确保地下连续墙施工过程中槽壁的稳定性是地下连续墙施工的关键工作之一, 其涉及整个围护工程的安全、质量和进度。近年来由于地下连续墙槽壁塌方造成机械设备倾倒等安全事故, 严重影响地下连续墙施工质量和进度。目前槽壁稳定性的研究有很多成果, 本文结合工程实践, 根据郎金土压力理论总结出一套新的泥浆配合比设计方法。

泥浆在地下连续墙施工中最主要的作用是护壁, 因此在槽段内可把泥浆看作一种液态挡土墙, 泥浆在支护槽壁时会产生一定厚度的泥皮, 泥皮与液态泥浆之间没有摩擦力, 因此可把液态挡土墙的墙背看做是光滑的, 在成槽过程中仅有槽段内的土被取出而其他部分的土仍处于未扰动状态, 即挡土墙的背后是填平的。

基于泥浆的压力有限, 槽壁土仅有2种受力状态:静止土压力状态和主动土压力状态。当泥浆相对密度较大时, 土压力为静止土压力状态;当泥浆相对密度较小时, 土压力为主动土压力状态。按静止土压力计算出的泥浆相对密度为最大值, 按主动土压力计算出的泥浆相对密度为最小值。

根据土的强度理论, 当土体中某点处于极限平衡状态时, 大、小主动应力滓₁和滓₃应满足以下关系式:

当槽壁发生“缩颈”现象时, 槽壁内的土体向槽段内偏离, 两侧土体中离地表任意深度Z处竖向应力滓_z为大主应力, 滓_x为小主应力, 故可得郎金主动土压力强度滓_a为:

式中, 酌为土的重度;K_a为土的主动土压力系数, K_a=tan², c为土的黏聚力。

从上式可得砂性土的主动土压力强度与Z成正比, 沿槽壁高度的压力是呈三角形分布, 取单位槽壁长度计算, 则总主动土压力为:

且E_a通过三角形形心, 即作用在离墙底H/3处。

黏性土的主动土压力强度由2部分组成:一部分由土的自重引起的土压力酌_zK_a;另一部分是由黏聚力c引起的负侧压力组成。

设填土面的深度Z₀为临界深度, 当填土面无荷载时可令, 此临界深度即为地下连续墙施工时的导墙深度。

取单位槽段长度, 则主动土压力为

槽段内泥浆所产生的压力为

砂性土, 砂性土的相对密度仅与土的相对密度和土的主动土压力系数有关。

土的任意深度Z处的静止土压力强度可按以下公式计算:

式中, K₀为土的静止土压力系数, 酌为土的重度。

K₀的取值一般按以下经验公式计算:K₀=1-sin渍, 所以土的静止土压力

由此可知, 在静止土压力条件下的泥浆相对密度要大于主动土压力条件下的泥浆相对密度。在实际施工过程中, 地下连续墙的成槽必须依靠设备, 因此在成槽过程中局部地面是有附加荷载的。

工程泥浆一般由水、膨润土和添加剂按适当配合比配制而成, 其性能指标如表1所示。

1) 水一般采用地下水或河水, 自来水的成本相对较高。

2) 优质膨润土膨润土制浆有很好的胶体率, 泥皮的形成能力较强, 有很好的护壁效果。

3) CMC (羧甲基纤维素) 俗称增黏剂, 能够很好地包裹土颗粒, 可提高泥浆对土颗粒的悬浮力, 增强泥皮的形成能力, 防止泥浆中的水分流失。

4) FCI (铬铁木质素磺酸钠盐) 为分散剂, 在改善泥浆性能方面有很好的效果, 能够清除泥浆中悬浮的粒径相对较小的土颗粒和砂粒, 其主要功能是使颗粒聚集并快速沉淀, 保证泥浆的护壁性能。

5) 碳酸钠 (Na₂CO₃) 碳酸钠的功能是调整泥浆中的pH值, 当泥浆pH值相对较低时, 黏土颗粒难以分解, 黏度降低, 失水量增加, 流动性降低;当泥浆中pH值相对较高时, 则泥浆所形成的泥皮渗透率加大, 泥浆中大量的水分渗入槽壁土颗粒空隙中, 从而造成孔壁表面软化, 黏土颗粒之间黏聚力减弱, 造成大量槽壁上附着的土坍塌, 增加了成槽设备的安全隐患。泥浆的pH值宜保持在8～10, 这时可增加水化膜厚度, 提高泥浆胶体率和稳定性, 降低失水量。

6) PHP (聚丙烯酰胺絮凝剂) 主要作用是清理泥浆循环中的劣质土屑, 保持泥浆中膨润土的含量。

7) 重晶石细粉 (Ba SO₄) 主要作用是调整泥浆相对密度, 随着泥浆的循环使用, 泥浆中的膨润土颗粒等损失过多, 造成泥浆相对密度下降较多, 护壁功能下降, 因此可采用增加外加剂的方式, 将泥浆相对密度提高到设计值。

8) 干锯末、石棉等纤维物质主要作用是防止泥浆渗水并提高泥浆循环效果。

根据《基坑工程手册》及各种参料的基本物理性质, 考虑工程地质条件后, 确定泥浆的目标相对密度参数, 初步配合比如表2所示。

试验所用设备采用自制小型搅拌机和搅拌桶进行, 测量仪器采用泥浆三件套和失水量仪。

基浆是将水和膨润土按一定比例搅拌而成, 其配置比例按掺量范围并根据工程地质条件的初步计算和膨润土的相关参数确定。先将水与膨润土在搅拌桶中充分搅拌混合, 静置24h后形成胶体。配置好的基浆性能指标如表3所示。

根据上述测量的泥浆指标, 再加入相关功能的外加剂。外加剂使用如下所述。

1) 先将增黏剂在特制的容器中用水进行充分搅拌和膨化, 此时黏度可达60s, 根据具体泥浆指标要求, 逐步适量向泥浆中加入, 同时也要不断测量泥浆指标, 至合适为止。

2) FCI分散剂分散剂主要使用在循环泥浆中, 分散剂不用水搅拌, 可直接加入大泥浆池中或加入槽段里。

3) Na₂CO₃调整泥浆的pH值时需用水搅拌后, 测量Na₂CO₃溶液的pH值, 再根据测量值加入循环浆池中, 加入池中后要采用空压机等方法进行搅拌, 静置一段时间后方可使用。

4) PHP泥浆配制在实施施工中可用专用罐存放, 在施工时可随时掺用到不同泥浆中。一般PHP掺用剂量约为泥浆体积的0.003%。最合理的比例应通过现场测量决定。配置好的新浆性能指标如表4所示。

1) 针对不同地层可依据郎金土压力理论进行初步泥浆相对密度计算, 对泥浆配制有了理论指导。

2) 随着成孔进行到不同地层, 一方面要求的泥浆各种性能指标不同;另一方面泥浆各种掺量的实际含量也发生了变化, 需要在施工过程中对成孔泥浆的各种性能指标进行经常性测定, 然后对掺量比例进行及时调整。

3) 泥浆的配制一定要结合外加剂, 单纯使用膨润土难以达到需要的指标。