dòng)變形影響顯著。

        2.2 泥漿質(zhì)量

        地下連續(xù)墻的泥漿護(hù)壁是保持槽壁穩(wěn)定性,控制開挖槽面時(shí)地連墻質(zhì)量的決定性因素。若泥漿配制質(zhì)量不合格,不滿足形成可靠的泥漿護(hù)壁要求,則無法形成具有粘結(jié)性能的泥皮,泥漿的靜水壓力也無法抵抗作用在地連墻槽壁上的水壓力和土壓力。泥漿配制不合要求,將會(huì)導(dǎo)致泥漿密度不夠;或者泥漿所含泥砂過多,容易產(chǎn)生沉淀,使泥漿性質(zhì)發(fā)生變化,不能形成合理可靠的護(hù)壁,都會(huì)促使產(chǎn)生槽壁坍塌[4]。通過超聲波槽壁檢測發(fā)現(xiàn),新鮮泥漿充分時(shí),泥漿質(zhì)量高,護(hù)壁效果好;泥漿循環(huán)次數(shù)過多時(shí),泥漿性能下降[5]。

        2.3 地下水

        大多數(shù)地下工程事故都與地下水有關(guān),當(dāng)水與土體發(fā)生相互作用,會(huì)使土體本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有所降低,從而導(dǎo)致塌方、基底突涌等工程事故,這些事故會(huì)直接影響到周邊環(huán)境的安全,造成不可避免的經(jīng)濟(jì)損失。為了保證地下工程的施工安全和施工進(jìn)度,必須要采取措施進(jìn)行地下水控制。

        當(dāng)?shù)剡B墻槽壁上泥漿壓力比地下水壓力大,并且可以與部分土壓力處于平衡狀態(tài)時(shí),泥漿才能夠充分發(fā)揮護(hù)壁作用[6]。所以,泥漿液面和地下水位必須要保持合理的高差。通常情況下,地下水位應(yīng)比泥漿液面至少低1m或者1.5m。地下水位越高,槽壁水平變形和地表豎向變形越大。嚴(yán)朝鋒等[7]通過采用有限元軟件ABAQUS對(duì)地下連續(xù)墻成槽施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到地下水位過高對(duì)槽壁穩(wěn)定性影響較大的結(jié)論。

        隨著基坑的開挖深度不斷加大,基坑周圍土層以及基坑外豐富的地下水將會(huì)對(duì)地下連續(xù)墻產(chǎn)生影響,在基坑開挖的各個(gè)階段中地連墻部分位置會(huì)出現(xiàn)不同程度的滲漏情況,導(dǎo)致槽壁在水平方向上產(chǎn)生大小不同的變形等問題[8]。地下水滲漏現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致地連墻槽墻失穩(wěn)。

        2.4 成槽作業(yè)

        在砂性土層中挖槽進(jìn)尺過快,在成槽機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的水波振蕩下,將會(huì)使槽壁擾動(dòng),產(chǎn)生槽壁坍塌[4]。所以要對(duì)成槽機(jī)的工作速度進(jìn)行控制。

        成槽后擱置時(shí)間太長,沒有及時(shí)吊放鋼筋籠灌注混凝土,泥漿則會(huì)失去護(hù)壁作用。如果在成槽過程中,地下連續(xù)墻槽壁已經(jīng)出現(xiàn)塌孔、蠕變等現(xiàn)象,在處理過程中將會(huì)對(duì)槽壁產(chǎn)生二次擾動(dòng),會(huì)增加周圍建構(gòu)筑物的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),并且消耗大量不必要的時(shí)間,成槽結(jié)束后也要等待很長時(shí)間才能灌注混凝土,因而不能充分利用“空間效應(yīng)”[5]。

        2.5 混凝土繞流

        地下連續(xù)墻澆筑單元槽段混凝土?xí)r,流動(dòng)的混凝土有時(shí)會(huì)在重力及側(cè)向壓力的共同作用下,繞過封頭鋼板或接頭箱、接頭管側(cè)向縫流入到相鄰的槽段(尚未開槽或已成槽的槽段)[9],即產(chǎn)生混凝土“繞流”現(xiàn)象?;炷翝仓r(shí)發(fā)生繞流,可能是因?yàn)槌刹蹤C(jī)械、技術(shù)人員操作或是地質(zhì)水文原因等其他原因,導(dǎo)致相鄰幅地連墻接頭處存在成槽垂直度差,成槽后地連墻接頭寬度大于接頭箱接頭管的寬度,致使接頭管與地下土體存在空隙[4],為混凝土繞流提供了可能活動(dòng)空間?;炷晾@流將直接造成相鄰地下連續(xù)墻鋼筋籠無法吊裝就位,會(huì)造成接頭地抗剪強(qiáng)度下降,容易導(dǎo)致接頭滲水,從而為槽壁穩(wěn)定帶來隱患[5]。

        3 改善措施

        3.1 加固土體

        為改善砂性土層的土層性質(zhì),防止槽壁開挖過程中產(chǎn)生坍塌事故,工程中常采用土體加固改良的方法。下面從加固方法和加固間距兩方面進(jìn)行分析。

        3.1.1 土體加固方法

        常用的地下連續(xù)墻槽壁加固方法有水泥攪拌樁、高壓噴旋樁和MJS工法樁[5]。

        (1)水泥攪拌樁加固方法

        水泥攪拌樁是將水泥作為固化劑的主劑,利用攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體中充分?jǐn)嚢瑁顾嗯c土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)形成整體。具有擋土和截水雙重功能。此加固技術(shù)適用于廣泛的土質(zhì)范圍,包括砂土、淤泥土、粉土等飽和軟黏土[10]。當(dāng)土體中存在人工填土?xí)r,土體物質(zhì)成分較雜亂,不均勻,會(huì)對(duì)機(jī)械在土層中的攪拌形成障礙,從而導(dǎo)致此加固方法無法使用。同時(shí),在遇有密實(shí)砂層,夾雜卵石層、淤泥層等多層地質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí),如何有效控制成樁質(zhì)量,確保軟基處理效果[11]也是值得關(guān)注的問題。

        (2)高壓噴旋樁加固方法

        高壓噴旋樁是利用專門的鉆機(jī),將帶有特殊噴嘴的注漿管鉆至預(yù)定位置后,將高壓水泥漿液向四周高速噴入土體,并隨鉆頭旋轉(zhuǎn)和提升切削土層,使其混合摻勻從而形成整體。用于砂土、粉土、素填土、碎石土以及淤泥等具有流塑性的土體[12]。其加固效果要優(yōu)于水泥攪拌樁。

        (3)MJS工法樁

        MJS工法樁是全方位高壓噴射工法樁的簡稱,該工法以傳統(tǒng)形式的高壓噴射注漿技術(shù)為基礎(chǔ),借助特殊的多孔管以及前端造成裝置[12],實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測,可以大幅降低施工中的地形變形,減少對(duì)環(huán)境的影響,同時(shí)地內(nèi)壓力的降低可以進(jìn)一步保證成樁直徑。與傳統(tǒng)的噴旋工藝相比,MJS工法減少了對(duì)周邊環(huán)境的影響。

        3.1.2 加固間距

        隨著槽壁加固體與槽壁之間距離的增加,槽壁的水平變形和地表沉降變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;以變形為控制目標(biāo),槽壁加固間距的最優(yōu)區(qū)域?yàn)榈乇沓两挡圩畲笾祵?duì)應(yīng)的橫向水平距離位置附近[3]。

        3.2 改善泥漿質(zhì)量

        優(yōu)化設(shè)計(jì)護(hù)壁泥漿參數(shù),是解決砂性土層槽壁坍塌最關(guān)鍵的技術(shù)[5]。結(jié)合超聲波槽壁檢測結(jié)果和現(xiàn)場參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析,最終確定新制備泥漿的配合比,得到優(yōu)質(zhì)泥漿。通過提高泥漿液面高度、容重,加大泥漿的黏度,減小含砂率,可以有效提升泥漿護(hù)壁的效果。當(dāng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下,可以適當(dāng)加大泥漿占比。若增加膨潤土仍無法滿足相應(yīng)的需求時(shí),還可以添加重晶石,從而增大泥漿的比重[6]。

        要按泥漿的使用狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行泥漿指標(biāo)的檢驗(yàn),以防止泥漿因循環(huán)使用而導(dǎo)致質(zhì)量惡化。砂性土層中循環(huán)泥漿的含砂率非常高,若不及時(shí)處理,形成的泥皮將會(huì)過厚、失水大、沒有韌性,將會(huì)嚴(yán)重影響循環(huán)泥漿的質(zhì)量,對(duì)槽壁穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。因此成槽前必須及時(shí)對(duì)泥漿中的泥沙進(jìn)行分離,目前地連墻施工中一般使用的沉淀法不能及時(shí)有效的處理泥漿中的泥沙,特別是細(xì)小泥沙,可以在施工時(shí)在泥漿系統(tǒng)中設(shè)置泥砂分離器,該分離器及振動(dòng)篩和旋流器為一體,可以極大的處理循環(huán)泥漿中的泥沙。這樣可以有效提高泥漿利用率,提高地連墻的質(zhì)量,并且節(jié)約一定的成本[13]。

        3.3 地下水處理

        地下水位過高或是地下水滲漏均會(huì)對(duì)地下連續(xù)墻槽壁的穩(wěn)定性進(jìn)行破壞,下面從這兩方面的控制進(jìn)行分析。

        3.3.1 降低地下水位

        泥漿的液面與地下水位保持一定的合理高差是槽壁穩(wěn)定性的有效控制條件。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谀酀{液面時(shí),要進(jìn)行降水處理。井點(diǎn)降水法,是人工降低地下水位的一種方法。在基坑開挖前,在基坑四周埋設(shè)一定數(shù)量的濾水井,利用抽水設(shè)備抽水使所挖的土始終保持干燥。井點(diǎn)降水不僅可以降低地下水位,減少槽壁內(nèi)外水頭壓力差,防止槽壁坍塌失穩(wěn),而且可以給土體足夠的時(shí)間進(jìn)行固結(jié),從而增加土體的抗剪強(qiáng)度,同時(shí)使泥漿中的水分滲漏出去,有利于泥皮的形成。因此,井點(diǎn)降水法,是可以不擾動(dòng)砂性土層,避免地連墻槽壁坍塌,并且節(jié)約成本的有效措施。

        3.3.2 防止地下水滲漏

        在槽壁開挖過程中,如果地連墻槽壁出現(xiàn)水滲漏現(xiàn)象,將會(huì)對(duì)施工帶來不便的影響,滲漏嚴(yán)重時(shí)更會(huì)導(dǎo)致土顆粒流失,引起地面沉陷甚至使得槽壁坍塌。地下連續(xù)墻產(chǎn)生滲漏的原因主要有以下幾點(diǎn):(1)相鄰地連墻垂直度存在偏差,導(dǎo)致兩幅地下連續(xù)墻出現(xiàn)較大空隙;(2)相鄰地墻接頭處沒有進(jìn)行刷壁處理或是處理不徹底不干凈,造成接縫滲漏;(3)未清除的混凝土繞流在地連墻的接縫內(nèi),會(huì)形成滲漏的通道;(4)混凝土灌注過程由于塌孔、墻體夾泥,造成滲漏[8];(5)對(duì)地下連續(xù)墻墻趾注漿效果不佳,導(dǎo)致地下連續(xù)墻的不均勻沉降,從而使得接縫處相對(duì)滑動(dòng),造成接縫漏水。

        防止地連墻槽壁發(fā)生滲漏的處理方法主要分為開挖前和開挖后。

        目前,在開挖前針對(duì)地下連續(xù)墻槽壁滲漏問題常用的處理方式是進(jìn)行注漿和地基加固[14]。通過注漿和加固可以形成比較嚴(yán)密的固化層,提高強(qiáng)度和抗?jié)B性能。在開挖前,還應(yīng)該遵循開挖必檢、檢后必處的“掏槽檢縫”制度[14]。

        在開挖后,若地下連續(xù)墻槽壁出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象,則采用封堵或注漿的方法。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻有輕微滲水,表現(xiàn)為墻體產(chǎn)生濕漬、產(chǎn)生水珠狀滴漏或者小量流淌時(shí),可以先將漏水點(diǎn)基面清理干凈,找出準(zhǔn)確的漏水點(diǎn)并破除周邊混凝土至新鮮面,然后沿接縫走向采用鉆孔注漿或快速封堵止水,接著在接縫部位兩側(cè)基層表面涂布防水涂料,最后用聚合物水泥防水砂漿找平或重新澆筑補(bǔ)償收縮混凝土[14]。

        隨著眾多學(xué)者對(duì)地連墻防滲技術(shù)的研究,逐漸出現(xiàn)了預(yù)測滲漏點(diǎn)位置的方法,從而幫助提前進(jìn)行槽壁防滲。例如,宋芊[8]建立沈陽北站富水砂層深基坑地下連續(xù)墻三維模型,在確定模型和各影響因素后,改變猜測漏水點(diǎn)的位置,在其附近的地下連續(xù)墻上多處設(shè)置漏水點(diǎn),從而得到各漏水點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù),與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后,即可預(yù)判出漏水點(diǎn)的位置。此方法可以更加有效地防止槽壁滲漏。

        3.4 成槽作業(yè)

        在需要穿越填石層等土層成槽時(shí),可以采取沖抓相互結(jié)合的方法,能夠更好的穿過填石層,保證鄰近建筑物的穩(wěn)定性,提升成槽效率,保證施工質(zhì)量[15]。

        快速成槽,有利于降低槽壁坍塌地可能性和提高地連墻表面的平整度,可以有效地提高成槽質(zhì)量??梢酝ㄟ^優(yōu)先選擇成槽時(shí)間短的成槽機(jī)進(jìn)行成槽施工,并且在地下連續(xù)墻成槽結(jié)束后,立刻進(jìn)行槽壁的檢測、刷泥漿,下放接頭管、鋼筋籠和導(dǎo)管,在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行混凝土的澆灌,減少成槽后的擱置時(shí)間,從而減少因成槽時(shí)間長而導(dǎo)致的槽壁坍塌的危險(xiǎn)。

        3.5 混凝土繞流

        混凝土繞流情況嚴(yán)重時(shí),會(huì)導(dǎo)致刷壁時(shí)間增加而加長工期,成槽空置時(shí)間長而導(dǎo)致無法充分發(fā)揮空間效應(yīng)。所以,必須要特別注意地下連續(xù)墻混凝土繞流的預(yù)防。

        防繞流措施主要有有以下幾點(diǎn):(1)根據(jù)實(shí)際成槽情況不斷調(diào)整泥漿配比,保證好泥漿的質(zhì)量;(2)成槽時(shí)注意垂直度的檢測及成槽速度的控制,盡量減少對(duì)槽壁的破壞[16];(3)設(shè)置防繞流鐵皮,鐵皮可以有效防止混凝土澆灌時(shí)混凝土繞過空隙填充工字鋼與槽段間的空位,從而導(dǎo)致下一段槽段施工困難;(4)控制混凝土澆筑的速度,勻速不間斷且不宜過快,保證混凝土液面平穩(wěn)勻速上升,減少槽壁產(chǎn)生局部壓力差,并且控制好混凝土初凝的時(shí)間,控制鎖扣管的提拔時(shí)間以防止提拔過早;(5)在成槽結(jié)束后土袋回填必須要要分層壓實(shí),保證回填土有一定的密實(shí)度[5];(6)嚴(yán)格控制槽段的開挖量,防止超挖。

        4 總結(jié)

        通過對(duì)地連墻槽壁坍塌的影響因素和改善措施的研究,得出了采取加固土體、改善泥漿質(zhì)量、降低地下水位、優(yōu)化成槽作業(yè)和防止混凝土繞流的措施來降低槽壁坍塌風(fēng)險(xiǎn),提高地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定性的結(jié)論,保證了地下連續(xù)墻的施工安全,同時(shí)也對(duì)后續(xù)的施工帶來一定的借鑒意義。

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