深基坑止水帷幕的優(yōu)化設(shè)計

1、何永福，朱進軍，張雨花:深基坑止水帷幕的優(yōu)化設(shè)計121第21卷 2008年10月常州工學(xué)院學(xué)報Journal of Changzhou Institute of Technology深基坑止水帷幕的優(yōu)化設(shè)計何永福I朱進軍I張雨花2（I連云港建欽設(shè)計研究院有限賈任公司江蘇連云譜222000；2.連云港安隆建筑安裝工程有限公司，江蘇連云港222000）摘要:地下水問題是展坑工程成敗的關(guān)錢因素，實踐中絕大彳數(shù)基坑審故新與地下水控制有 關(guān)。丈章分析了幾種生用的深基坑止水椎*體及其特點，對水平和豎向帷暮體的設(shè)計方法進行了 初步採討，并提出了一些保證基坑安全的技術(shù)楷施。關(guān)纜詞:深基坑;止水帷慕;優(yōu)化設(shè)計中

2、圖分類號:TU753.61文獻標(biāo)識碼:A文章塢號：1671 -0436（2008）Z-011903© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/何永福，朱進軍，張雨花:深基坑止水帷幕的優(yōu)化設(shè)計121© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/何永福，朱進軍，張雨花:深基坑止水帷幕的優(yōu)化設(shè)計121按it工工

3、藝分止水帷譏友止水方向分按止水機理分收犒日期：2008 - 06隨著城市建設(shè)規(guī)模日趨擴大，城市土地供應(yīng) 顯得格外緊張，對地下空間的開發(fā)利用備受人們 的關(guān)注。在高層建筑大規(guī)模發(fā)展和地下空間開發(fā) 利用的同時,深基坑工程日益增多，而且正朝著 “超大、超深、超復(fù)雜”的方向發(fā)展。在地下水位較高的地區(qū)開挖深基坑時，由于 水頭差的存在，容易造成流砂、管涌、基底隆起、支 護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等事故。據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)的深基坑 工程事故都與地下水有關(guān),由此可見,止水帷幕在 基坑工程中的重要性，在設(shè)計、施工、監(jiān)測各個環(huán) 節(jié)都應(yīng)謹慎對待。1止水帷幕的概念及其分類1.1止水椎幕的柢念及作用利用各種技術(shù)和施工手段在坑邊和坑底土體

4、中構(gòu)筑隔港體，阻止地下水滲入坑內(nèi)的土工構(gòu)筑 物，稱為止水帷幕。按照設(shè)置方向區(qū)分,止水帷 幕有豎向和水平向兩種形式。止水帷幕的主要作用是阻止或者延緩地下水 向基坑內(nèi)滲透，以避免基坑周圍因地下水位下降 而產(chǎn)生地面沉降及其他相關(guān)問題（如管線斷裂、 附近建筑沉降開裂等）；同時保證坑內(nèi)基本干燥, 使基坑內(nèi)具有良好的工作環(huán)境。1.2止水帷幕的分類根據(jù)帷幕體施工工藝、止水方向及止水機理 的不同，對常用止水帷黑進行分類如下所示:高壓噴射注漿壓密注漿地下連續(xù)41凍結(jié)法1竪向止水帷鼻 |水平止水帷幕 I累掛式止水椎事 I落底式止水椎事1.3常用止水雅幕的特點及適用條件1.3.1深層攪拌法由于原狀土體經(jīng)深層攪拌法加

5、固后形成的水 泥土的滲透系數(shù)比天然土體的滲透系數(shù)要小很 多，因此具有較好的止水防滲能力?；娱_挖時, 常用鉆孔樁或挖孔樁擋土,樁后采用攪拌樁形成 連續(xù)壁式的防滲止水帷幕.組成復(fù)合支護結(jié)構(gòu)，往 往具有極佳的效果。深層攪拌樁止水惟幕具有以 下特點:施工工期短，成本低;取材便利，適用范圍 廣;無振動、噪音影響，周圍土體不會發(fā)生隆起，對 周圍環(huán)境影響比較小。1.3.2高壓噴射注漿止水帷幕基本原理是采用鉆機先鉆進至預(yù)定深度后, 在鉆桿一端安裝上特別噴嘴，水泥漿由此而產(chǎn)生 一束能最大、高度集中的連續(xù)脈沖運動的噴射流 噴出，從而切割攪動土體，同時鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提 升，使土粒與水泥漿液置換、攪拌、混合。由于水

6、泥的水化固結(jié)作用,因此在土層中形成一個均勻 圓柱狀水泥與土顆粒混合的固結(jié)體，以達到加固 地基和止水防滲的目的。高壓噴射注漿止水帷幕 具有以下特點:設(shè)備簡單，施工方便;耐久性好，可 以得到穩(wěn)定的加固效果;漿液以水泥為主體，取材 方便;對周圍環(huán)境影響小。1.3.3壓力注漿止水帷幕法該方法是在壓力作用下將漿液注入土體，通 過漿液的滲透作用,使?jié){液顆粒在土體中均勻擴 散,通過漿液的凝結(jié)作用，與土體的化學(xué)作用及漿 材自身體積充填土體中的孔隙和裂隙，堵塞土體 中的過水通道，降低土體的滲透性能，形成一定厚 度的人工相對隔水層?；蛘咄ㄟ^漿液的劈裂作 用，使?jié){液在土體中沿著裂隙擴散,從而通過漿液 的擬結(jié)作用,對

7、土體的擠密作用及與土體的化學(xué) 作用，在土體中形成一定厚度的人工相對隔水層。 1.3.4地下連續(xù)墻止水帷幕地下連續(xù)墻把止水和支護結(jié)構(gòu)及建筑物的承 重結(jié)構(gòu)合而為一，對于投資較大的大型建筑物或 者周圍環(huán)境極為復(fù)雜的建筑場地比較適用。但對 于投資較小的一般建筑則顯得浪費。地下連續(xù)墻具有整體性好、剛度大、對周圍土 體的沉降和橫向變形控制良好、適用性好等特點, 并且可以進行逆作法施工，節(jié)省工期。此外,還有小徑鉆孔灌注法、凍結(jié)法、射水成墻 法等,這些方法在工程中應(yīng)用不多,這里不再贅述。2豎向止水帷幕設(shè)計2.1概述豎向止水惟幕是垂直設(shè)置在基坑周圍的防滲 體系。根據(jù)止水帷幕的設(shè)置深度是否進入相對不 透水層，可以

8、分為落底式和懸掛式。懸掛式止水帷幕止水機理是延長滲流路徑, 減小水力梯度，如圖1所示。對于相對不透水層 較深，若做成落底式止水帷幕，投資過大難以承 受,此時懸掛式止水帷幕則是很好的選擇。落底式止水帷幕是完全靠帷幕體良好的隔水 性來阻止地下水滲入基坑，如圖2所示。如果相 對不透水層較淺，應(yīng)做成落底式止水帷幕。2.2豎向止水幕的厚度計算在工程設(shè)計中，需要根據(jù)施工機械的成樁直徑和惟幕體的排列方式及地區(qū)經(jīng)驗等方面確定止水 帷幕的厚度。理論計算需從以下兩方面進行考慮： 對支護結(jié)構(gòu)與止水帷幕合一的體系(如水 泥土擋墻)，宜根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定條件和帷幕體強 度條件計算豎向止水帷幕厚度，同時驗算抗港性。 對于一般

9、的支護結(jié)構(gòu)與止水帷幕分別設(shè)置 的情況,土壓力主要由支護體系承擔(dān),對帷幕體的 強度無嚴格要求。此時止水帷幕體的厚度滿足止 水要求即可,規(guī)范規(guī)定止水帷幕的滲透系數(shù)宜 小于 1.0 x 10'6cm/so23落底式止水帷幕的設(shè)計對于落底式止水帷幕，首先根據(jù)工程地質(zhì)條 件、周圍環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)的形式等因素確定止水 帷幕的形式,然后從帷幕體的厚度和插入深度兩 方面進行設(shè)計。根據(jù)規(guī)范的要求，止水帷幕應(yīng)伸入不透水 層的深度為：L=O. 2hw -0. 5b(1)其中/為帷幕插入不透水層的深度為作 用水頭訪為椎幕體厚度。2.4懸掛式止水帷幕的插入深度設(shè)計對于相對不透水層較深，若做成落底式止水 帷幕,投資

10、過大難以承受。工程實踐表明，懸掛式 止水帷幕對減少基坑命水量效果較差，但是由于 滲透路徑的延長，可以控制周邊地下水位的過度 下降。2.4.1按基坑內(nèi)不發(fā)生流砂破壞分析設(shè)計如圖1所示，當(dāng)基坑外的水繞過帷幕向基坑 滲透時，只有當(dāng)水力梯度大于允許水力梯度時，基 坑才能發(fā)生破壞。選擇緊貼帷幕體的最短滲透路 徑計算，此處的水力梯度最大。h+2L + b基坑不發(fā)生滲透破壞的條件是(3)從而可以得到臨界深度必F訂一 2訂(4)式（4）是保證基坑底部不發(fā)生滲透破壞情況下, 懸掛式止水帷幕應(yīng)滿足的插入深度的估算公式。2.4.2按周圍土體的允許沉降分析計算如果基坑周圍有建筑物或者管道，或者其他 不允許有過大地面變

11、形的情況時,在確定止水惟 幕的深度應(yīng)該使該處降水引起的沉降不超過允許 值。解決這一問題的方法有:局部回灌;控制 坑外水位,進而控制土體的固結(jié)沉降。帷幕體的深度對坑外地下水位有較大影響, 在基坑底部標(biāo)高相同的條件下，增大帷幕體的深 度可以保證坑外水位的提高。因此在坑內(nèi)水位確 定后，可以假定幾個惟幕體深度，根據(jù)滲流理論計 算坑外地下水位的變化，進而計算各種插入深度 時坑外土體的沉降，選擇合適的插入深度。3水平止水帷幕的設(shè)計對于基坑底部有較厚透水虐,或者坑底有承 壓水層的存在，坑底可能出現(xiàn)流沙、管涌、突涌等 現(xiàn)象時，應(yīng)選用旋噴法或壓力注漿法在坑底或離 坑底一定距離的土體內(nèi)形成水平止水惟幕。水平 止水

12、帷幕應(yīng)該與支護體系或者豎向止水體系緊密 搭接,以保持基坑干燥和保證基坑安全。3.1坑底水平止水帷幕的方案選擇1）坑底以下深度不大處存在承壓水層,承壓 水層頂面以上的土自重壓力無法平衡承壓水的頂 托力,處理方法有： 降低承壓水頭，降低的辦法也有:a）在坑內(nèi) 與坑外設(shè)置若干減壓井,減壓井的數(shù)量愈多,抽水 量愈大，則承壓水頭降低愈多。這種方法相對比 較經(jīng)濟。b）當(dāng)承壓水層厚度不太大時，可在承壓 水層的厚度范圍內(nèi)設(shè)置豎向止水帷幕，以截斷承 壓水源，同樣亦可降低承壓水頭。 增大承圧水層以上的土自重壓力，可在坑 底以下某一深度處設(shè)置水平止水帷幕。此時豎向 止水帳幕的深度可與水平止水帷幕底面齊平。形 成封閉

13、式的止水帷幕。2）承壓水層埋藏較淺,基坑開挖深度較大, 基坑底面已進人承壓水層，處理的方案也有3種: 采用坑內(nèi)降水方案，在這種條件下,降水井 也是減壓井。此時,尚需配合設(shè)置一定深度的豎 向止水惟幕。 當(dāng)承壓水層厚度不太大時，同樣可在承壓 水層厚度范圍內(nèi)設(shè)置豎向止水帷幕。 當(dāng)承壓水層厚度很大，基坑平面范圍不大 時，在基坑底面以下一定深度處設(shè)置水平止水帷 幕，并與豎向止水帷幕組成封閉式的止水帷幕。3）基坑處于深厚透水層中（無承壓層）。當(dāng) 透水層厚度相對較小，基坑平面范圍較大時，采用 落底式豎向止水帷幕，并配合采用坑內(nèi)降水方案。 而當(dāng)透水層厚度很大，基坑范圍較小時，在坑底以 下一定深度處設(shè)置水平止水

14、帷幕并組成封閉式止 水帷幕。此時水平止水帷幕受到的不是承壓水的 頂托力，而是坑內(nèi)外的水位差引起的浮托力。3.2水平止水帷幕的厚度與深度的確定水平止水帷幕的關(guān)鍵是用水平帷幕體的自 重、工程樁與板底之間的摩擦力來平衡地下水的 浮托力以防止坑底發(fā)生突涌。其厚度及深度按坑 底滿足不發(fā)生突涌的平衡條件進行試算。yt其中:G為帷幕體及其上覆土體自重,F為水 平帷幕體與工程樁之間的摩擦力,P為帷幕體地 面承壓水的頂托力,人為安全系數(shù)。此外，水平防水帷幕的設(shè)計需進行以下驗算: 底板抗彎性能與抗沖切驗算、抗?jié)B性能驗算、帷幕 體與工程樁結(jié)合處的摩擦力允許值驗算。4結(jié)語深基坑工程是一個十分復(fù)雜的體系，其設(shè)計 需要十分慎重。特別是止水帷幕的設(shè)計,不僅需 要根據(jù)相關(guān)理論準(zhǔn)確計算,還需要大員的工作經(jīng) 驗和地區(qū)經(jīng)驗;只有理論與經(jīng)驗相結(jié)合，才能保證 深基坑的設(shè)計工作使用安全、經(jīng)濟合理。參考文獻【1）錢午，蘇