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基坑止水帷幕优化设计及工程应用 摘要 基坑中止水稚摹的设计是一个很重要的方面，设计的好坏，直接决定着地下水、 周围建筑物等一系列安全问题。止水帷幕的形式有很多种，各有其适用范围，而确 定止水帷幕的方法和公式还不是很多，尤其是对于悬挂式止水帷幕。为了对此问题 做进一步分析，本文在模型中对多个参数进行交换并对结果进行了分析，最后对一 个工程实例做了优化分折。 首先对止水帷幕做了概述，介绍了止水帷幕包括竖向止水难幕和水平止水帷幕。 其次分别说明了止水惟幕的形成方法与作用、现有止承稚幕的设置原则和计算方法 以及止水帷幕的使用历史和现状等。 对于基坑中渗流的理论基础分析，首先分析了渗流的基本理论，包括渗流连续 性方程和渗流基本微分方程。在渗流有限元方程分析中，结合本论文的讨论内容， 简介了有限元方法在地下水渗流中的应用并推导了二维状态下有限元控制方程。 有限元方法是地下水分析方法中常用的数值方法，采用以该方法为基本原理的 g e o s t u d i o 软件，本文设定7 种变化参数，确定多种工况，通过分析得出了7 种参 数变化下的基坑抽降水时地下水运动状态。为了使分析结果具有代表性，本文选取 帷幕下断面的渗流量、帷幕底至不透永层竖排节点的渗流速度和基坑底部节点的水 力梯度作为结果分析对象。以这些结果在不同工况之间的变化和不同，迸一步验证 了某些已知理论的正确性和某些参数对地下水流的影响，这些结果，对于止水帷幕 的设计和应用具有一定的参考作用。 为了对实例中的止水帷幕做出优化分析，本文提出按照控制基坑外某点地下 水位降落值的约束条件，以总造价最小作为目标函数，通过模型模拟的方法，把已 经列出的方案进行分析修改，并最终确定优化方案的方法。此外，本文在优化中把 多头小直径深层搅拌桩作为止水帷幕桩的一种形式，同普通单排深层搅拌桩和双排 深层搅拌桩并列加以优化分析，最终以其工效快、价格低廉的特点选为优化结果。 关键词：基坑，止水椎幕，渗流，有限元，优化 t h eo p t i m a ld e s i g na n de n g 孙范e r i n ga p p l i c a t i o n 0 f 啪rs e a l i n gc i 承t ai ni nf o iy n d a l l i o np i t a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i ni nf o m a d a t i o np i ti sa ni m p o r t a n tp a r t w h e t h e rt h ed e s i g nq u a i l t yi sg o o do rb a d ，i td i r e c t l yd e c i d e sas e r i e so fs e c u r i t yp r o b l e m o fg r o u n d w a t e ra n dp e r i p h e r a lb u i l d i n g s t h e r ea r em a n yk i n d so fw a t e rs e a l i n gc u r t a i n a n de a c hh a si t so w na p p l i c a b i l i t y , e s p e c i a l l yf o rh a n g i n gc u r t a i n f o rt h es a k eo fc a r r y t h o u g hm o r ea n a l y s i s ，t h i st e x tc h a n g em a n yp a r a m e t e r sa n da n a l y z e dt h er e s u l t s i nt h e e n d ，i th a sa n a l y z e dt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l eu s i n go p f i m a lm e t h o d a tf i r s t ，t h ea r t i c l es u m m a r i z e dt h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i n ，e x p l a i n e dt h a tt h ew a t e r s e a l i n gc u r t a i ni n c l u d e dv e r t i c a la n dt h el e v e lw a t e rs e a l i n gc u r t a i n t h ee x p l a i n e dt h e f o r m i n gm e t h o da n de f f e c to ft h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i n ，s e t t i n gp r i n c i p l ea n dc o m p u t i n g m e t h o do ft h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i ni ne x i s t e n c e u s i n gh i s t o r ya n da c t u a l i t yo ft h ew a t e r s e a l i n gc u r t a i ne t c s e p a r a t e l y r e g a r d i n gt h ea n a l y s i so f t h es e e p a g et h e o r yb a s eo f t h ef o u n d a t i o np i t ，a n a l y z e dt h e s e e p a g eb a s i st h e o r yf i r s t l y , i n c l u d i n gt h es e e p a g ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dt h es e e p a g e b a s i sd i f i e r e n t i a lc o e 街c i e n te q u a t i o n f o rt h es e e 口a g ef i n i t ee l e m e n te q u a t i o na n a l y s i s ， c o m b i n ew i t ht h ed i s c u s s i o nc o n t e n to ft h i sa r t i c l e ，b r i e f l yi n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no f t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di ng r o u n d w a t e rs e e d a g ea n dd e d u c e dt h ep l a n a rf i n i t ee l e m e n t c o n t r o le q u a t i o n i ng r o u n d w a t e ra n a l y s i s f i n i t ee l e m e n tm e t h o di si nc o n l q 3 0 1 2u s e ，t h o u 【g ht h e g e o s t u d i os o f t w a r ew h i c ht a k et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da st h eb a s i cp r i n c i p l e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h i st e x to b t a i n e dg r o u n d w a t e rm o v e m e n ts t a t ew h e nt h e f o u n d a t i o np i ti sp u m p i n gw a t e rb y7p a r a m e t e r sc h a n g i n g f o rt h ea n a l y z i n gr e s u l t sa r e r e p r e s e n t a t i v e t h i st e x tc h o s et h ed i s c h a r g eu n d e rt h ec u r v e t 1 1 en o d e ss e e p a g ev e l o c i t y u n d e rt h ec u r v ea n dt h en o d e sh y d r a u l i cg r a d l e n ta tt h eb o t t o mo f t h ef o t m d a t i o np i ta st h e r e s u l ta n a l y z i n go b j e c t s a c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n ga n dd i f f e r e n c eo ft h er e s u l t si n d i 艉r e n te n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s i ta p p r o v e ds o m et h e o r i e sa l r e a d yk n o w na r ee x a c ta n d t h ee f f e c to fs o m ep a r a m e t e r s n l e s er e s u l t sa r er e f e r e n c e du s e f u lf o rd e s i g na n du s i n go f t h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i n f o rt h eo p t i m a la n a l y s i so ft h ew a t e rs e a l i n gc u r t a i ni f lt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h i s t e x tb m r l g h tf o r w a r dt h a tt a k i n gt h eg r o u n d w a t e rl i n ed r a w d o w nv a l u eo fo n ep o i n t o u t s i d et h ef o u n d a t i o np i ta st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n a n dt a k et h em i n i m u mc o s ta st h e t a r g e tf u n c t i o n a n a l y z ea n dm o d i f yt h ep r o j e c t sw h i c hh a ss p e c i a l i z e du s i n gm o d e l s i m u l a t i o nm e t h o da n dd e c i d ew h i c ho l l ei st h eb e s to d t i m a lm e t h o d m o r e o v e r , t h i s a r t i c l et a k e st h em u l t i d r i l ls m a l l 。d i a m e t e rd e e p 1 a y e rm i x i n gp i l ef o ro n ef o r mo ft h e w a t e rs e a l i n gc u r t a i np i l e si nt h eo p t i m i z a t i o n a n da n a l y z ei tw i t ht h eo r d i n a r ys i n g l el i n e d e e pm i x i n gp i l ea n dt h et w or o wd e 印m i x i n gp i l es i m u l t a n e o u s l y f i n a l l yc h o s ei ta st h e o p t i m i z e dr e s u l tf o ri t sw o r k i n ge m c i e n c ya n dt h ei n e x p e n s i v ep r i c e k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i t ，w a t e rs e a l i n gc u r t a i n ，s e e p a g e ，f i n i t ee l e m e n t ，o p t i m u m 声明 本人的学位论文“基撼e 丞幢墓煎焦邀让丞王程廛旦”是在导师指 导下独立撰写并完成的，除论文中特别加以标注的地方外，没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产 生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 论文作者签名：c ；4 瞧娟 日期：二o o 六年五月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着高层建筑的不断增多，基坑开挖也成了人们必须面对的重要问题之。基 坑开挖涉及的内容很多，也很复杂，既涉及到基坑的自身强度与稳定性，又包含了 地质环境和社会影响问题。基坑开挖的岩土工程问题主要包括： ( 1 ) 基坑开挖中的人工降水问题： ( 2 ) 基坑边坡稳定问题及支护结构设计问题； ( 3 ) 地基基础及承载力问题； ( 4 ) 地基回弹及有害沉降问题； ( 5 ) 基坑开挖后的环境效应问题。 出现这些问题，大部分都和基坑开挖中地下水原有状态的改变有关系，而且大 量的工程实践也表明了这一点。在目前基坑开挖过程中，当基底标高在地下水位以 下时，必须阻断地下水向基坑内的渗流。一般采用降水或阻水措施将基坑内的地下 水位降至基坑底以下0 5 1 o m ，咀保证基坑干燥、便于施s e t 。2 1 。 地下水的存在对基坑工程会产生不利影响，地下水的渗透破坏常常可以酿成灾 难性后果。渗透破坏常常表现为两种，一是坑底的管涌，在渗透水流作用下，土中 的细小颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以致流失。随着土的孔隙不断扩大，渗透 流速不断增加，较粗颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流 通道，造成土体塌陷、坑底破坏。另一种表现为流砂，在地下水位以下开挖基坑时， 如从基坑中直接抽水，使坑外总水头大于坑内，则坑底下的地下水将向上渗流，在 地基中产生向上的动水力，当水力梯度大于临界水力梯度时，就会出现流砂现象， 坑底泥砂翻涌，给施工带来很大困难 3 】。 为了保证施工的顺利进行，又不至于影响到周围建筑，工程中所运用的基坑防 渗与降水方法大体可分为三类：第一类是单纯的强降水，即将基坑区域内的地下水 位强行降低到开挖面以下；第二类是全方位截渗，即采用高喷灌浆或其他工程措施 建立止水帷幕，将基坑底部与周边竖向封闭式截渗，全面切断基坑内外水力联系； 第三类是防渗与降水相结合的方法【6 吲】。 由此可见，止水帷幕在基坑开挖中起着不可忽视的重要作用，目前基坑降水中 一1 华北水利水电学院硕士学位论文 大多数的止水措施都是采用各种施工方式在基坑四周或底部设置有效的防渗层，以 此来形成对地下水的阻挡和隔断。对于止水帷幕的施工、设计等方面目前还有很多 欠缺的地方，所以还有待于进一步研究。 1 2 止水帷幕的概念 止水帷幕是在基坑开挖和地下构筑物施工时防止地下水横向渗流的竖向作业措 施或防止基坑底地下水突涌的水平作业措施。目的是为了保证基坑基本干燥，使基 坑开挖和地下构筑物施工得以顺利进行，基坑周边不因土体中地下水渗流而产生过 大的位移变形。 这种利用各种技术和施工手段在基坑边和基坑底士体中构筑隔渗体，阻止地下 水入渗基坑的土工构筑物，就称为基坑止水帷幕。 1 3 止水帷幕的作用 1 3 1 止水帷幕的形式 在工程实践中以帷幕是否嵌入相对不透水层，可分为落底式竖向止水帷幕和悬 挂式竖向止水帷幕两大结构类型，它们各自在基坑降水中也起着不同的作用。 ( 1 ) 竖向止水帷幕 l 、落底式竖向止水帷幕 帷幕体一赢深入到含水层底部且进入下卧相对不透水层一定深度，在降水过程 中能利用相对不透水层渗透系数较小的特点，有效近似切断基坑内外的水力联系， 因此止水效果较好。落底式竖向止水帷幕可以实现基坑内安全施工，对周围地面环 境基本没有大的影响。 2 、悬挂式竖向止水帷幕 基坑底以下的透水层深厚，坑底与不透水层距离很远，做落底式止水帷幕不太 现实，所以帷幕体未穿透全部含水层。悬挂式止水帷幕用于隔断上层滞水、潜水及 隔渗深度以内的承压水水平方向渗流，延长垂直方向渗径，使基坑侧壁不出露粉土、 粉砂。悬挂式竖向止水帷幕必须配合基坑内的降水工程，才能确保基坑干燥施工。 竖向止水帷幕埋入基坑开挖高程以下的深度，是影响防渗效果和工程造价的一 个重要因素。如果工程的相对不透水层较浅，则应做成落底式止水帷幕。有些工程 由于相对不透水层埋藏较深，如果做成落底式止水帷幕，则耗资太大难以承受，在 满足工程基本要求的前提下，只有做成悬挂式止水帷幕。众多工程实践已证明，无 2 第一章绪论 粘性土中的落底式止水帷幕，对削减基坑涌水量和控制基坑周围水位下降都有较明 显的效果。悬挂式止水帷幕削减基坑涌水量效果较差，但由于渗径的延长，可以控 制基坑周围地下水位的过度下降【8 j 。 ( 2 ) 水平止水帷幕 水平止水帷幕以高压旋喷法等方法在基坑开挖深度以下一定位置形成足够强度 的水泥土隔渗底板，以水平隔渗体自重、工程桩与底板之间的摩擦力和底板与坑底 之间一定厚度土的自重来平衡地下水的托浮力，防止坑底隆起。常与悬挂式竖直止 水帷幕结合，形成周底隔渗。 此外，针对武汉地区的工程地质与水文地质的特殊性和复杂性，武汉城建学院 的段兵廷【9 j 还提出过壳体支护形式。壳体支护( 水泥、土混合而成) 取代重力式挡 土墙或排桩式支护，把水土压力转化为壳面上的压力，可以充分发挥材料的力学性 能优势，使坑壁支护经济合理，既能抵抗高承压水，又能隔渗吼 1 3 2 止水帷幕的作用 ( 1 ) 竖向止水帷幕设置在基坑坑壁的外缘四周，接缝处咬合紧密。地下水流在 抽水过程中形成新的流网，延长了水流的路径，如图1 - 1 所示。它用以阻止降水时 基坑外透水层在坑内外水位差的作用下向坑内的渗流，并防止由此而产生的流砂等 渗透破坏。在透水层中设置止水帷幕之后，更便于疏干坑内的地下水，并且在疏干 坑内地下水时，由于止水帷幕的阻隔，使基坑外围的地下水位不受过大的影响，从 而减少因地下水位的降低而引起周围地面的沉降。 图l 一1 基坑止水帷幕周围流网示意图 f i 9 1 - 1f l o wn e t ss k e t c hm a po f t h ef o u n d a t i o np i tw a t e rs e a l i n gc t t r t a i n ( 2 ) 水平止水帷幕设置在基坑底面以下，隔渗效果最好，其作用有两种，一种 是因基坑以下有深厚的透水层，水平止水帷幕是为了阻止坑外地下水绕过墙趾向坑 华北水利水电学院硕士学位论文 内渗流；另一种是因基坑开挖面下有承压水层的存在，可以防止深层承压水的顶托 力使基坑底面以下的土层被冲溃而发生突涌破坏。此外还可增加支挡结构的抗力， 提高地基承载力，减小地基不均匀沉降。在承压水层深厚、渗透性强的地层，开挖 深度较大的基坑工程中，往往比落底竖向止水帷幕经济可靠。由于浮箱结构承受巨 大托浮力，必须通过隔渗体自重及其与工程桩的摩擦力与之抗衡，要求隔渗体与先 期完成的工程桩间有良好的结合。若采用压力注浆，应选择可灌性较好的土层作为 封底层。 1 4 帷幕体的形成方法及适用条件 14 1 形成方法1 1 川 用于止水帷幕的施工方法很多，每种方法都有各自的适用性和局限性，目前使 用效果较好的主要是浆喷深层搅拌法、粉喷深层搅拌法和高压喷射注浆法。压力灌 浆法在条件合适、严格腌工管理的前提下，也能取得较好的止水效果。此外，小口 径钻孔灌注桩法和射水成墙法一般用于特殊环境，或作为上述方法的补充手段综合 运用。 1 4 2 各方法适用条件 ( 1 ) 深层搅拌法m 1 1 1 2 】 深层搅拌法止水帷幕视土层条件可采用一排、两排或数排水泥搅拌桩相互叠合 形成，相邻水泥搅拌桩可搭接l o o m m 左右，如图卜2 所示。深层搅拌桩止水帷幕的 优点是搅拌后水泥土不透水，施工速度快，造价低。但帷幕深度受限制，标贯击数 大于1 5 击的土层难以施工，且桩体垂直度要求高，若偏差容易造成叉脚漏水”】。水 泥搅拌桩适于处理淤泥、淤泥质粘土、软弱的粘性土和粉土以及含水量较高但地基 承载力不大于1 2 0 k p a 的软粘土地基。泥炭土及地下水具有腐蚀性时，应通过试验明 确是否适用 i l l 。试验表明水泥掺合量为1 0 的水泥土渗透系数比原状土渗透系数小 两个数量级以上，在基坑支护体系中常采用水泥土止水帷幕截水1 2 1 。 l 、浆喷深层搅拌法：主要适用于软粘土和粉质粘土，对含有高岭石、蒙脱石等 粘性矿物的土层加固效果较好，对含直径过大、过多的卵砾石类地层，一般不适用， 而对于含有伊利石、氯化物和水铝石英等或有机质含量高、p h 值较低的土层，) j i n 效果较差。 本方法在自身组成连续墙体时，能起到良好的止水作用，但在刚性支护桩桩间 d 第一章绪论 设置时，由于其不能与刚性桩紧密结合往往止水效果较差而不采用。 2 、粉喷搅拌法：适用条件与浆喷搅拌法基本相同，在刚性桩桩间设置时，更应 注意其不足之处，一般要用压力灌浆法或小口径钻孔素混凝土灌注填# l q l 缝。 ( 2 ) 高压喷射注浆法：适用于砂类土、黄土、粉土、粘土夹砂等地层，对直径 过大含量过多的卵石层，含大量有机质的腐殖土，效果较差。 高压喷射注浆法水泥土止水帷幕一般有两种形式：单独形成止水帷幕，采用单 排旋喷桩相互搭接形成，或采用摆喷法形成，与排桩共同形成止水帷幕。平面形状 如图卜3 所示。高压喷射注浆法水泥土止水帷幕适用于粘土、淤泥质土、粉土、砂 土及碎石土等地基。 从、e ：竺立 l ： ( a ) 图卜2 深层搅拌桩水泥土桩止水帷幕 图1 - 3 高压喷射注浆法水泥土止水帷幕 ( a ) 止水帷幕剖面；( b ) 单排水泥土桩；( a ) 单排旋喷桩搭接形成；( b ) 摆喷形成； ( c ) 双排水泥土桩 ( c ) 与排桩共同形成 f i 9 1 - 2c e m e n td e e pm i x i n gp i l ec u r t a i n f i g l - 3j e tg r o u t i n gp i l ec u r t a i n ( a ) c u r m i ns e c t i o n ；( b ) s i a g l ep i l e ( a ) s i n g l e p i l eo v e r l a p ；( b ) s w i n gj e tp i l ec u r t a i n ( c ) d o u b l epiles(c)formw i t ht h et o wp i l e s 高压旋喷注浆法是一种新方法，它是通过高压发生装置，使液流获得巨大能量 后，经过灌浆管道从一定形状和孔径的喷嘴中，以很高的速度喷射出来，形成了一 股能量，高度集中的液流，直接冲击破坏土体，并使浆液与土搅拌混合，使在土中 凝固成为一个具有特殊结构且不透水的 1 0 c m s ) 、有一定固结强度( 1 0 2 0 ) m p a 的固结体。 旋喷桩作止水帷幕常作挡土兼封水用，但造价偏高，也存在垂直度偏差造成叉 脚漏水的缺点。高压摆喷墙作止水帷幕能形成搭接良好的不透水墙，止水效果好， 施工速度快，但造价略高于搅拌桩u 3 。若有钻孔挡土桩等其他形式的桩作为支护形 式，则根据摆喷工艺要求，摆喷防渗墙轴线距挡士桩外缘不小于5 0 0 r a m ，以便有位置 成墙，如图卜4 所示1 ”i 。 5 至 华北水利水电学院硕士学位论文 摆喷位置 圈卜4 摆喷防渗墙示意图 f i g l - 4s k e t c hm a po f t h es w i n g j e tp i l ec u r t a i n ( 3 ) 压力灌浆法：适用于砂砾石、岩溶溶洞及裂隙、断层破碎带，有时也可用 于大孔隙比的软土和湿陷性黄土。此法宜与高压喷射桩，深层搅拌桩配合使用。 ( 4 ) 小宜径钻孔灌注法：此法多用于狭窄场地，可作为刚性桩排桩或桩锚支护 体系的补充手段。在基坑深度不超过6 m ， 用于粘性土和粉土层。 ( 5 ) 射水成墙法：适用于粘土夹砂、 径 2 0 r a m 松散至稍密状的卵砾石地层i ”】。 1 5 止水帷幕的设置原则和方法 周边环境较好时，也可自成止水帷幕，适 粉士、砂性土、填土或含量在5 以下粒 止水帷幕的型式有很多种，每种的适应条件、施工工艺、优缺点各异，这与基 坑地质条件、地下水条件、周边环境、经济造价等都密切相关。j 水帷幕形式选择 得经济与否，就需要比较全面地进行分析评价。 现行岩土工程规范大多数针对两类极限状态：承载能力极限状态和正常使用极 限状态。杨波等【4 】认为这种规定同样适用于止水帷幕这种临时性工程项目。止水帷 幕承载能力极限状态即指保证不会发生结构性破坏，也就是止水帷幕应具有足够的 抗压强度、刚度和容许渗透坡降：而正常使用极限状态即止水帷幕能够完成其相应 的功能，起到防渗作用【4 。 在支护桩兼作止水帷幕的情况下，如地下连续墙，只需按照支护结构计算受弯 和受压，即可满足要求。止水帷幕和支护结构分离使用，单独起作用时，在大多数 情况下，由于止水帷幕的深度未超过支护桩的深度，故无须考虑在侧压力作用下， 帷幕墙因受弯或受冲切而破坏产生裂缝的可能【5 1 。 1 51 竖向止水帷幕的设置f 】23 5 】 设置竖向止水帷幕的目的是为了阻止地下水从基坑侧面渗入坑内而造成事故， - 6 第一章绪论 其选择原则可从以下几个方面考虑。 ( 1 ) 从渗流量和水头考虑：对于渗流量较小、水头较低的基坑，可在支护桩间 或其外侧布置止水桩( 结构) ，填补支护桩间的空隙，共同组成既能挡土又能挡水的 连续竖向结构体；对于渗流量较大、水头差较大的基坑，应该使止水帷幕自成体系。 ( 2 ) 从场地条件考虑：当场地较开阔时，竖向止水帷幕宜设置在支护体系的主 动土压力区以外；当场地较狭窄时，宜选用集挡土、挡水及地下室为一体的地下连 续墙。 ( 3 ) 从基坑深度和地质条件综合考虑：当基坑深度较小，场地土力学性能较差 时，可考虑采用集挡土与防水于一体的重力式挡墙；当基坑深度较大，场地力学 性能较好时，可考虑采用支护桩加自戏体系的止水帷幕；当基坑深度很大，场地土 力学性能较差时，可考虑采用地下连续墙。 ( 4 ) 帷幕埋入基底以下土层深度分析 1 、落底式止水帷幕埋入相对不透水层深度分析 落底式竖向止水帷幕埋入下卧不透水层深度可按下式计算： d = 0 2 h 一0 5 b 式中：d 帷幕埋入不透水层的深度i h 作用水头； b 帷幕厚度【7 i 。 奇 7 ，止水帷器 多 7 乡 乡 b 臻麓锘窝豌谊毁璐掰舅稳斡 多 溯臀i 燃一相对不诱7 1 支护桩径，n = i ，2 s s ( 基坑外某处的地下水位下降值不得小于某一固定值) 。 上式中：h 桩长； r 桩半径； d i 桩中心距； d 3 椎幕桩距离基坑内壁的距离； m 桩的单位面积造价； 0f 2 分别为桩长的上下限； 尺、月：分别为桩径的限制范围； 一6 7 华北水利水电学院硕士学位论文 n 桩的排数。 4 4 - 1 - 程实例 44 1 工程概况 实例采用武警河南边防总队办公楼基坑，该工程位于金水路与1 0 7 国道交叉口 南西部郑州市金水路东部武警河南边防总队院内。拟建的办公楼地上9 层，地下1 层，群楼地上2 层，地下一层，地下车库均为停车场，基坑深度为自然地坪向下5 7 0 m ( 室内外商差为1 6 m ) 。基坑宽4 8 m ，长5 8 m 。 ( 1 ) 场地工程地质及水文地质条件 拟建场地地形相对平坦，所处地貌单元为黄河冲积泛滥平原。根据勘察报告所 提供的资料，场地3 5 ，0 m 深度范围内基本分为2 套地层。地表0 2 2 0 m 为杂填土 ( q 4 m 1 ) ，2 2 0 3 5 0 0 m 左右为第四系全新统冲积物( q 4 a 1 ) 。按其成因类型、岩性及 工程地质特性，可将在基坑和降水影响范围内的工程地质单元层分为1 2 层，各层的 物理力学牲质指标如下表4 4 所示 表4 - 4 各土层性质指标 t a b l e 4 * 4t h ep r o p e r t i e so f s o i ll a y e r s 土层编号土层名称 土层厚度( m )孔隙比比重g 。渗透系数( m d ) 1 杂填土 2粉土2 0 40 9 0 32 7 0 3 粉土夹粉质粘土 1 9 20 9 1 22 7 0 4 粉土1 9 10 7 6 62 7 0 5 粉土l ，8 20 7 7 62 7 0 6 粉质粘土2 9 40 6 8 32 7 2 0 4 ( 综合) 7 粉土 1 4 60 6 5 1 2 7 0 8 粉质粘土 1 5 30 8 0 82 7 2 9 粉土 2 ，3 40 6 4 1 2 7 0 l o 粉质粘土 1 3 80 8 2 4 2 ，7 2 1 1 粉土1 3 10 6 1 l2 7 0 1 2 粉细砂 1 9 2o 5 1 22 6 6 5 ( 2 ) 周边环境条件 拟建工程基坑北侧已建5 层办公楼距基坑开挖线为3 2 0 m ，食堂距基坑开挖线 为3 2 0 m ，南侧2 层建筑物距基坑开挖线为1 8 0 m ，其他均为宽阔场地。根据基坑工 程重要性分析，5 层办公楼、2 层车库、食堂地段为一级基坑，其他均为二级基坑。 ( 3 ) 场地水文地质条件 6 8 第四章止水帷幕优化设计 拟建场地地下水含水层主要为粉土、粉砂、粉土为弱透水层，粉细砂为中等透 水层，地下水类型上部为上层滞水，下部为孔隙潜水，其补给来源主要为大气降水 及地下径流补给。勘察期间拟建场地潜水地下水位埋深1 2 0 l3 0 m ，杂填土中的地 下水主要为上层滞水，其隔水层为杂填土底部的粘性土( 鱼塘底部) ，( 2 ) 层中为孔隙 潜水，平均水位埋深3 5 0 4 0 0 m 。历史资料表明，历史最高水位，地下水埋深约 1 5 0 m ，场地内潜水主要受季节和人为活动影响，年变化幅度为1 5 0 m 左右。 地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性。 4 4 2 t 程分析 由于基坑南北两侧的附近建筑物距离基坑边线都比较近，基坑深度为5 7 m 。基 坑支护采用的是土钉支护，止水帷幕桩可沿基坑四周紧挨基坑壁施工。根据前文的 对比分析可以看出：如果止水帷幕深度在2 0 m 以内，且地层条件不复杂时，从施工 工效和经济性等方面考虑，宜采用深层搅拌法进行施工；当地层结构复杂止水帷幕 深度大于2 5 m 时，宣采用高压喷射注浆法施工。由于本基坑不属于深基坑，又处于 地下水埋藏不太丰富的郑州市区，在止水帷幕桩的选型方面可以排除高压喷射注浆 法成桩。本文选取三种方案如表4 - 5 所示，分别运用软件模拟观察帷幕的止水效果， 在不合适的地方进行调整修改，直到最终确定最合适的帷幕桩方案。其中帷幕宽度 一项在模型中采用采用成桩的最小厚度。因近年来多头小直径深层搅拌桩作为一种 新的成桩方法应用较为普遍，本文对于多头小直径深层搅拌桩作为桩型的一种，另 外列出，和其他深层搅拌桩做效果上的比较。 基坑深度为5 7 m ，可知基底在第四层粉土中。为了按照基坑底土层不发生流土 破坏先计算帷幕桩的最小埋入基底深度，首先求i l i a 体的临界水力坡度： i c ，= ( g s - 1 ) ( 1 叫= ( 2 7 0 - 1 ) ”羔m 0 9 6 允许水力梯度 i 】为： 【f 】i = i 。t = 0 9 6 2 ，2 = 0 ，4 4 按照公式d 2 伽一( + 6 ) f 2 【f 】求出止水帷幕桩的最小埋入基底深度为： d 协- ( h 一6 ) 【f 】) 2 【f = 5 7 一( 5 7 0 3 ) x 0 4 4 2 0 4 4 = 0 7 3 m ( 桩径为0 3 m ) d 疗一( h 一6 ) 【f j 2 f = 5 7 一( 5 7 一o 5 ) o 4 4 2 o 4 4 = o 7 5 m ( 桩径为o 5 m ) ，6 9 华北水利水电学院硕士学位论文 双排桩最小埋入基底深度为( 桩径为0 5 m ，宽为l m ) ： d 疗一( h 一6 ) 【f 】 2 f = 5 7 一( 5 , 7 1 ) o 4 4 2 o 4 4 = o 8 m 由上式可知，在帷幕宽度为分别为o 3 m 、0 5 m 和l m ( 双排桩) 时，帷幕桩埋入基 坑底以下o 7 3 m 、o 7 5 m 、0 8 m 即可满足基底土不发生流土的要求。在该工程中，假 设基坑附近的建筑物在距离基坑2 m 远处的地下水位下降值不得多于3 m ，以此为约 束条件，综合考虑其他约束条件建立方案如下表4 - 5 ： 表4 - 5 止水帷幕设计方案列表 t a b l e 4 - 5d e s i g np r o j e