一种连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法与流程

本发明涉及岩土工程深基坑与地下连续墙施工，具体涉及一种在“开槽先撑”工艺中，用于确保窄深槽段在成槽期间（预支撑结构启用前）自身稳定性的设计与施工方法。

背景技术：

1、在深基坑及地下连续墙施工中，对于深度大、宽度相对较小的窄深槽段，其开挖过程中的槽壁稳定性是关键技术难题。传统方法主要依赖工程经验或笼统的强度折减理论进行槽壁加固设计，存在明显不足：1）设计理论不完善，常导致加固方案过于保守，造成成本浪费，且对于后续开挖造成困难，或加固不足引发安全风险；2）未能清晰揭示槽壁加固区与原状土体协同工作的力学机理，特别是忽略了加固区-原状土界面的关键传荷作用；3）未专门针对窄深槽长边方向的受力特点建立针对性分析方法。

2、此外，现有方法通常未明确荷载折减系数η的测点数量、测点位置、采样频率和稳定数据判据，也缺少候选宽度取整后的复核路径、四项验算不通过后的返回条件，以及包含地层参数、加固区尺寸、完整计算过程、现场监测结果和同工况传统经验方法对比结果的工程演算实施例，因而难以复核计算模型的准确性并量化评价加固工程量和槽壁安全储备。

3、由上可见，现有技术缺乏一套理论清晰、计算简便、能精准指导槽壁加固设计以保障成槽稳定的系统方法。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种理论严谨、计算简便的深窄槽槽壁稳定性设计施工方法。该方法基于创新的荷载比例分配，能科学确定加固区的宽度，从而确定了注浆加固参数，确保槽段在开挖后、预支撑系统启用前的自稳性，为后续“先撑后挖”工艺提供安全基础。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法,用于确定槽壁加固养护步骤中加固区的宽度，所述方法包括以下步骤:

4、步骤1，建立荷载比例分配模型,将作用于槽壁的侧向土压力总荷载分解为加固区承担的荷载和加固区与原状土界面传递的荷载并确定加固区的荷载折减系数，0<<1，加固区的荷载折减系数表征加固区承担荷载比例的分配系数；

5、步骤2，将所述加固区简化为承受侧向荷载的竖向受力构件,计算槽壁深度z处的总侧向土压力pa(z)，z的取值范围是0到h，h为加固区的底部到顶部的距离；

6、步骤3，根据荷载折减系数η对槽壁总侧向土压力进行分配，得到根据荷载折减系数η对槽壁总侧向土压力进行分配，得到深度z处作用于加固区的净分布荷载，并根据所述深度z处作用于加固区的净分布荷载计算加固区的最大弯矩和最大剪力；

7、步骤4，基于抗弯强度条件和抗剪强度条件分别确定加固区的最小宽度,并取两者中的较大值作为所述加固区的宽度；

8、步骤5，进行加固区与原状土间界面抗滑稳定性验算,所述加固区与原状土间界面抗滑稳定性验算包括计算槽壁加固区深度z处的界面剪应力、使得界面的整体稳定性满足安全要求、以及使得界面的最危险位置的局部稳定性均满足安全要求，如果验算通过进行步骤7，如果验算不通过进行步骤6；

9、步骤6，调整界面强度参数或者增大加固区的宽度，返回步骤5,所述界面强度参数包括界面粘聚力ci和界面内摩擦角φi；

10、步骤7，根据上述确定的加固区的宽度和界面稳定性验算结果,依次实施槽壁加固养护、深沟槽开挖、吊放预撑结构、预撑结构轴力加载及槽段回填步骤,以确保深沟槽开挖完成之后、预撑结构轴力加载之前的无支撑暴露阶段,槽壁能够自稳。

11、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,加固区的荷载折减系数由现场试验测定，通过在槽壁加固区沿深度方向间隔布置n个应变计，形成n个测点，所述n个测点设置在槽壁长边中部的监测断面内，并在0.2h至0.9h的深度范围内布置，n是大于1且不小于6的自然数；地层分界处增设测点；各应变计安装后进行温度补偿和零点校准，开挖前连续采集不少于30min；于槽段开挖后的无支撑暴露阶段，测量加固区不同深度处的应变分布，无支撑暴露阶段采样间隔不大于60s；相邻3个采样时段的应变变化率均不大于5%时，取相应测值作为稳定数据；当多个监测断面的荷载折减系数η的变异系数大于10%时，增设监测断面并重新测定；根据各应变计实测应变及加固区材料的弹性模量，计算加固区各测点处的荷载：

12、

13、式中：为第i个测点处的荷载；为第i个测点处的应变；为第i个测点处的弹性模量，n是大于等于1的自然数；i是测点的编号，取值为大于等于1且小于等于n的正整数；

14、η值最终由加固区各测点处的荷载的求和与加固区各测点处的土压力的求和比值确定：

15、

16、式中：η为加固区的荷载折减系数；p加固(i)为第i个测点处加固区承担的等效荷载；pa(zi)为第i个测点深度处的侧向土压力；zi为第i个测点的深度；n为测点总数；i为测点编号。

17、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,步骤2中，所述槽壁深度z处的总侧向土压力pa(z)按主动土压力计算,计算公式为：，

18、其中：主动土压力系数，γ为土体重度；z为槽壁加固区的深度，q为地面超载。

19、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤3中，根据荷载折减系数η对槽壁总侧向土压力进行分配，得到深度z处作用于加固区的净分布荷载：

20、；

21、式中：p加固(z)为深度z处作用于加固区的净分布荷载；η为加固区的荷载折减系数；pa(z)为槽壁深度z处的总侧向土压力；

22、根据所述深度z处作用于加固区的净分布荷载计算加固区2的最大弯矩：加固区的最大弯矩位于加固区的底部，此时z=h：

23、

24、式中：为加固区的最大弯矩；η为加固区的荷载折减系数；ka为主动土压力系数；γ为土体重度；h为加固区的高度；q为等效均布地面超载；

25、根据所述深度z处作用于加固区的净分布荷载计算加固区2的最大剪力：加固区的最大剪力位于加固区的底部，此时z=h：

26、。

27、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤4中，基于抗弯强度条件确定加固区的最小宽度，作为抗弯强度验算，包括：

28、计算加固区的截面模量：

29、=2/6；

30、满足抗弯强度条件：加固区的最大弯曲应力加固区的抗拉强度：

31、

32、式中：为加固区的最大弯曲应力；为加固区的最大弯矩；为加固区的截面模量；b为加固区的宽度；为加固区的抗拉强度；

33、得到最小的加固区的宽度：

34、

35、式中：b为满足抗弯强度条件所需的加固区最小宽度；为加固区的最大弯矩；ft为加固区的抗拉强度。

36、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤4中，加固区的抗拉强度=0.1qu，qu为加固区的无侧限抗压强度。

37、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤4中，基于抗剪强度条件确定加固区的最小宽度，作为抗剪强度验算，包括：

38、满足抗剪强度条件：平均剪应力须小于等于加固区抗剪强度：

39、

40、式中：为加固区截面的平均剪应力；为加固区的最大剪力；b为加固区的宽度；为加固区的抗剪强度；

41、考虑应力不均匀系数1.5：

42、

43、式中：为考虑剪应力分布不均匀后的加固区的最大剪应力；1.5为剪应力不均匀系数；为加固区截面的平均剪应力；为加固区的抗剪强度；

44、得：；

45、式中：b为满足抗剪强度条件所需的加固区最小宽度；为加固区的最大剪力；fv为加固区的抗剪强度；1.5为剪应力不均匀系数。

46、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤4中，所述取两者中的较大值作为所述加固区的宽度是指,在同时满足抗弯强度条件和抗剪强度条件下，得到加固区的宽度：

47、=max

48、式中：b为最终采用的加固区的宽度；为加固区的最大弯矩；为加固区的最大剪力；为加固区的抗拉强度；为加固区的抗剪强度。

49、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤5中,

50、计算槽壁加固区深度z处的界面剪应力:

51、

52、式中：为界面在深度z处的界面剪应力；η为加固区的荷载折减系数；pa(z)为槽壁深度z处的总侧向土压力；(1-η)为通过界面传递的荷载比例；

53、计算槽壁加固区深度z处的界面抗剪强度

54、

55、式中：τf(z)为界面在深度z处的界面抗剪强度，ci为界面粘聚力；为界面在深度z处的法向应力,φi为界面内摩擦角。

56、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,界面在深度z处的法向应力=k0γz,其中，k0是静止土压力系数,γ为土体重度；z为槽壁加固区的深度，孔隙水压力忽略不计。

57、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤5中,使得界面的整体稳定性满足安全要求是指，界面的整体安全系数

58、

59、式中：fs整体为界面沿全深度的整体安全系数；ci为界面粘聚力；h为加固区的高度；k0为静止土压力系数；γ为土体重度；φi为界面内摩擦角；η为加固区的荷载折减系数；ka为主动土压力系数；q为等效均布地面超载；2.0为界面整体稳定性的安全系数限值。

60、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤5中,使得界面的最危险位置的局部稳定性均满足安全要求,是指界面的局部安全系数

61、,

62、式中：fs(z)为界面在深度z处的局部安全系数；为界面抗剪强度；为界面剪应力；ci为界面粘聚力；k0为静止土压力系数；γ为土体重度；z为槽壁加固区深度；φi为界面内摩擦角；η为加固区的荷载折减系数；pa(z)为槽壁深度z处的总侧向土压力；1.8为界面3局部稳定性的安全系数限值；

63、界面的最危险位置出现在加固区的顶部或者加固区的底部，当界面最危险位置出现在加固区的顶部时，z=0，界面的局部安全系数f

64、f,

65、式中：fs(0)为界面顶部z=0处的局部安全系数；ci为界面粘聚力；η为加固区的荷载折减系数；q为等效均布地面超载；ka为主动土压力系数；1.8为局部安全系数限值；

66、当界面最危险位置出现在加固区的底部时，z=h，界面的局部安全系数

67、

68、从而使得界面的最不利位置的局部稳定性均满足安全要求，

69、式中：fs(h)为界面3底部z=h处的局部安全系数；ci为界面粘聚力；k0为静止土压力系数；γ为土体重度；h为加固区高度；φi为界面内摩擦角；η为加固区的荷载折减系数；ka为主动土压力系数；q为等效均布地面超载；1.8为局部安全系数限值。

70、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,所述步骤6中，当抗弯强度条件或抗剪强度条件不满足时，增大加固区2的宽度，并返回步骤5；当界面3的整体安全系数小于2.0或界面3的局部安全系数fs(z)小于1.8时，增大界面粘聚力ci和/或界面内摩擦角φi，并返回步骤5。

71、优选的，在上述的连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法中,当从步骤6返回步骤5之后，如果增大加固区2的宽度和/或增大界面粘聚力ci和/或界面内摩擦角φi，使得荷载折减系数η的复测结果变化超过5%时，返回步骤1重新确定加固区的荷载折减系数。

72、由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

73、综上所述，本发明提供的一种连续成槽工艺下槽壁稳定性设计与施工方法，通过建立荷载比例分配模型,将作用于槽壁的侧向土压力总荷载科学地分解为加固区承担的荷载和通过界面传递部分）,清晰揭示了加固区与原状土的协同工作机理；将加固区简化为承受侧向荷载的竖向受力构件的力学模型,既保证了理论的严谨性,又使得计算过程简便实用,便于工程应用；通过对加固区进行抗弯和抗剪强度验算,能够定量确定加固区的最小宽度,避免了传统经验方法的盲目性；同时,通过对界面进行抗滑稳定性验算,确保了界面不会发生滑移破坏,形成了完整的安全保障体系。