水泥土豎向止水帷幕設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

王愛(ài)民

（江蘇省淮安市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 淮安 223001）

0 引言

水泥土攪拌樁是采用水泥作為固化劑，通過(guò)特殊的施工機(jī)械，在地基內(nèi)部將軟弱土體和固化劑進(jìn)行攪拌，利用軟弱土和固化劑產(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)，使軟弱土固化形成具有一定強(qiáng)度和整體性的地基[1-4]。

水泥土攪拌樁作為止水帷幕是目前常用的方法[5]，原狀土體經(jīng)加固后所形成的水泥土是一種強(qiáng)度介于素土和混凝土之間的物質(zhì)，滲透系數(shù)達(dá)到 1×10-9～1×10-6cm/s[6]，比天然土體滲透系數(shù)小的多，具有較好的止水防滲能力，但現(xiàn)行基坑規(guī)范[7]沒(méi)有給出具體的設(shè)計(jì)方法。本文就水泥土攪拌樁作為止水帷幕設(shè)計(jì)時(shí)，利用簡(jiǎn)單的巖土力學(xué)概念，對(duì)止水帷幕的寬度、厚度、基坑涌水量等問(wèn)題作一探討。

1 豎向止水帷幕深度的確定

為了避免出現(xiàn)流砂現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該利用公式（1）判別其是否符合流砂出現(xiàn)條件[8]。當(dāng)不滿足相關(guān)要求時(shí)，應(yīng)該調(diào)整豎向止水帷幕施工深度，使之滿足設(shè)計(jì)要求，安全系數(shù)Fs一般取1.5～2.0。

圖1 流沙驗(yàn)算示意圖

另一種則是阻止或減少基坑外地下水向坑內(nèi)的滲流，豎向止水帷幕施工深度的設(shè)置通常與地基土層分布情況有關(guān)，下面按照兩種情況進(jìn)行分析：

（1）在基坑底部標(biāo)高下部，支護(hù)樁樁底標(biāo)高以上有黏性土存在時(shí)，豎向止水帷幕一般進(jìn)入黏土層1～2m即可。豎向止水帷幕進(jìn)入黏性土層形成落地式止水帷幕，豎向止水帷幕和基坑底部的粘性土層共同形成一個(gè)相對(duì)封閉的基坑止水系統(tǒng)。此時(shí)需要驗(yàn)算基坑底部的突涌破壞條件，如圖2所示。當(dāng)滿足下式（2）的要求時(shí)，不會(huì)發(fā)生突涌破壞，當(dāng)不滿足下式（2）的要求時(shí)，會(huì)發(fā)生突涌破壞，此時(shí)可以設(shè)置減壓井以降低承壓水頭。

圖2 突涌驗(yàn)算圖

（2）在厚度較大透水土層中，支護(hù)樁入土深度明顯低于透水層的厚度，豎向止水帷幕深度未能超過(guò)透水土層，形成懸掛式止水帷幕，如圖3所示。

圖3 懸掛式止水帷幕示意圖

由《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012中C02懸掛式帷幕地下水滲流的流土穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：

可以推出常用的懸掛帷幕嵌入長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：Kse─流土的穩(wěn)定安全系數(shù)；

D─止水帷幕底面到基坑底部土層的厚度(m)；

D1─潛水面、承壓水頂面到坑底土層厚度(m)；

γ′─土有效重度(kN/m3)；

Δh─坑內(nèi)外總水頭差(m)；

γw─水重度(kN/m3)。

2 豎向止水帷幕厚度的確定

《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012沒(méi)有對(duì)豎向止水帷幕厚度的確定提出相關(guān)的計(jì)算公式。筆者查閱了相關(guān)的資料，認(rèn)為按考慮主動(dòng)土壓力作用計(jì)算豎向止水帷幕厚度的方法在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)便實(shí)用。如果基坑場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水的水位深度為H，坑內(nèi)和坑外的地下水的水頭差為△H，基坑的挖深為h，主動(dòng)土壓力計(jì)算采用水土分算方法，如圖4所示，具體方法參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012。豎向止水帷幕承受的靜水壓力P采用公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

圖4 止水帷幕受力示意圖

當(dāng)?shù)鼗翞榫|(zhì)時(shí)，豎向止水帷幕在（H＋△H）位置承受的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度e為（扣除靜水壓力）：

將（H＋△H）位置處單位高度豎向止水帷幕簡(jiǎn)化為一根簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)支梁跨度為相鄰支護(hù)樁的中心距L，支座為支護(hù)排樁，則豎向止水帷幕在主動(dòng)土壓力條件下受到的剪力Q為：

止水帷幕體抗剪強(qiáng)度τ為：

單位深度止水帷幕體極限抗剪力f為：

定義安全系數(shù)為：

將可得止水帷幕厚度b（單位m）的表達(dá)式：

其中：σ0—地表均布荷載（kPa），c0—土的粘聚力（kPa），Ka=tan2(45°-φ0/2)，φ0—土的內(nèi)摩擦角（0）,γ0—土的天然容重，γ0′—土的浮容重( k N/m3)，rp—止水帷幕體容重( k N/m3) ，γw—水的容重(k N/m3)，c—止水帷幕體粘聚力（kPa），φ—止水帷幕體內(nèi)摩擦角（0），γ—止水帷幕體抗剪強(qiáng)度。

3 基坑涌水量計(jì)算

當(dāng)基坑周?chē)贾弥ёo(hù)擋墻，其入土深度小于含水層的底部（圖5），地下水從基坑的外部越過(guò)支護(hù)擋墻底部流入坑內(nèi)的涌水量可以按照公式（12）計(jì)算[8]：

式中：B——基坑的邊長(zhǎng)，m；

H——坑外地下水位與坑底水位差（m）；

M——含水土層的厚度（m）；

h——坑外水位到支護(hù)擋墻底部的深度（m）；

T——坑底水位到支護(hù)擋墻底部的深度（m）；

b——止水帷幕的厚度（m）。

圖5 涌水量計(jì)算簡(jiǎn)圖

下面對(duì)公式（12）進(jìn)行討論：

（1）當(dāng)M小于h時(shí)，止水帷幕進(jìn)入隔水層，地下水滲流被阻隔，無(wú)滲流發(fā)生。

（2）當(dāng)M等于h時(shí)，止水帷幕的底部正好到達(dá)隔水層頂部，地下水的滲流達(dá)到臨界狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)性好。

（3）當(dāng)M大于h時(shí)，止水帷幕底未到達(dá)隔水層，止水帷幕的底部易于產(chǎn)生地下水的滲流。由公式（12）可知，含水土層厚度M越大，基坑因滲透而產(chǎn)生的涌水量就越大。到底要插入多深才能保證造價(jià)可以接受而滲流最小，龔曉南公式未說(shuō)明。有學(xué)者提出止水帷幕進(jìn)入承壓含水土層大于等于0.5倍含水層厚度，或者大于等于9m，在某些工程中應(yīng)用效果不錯(cuò)，但是沒(méi)有相應(yīng)的理論支撐。

4 結(jié)論

豎向止水帷幕深度的確定為了防止流土出現(xiàn)，需要作流砂條件驗(yàn)算。在支護(hù)樁的底部以上，基坑底部標(biāo)高下有黏性土?xí)r，豎向止水帷幕只需插入黏性土適當(dāng)深度，同時(shí)需要驗(yàn)算基坑底部的突涌破壞條件，當(dāng)不滿足突涌破壞條件的要求時(shí)，可以設(shè)置減壓井以降低承壓水頭。豎向止水帷幕厚度的確定可按考慮主動(dòng)土壓力作用計(jì)算豎向止水帷幕厚度的方法，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)便實(shí)用。基坑的總水量計(jì)算按龔曉南提出的公式到底要插入多深才能保證造價(jià)可以接受而滲流最小，關(guān)鍵在于M的取值，要根據(jù)具體的實(shí)際情況和地方經(jīng)驗(yàn)確定。