水泥土竖向止水帷幕设计的几点思考

王爱民

（江苏省淮安市建筑设计研究院有限公司， 江苏 淮安 223001）

0 引言

水泥土搅拌桩是采用水泥作为固化剂，通过特殊的施工机械，在地基内部将软弱土体和固化剂进行搅拌，利用软弱土和固化剂产生物理、化学反应，使软弱土固化形成具有一定强度和整体性的地基[1-4]。

水泥土搅拌桩作为止水帷幕是目前常用的方法[5]，原状土体经加固后所形成的水泥土是一种强度介于素土和混凝土之间的物质，渗透系数达到 1×10-9～1×10-6cm/s[6]，比天然土体渗透系数小的多，具有较好的止水防渗能力，但现行基坑规范[7]没有给出具体的设计方法。本文就水泥土搅拌桩作为止水帷幕设计时，利用简单的岩土力学概念，对止水帷幕的宽度、厚度、基坑涌水量等问题作一探讨。

1 竖向止水帷幕深度的确定

为了避免出现流砂现象时，应该利用公式（1）判别其是否符合流砂出现条件[8]。当不满足相关要求时，应该调整竖向止水帷幕施工深度，使之满足设计要求，安全系数Fs一般取1.5～2.0。

图1 流沙验算示意图

另一种则是阻止或减少基坑外地下水向坑内的渗流，竖向止水帷幕施工深度的设置通常与地基土层分布情况有关，下面按照两种情况进行分析：

（1）在基坑底部标高下部，支护桩桩底标高以上有黏性土存在时，竖向止水帷幕一般进入黏土层1～2m即可。竖向止水帷幕进入黏性土层形成落地式止水帷幕，竖向止水帷幕和基坑底部的粘性土层共同形成一个相对封闭的基坑止水系统。此时需要验算基坑底部的突涌破坏条件，如图2所示。当满足下式（2）的要求时，不会发生突涌破坏，当不满足下式（2）的要求时，会发生突涌破坏，此时可以设置减压井以降低承压水头。

图2 突涌验算图

（2）在厚度较大透水土层中，支护桩入土深度明显低于透水层的厚度，竖向止水帷幕深度未能超过透水土层，形成悬挂式止水帷幕，如图3所示。

图3 悬挂式止水帷幕示意图

由《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012中C02悬挂式帷幕地下水渗流的流土稳定性验算公式：

可以推出常用的悬挂帷幕嵌入长度计算公式：

式中：Kse─流土的稳定安全系数；

D─止水帷幕底面到基坑底部土层的厚度(m)；

D1─潜水面、承压水顶面到坑底土层厚度(m)；

γ′─土有效重度(kN/m3)；

Δh─坑内外总水头差(m)；

γw─水重度(kN/m3)。

2 竖向止水帷幕厚度的确定

《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012没有对竖向止水帷幕厚度的确定提出相关的计算公式。笔者查阅了相关的资料，认为按考虑主动土压力作用计算竖向止水帷幕厚度的方法在实际的工程设计中简便实用。如果基坑场地范围内地下水的水位深度为H，坑内和坑外的地下水的水头差为△H，基坑的挖深为h，主动土压力计算采用水土分算方法，如图4所示，具体方法参考《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012。竖向止水帷幕承受的静水压力P采用公式（5）进行计算：

图4 止水帷幕受力示意图

当地基土为均质时，竖向止水帷幕在（H＋△H）位置承受的主动土压力强度e为（扣除静水压力）：

将（H＋△H）位置处单位高度竖向止水帷幕简化为一根简支梁，简支梁跨度为相邻支护桩的中心距L，支座为支护排桩，则竖向止水帷幕在主动土压力条件下受到的剪力Q为：

止水帷幕体抗剪强度τ为：

单位深度止水帷幕体极限抗剪力f为：

定义安全系数为：

将可得止水帷幕厚度b（单位m）的表达式：

其中：σ0—地表均布荷载（kPa），c0—土的粘聚力（kPa），Ka=tan2(45°-φ0/2)，φ0—土的内摩擦角（0）,γ0—土的天然容重，γ0′—土的浮容重( k N/m3)，rp—止水帷幕体容重( k N/m3) ，γw—水的容重(k N/m3)，c—止水帷幕体粘聚力（kPa），φ—止水帷幕体内摩擦角（0），γ—止水帷幕体抗剪强度。

3 基坑涌水量计算

当基坑周围布置支护挡墙，其入土深度小于含水层的底部（图5），地下水从基坑的外部越过支护挡墙底部流入坑内的涌水量可以按照公式（12）计算[8]：

式中：B——基坑的边长，m；

H——坑外地下水位与坑底水位差（m）；

M——含水土层的厚度（m）；

h——坑外水位到支护挡墙底部的深度（m）；

T——坑底水位到支护挡墙底部的深度（m）；

b——止水帷幕的厚度（m）。

图5 涌水量计算简图

下面对公式（12）进行讨论：

（1）当M小于h时，止水帷幕进入隔水层，地下水渗流被阻隔，无渗流发生。

（2）当M等于h时，止水帷幕的底部正好到达隔水层顶部，地下水的渗流达到临界状态，经济性好。

（3）当M大于h时，止水帷幕底未到达隔水层，止水帷幕的底部易于产生地下水的渗流。由公式（12）可知，含水土层厚度M越大，基坑因渗透而产生的涌水量就越大。到底要插入多深才能保证造价可以接受而渗流最小，龚晓南公式未说明。有学者提出止水帷幕进入承压含水土层大于等于0.5倍含水层厚度，或者大于等于9m，在某些工程中应用效果不错，但是没有相应的理论支撑。

4 结论

竖向止水帷幕深度的确定为了防止流土出现，需要作流砂条件验算。在支护桩的底部以上，基坑底部标高下有黏性土时，竖向止水帷幕只需插入黏性土适当深度，同时需要验算基坑底部的突涌破坏条件，当不满足突涌破坏条件的要求时，可以设置减压井以降低承压水头。竖向止水帷幕厚度的确定可按考虑主动土压力作用计算竖向止水帷幕厚度的方法，在实际的工程设计中简便实用。基坑的总水量计算按龚晓南提出的公式到底要插入多深才能保证造价可以接受而渗流最小，关键在于M的取值，要根据具体的实际情况和地方经验确定。