水泥土豎向止水帷幕設計的幾點思考

王愛民

（江蘇省淮安市建筑設計研究院有限公司， 江蘇 淮安 223001）

0 引言

水泥土攪拌樁是采用水泥作為固化劑，通過特殊的施工機械，在地基內部將軟弱土體和固化劑進行攪拌，利用軟弱土和固化劑產生物理、化學反應，使軟弱土固化形成具有一定強度和整體性的地基[1-4]。

水泥土攪拌樁作為止水帷幕是目前常用的方法[5]，原狀土體經加固后所形成的水泥土是一種強度介于素土和混凝土之間的物質，滲透系數達到 1×10-9～1×10-6cm/s[6]，比天然土體滲透系數小的多，具有較好的止水防滲能力，但現行基坑規范[7]沒有給出具體的設計方法。本文就水泥土攪拌樁作為止水帷幕設計時，利用簡單的巖土力學概念，對止水帷幕的寬度、厚度、基坑涌水量等問題作一探討。

1 豎向止水帷幕深度的確定

為了避免出現流砂現象時，應該利用公式（1）判別其是否符合流砂出現條件[8]。當不滿足相關要求時，應該調整豎向止水帷幕施工深度，使之滿足設計要求，安全系數Fs一般取1.5～2.0。

圖1 流沙驗算示意圖

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

（1）在基坑底部標高下部，支護樁樁底標高以上有黏性土存在時，豎向止水帷幕一般進入黏土層1～2m即可。豎向止水帷幕進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相對封閉的基坑止水系統。此時需要驗算基坑底部的突涌破壞條件，如圖2所示。當滿足下式（2）的要求時，不會發生突涌破壞，當不滿足下式（2）的要求時，會發生突涌破壞，此時可以設置減壓井以降低承壓水頭。

圖2 突涌驗算圖

（2）在厚度較大透水土層中，支護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《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-2012中C02懸掛式帷幕地下水滲流的流土穩定性驗算公式：

可以推出常用的懸掛帷幕嵌入長度計算公式：

式中：Kse─流土的穩定安全系數；

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

《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-2012沒有對豎向止水帷幕厚度的確定提出相關的計算公式。筆者查閱了相關的資料，認為按考慮主動土壓力作用計算豎向止水帷幕厚度的方法在實際的工程設計中簡便實用。如果基坑場地范圍內地下水的水位深度為H，坑內和坑外的地下水的水頭差為△H，基坑的挖深為h，主動土壓力計算采用水土分算方法，如圖4所示，具體方法參考《建筑基坑支護技術規程》JGJ120-2012。豎向止水帷幕承受的靜水壓力P采用公式（5）進行計算：

圖4 止水帷幕受力示意圖

當地基土為均質時，豎向止水帷幕在（H＋△H）位置承受的主動土壓力強度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化為一根簡支梁，簡支梁跨度為相鄰支護樁的中心距L，支座為支護排樁，則豎向止水帷幕在主動土壓力條件下受到的剪力Q為：

止水帷幕體抗剪強度τ為：

單位深度止水帷幕體極限抗剪力f為：

定義安全系數為：

將可得止水帷幕厚度b（單位m）的表達式：

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—止水帷幕體內摩擦角（0），γ—止水帷幕體抗剪強度。

3 基坑涌水量計算

當基坑周圍布置支護擋墻，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支護擋墻底部流入坑內的涌水量可以按照公式（12）計算[8]：

式中：B——基坑的邊長，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——坑外水位到支護擋墻底部的深度（m）；

T——坑底水位到支護擋墻底部的深度（m）；

b——止水帷幕的厚度（m）。

圖5 涌水量計算簡圖

下面對公式（12）進行討論：

（1）當M小于h時，止水帷幕進入隔水層，地下水滲流被阻隔，無滲流發生。

（2）當M等于h時，止水帷幕的底部正好到達隔水層頂部，地下水的滲流達到臨界狀態，經濟性好。

（3）當M大于h時，止水帷幕底未到達隔水層，止水帷幕的底部易于產生地下水的滲流。由公式（12）可知，含水土層厚度M越大，基坑因滲透而產生的涌水量就越大。到底要插入多深才能保證造價可以接受而滲流最小，龔曉南公式未說明。有學者提出止水帷幕進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，在某些工程中應用效果不錯，但是沒有相應的理論支撐。

4 結論

豎向止水帷幕深度的確定為了防止流土出現，需要作流砂條件驗算。在支護樁的底部以上，基坑底部標高下有黏性土時，豎向止水帷幕只需插入黏性土適當深度，同時需要驗算基坑底部的突涌破壞條件，當不滿足突涌破壞條件的要求時，可以設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土壓力作用計算豎向止水帷幕厚度的方法，在實際的工程設計中簡便實用。基坑的總水量計算按龔曉南提出的公式到底要插入多深才能保證造價可以接受而滲流最小，關鍵在于M的取值，要根據具體的實際情況和地方經驗確定。