深基坑的渗流阐发和防渗体设想探究

1深基坑进展表面

基坑工程技能是涉及地质、土力学和底子工程、布局力学、工程布局、施工机器和机器设置装备摆设等的综合技能。因为设计、施工和治理方面的不确定身分和四周情况的多样性，使基坑工程成为一种危险性很大的特种工程。我们只有在敬重科学的底子上，实事求是地适时地采纳技能和治理步伐，才气转败为功，到达预想的工程目的。本文从阐发危险动身，从办理对基坑稳健影响最大的地下水渗流题目入手，提出深基坑支护设计的新思绪和相应的设计原则，供读者参考。

2 深基坑存在的重要题目

2.1深基坑变乱表面

比年来，我国经济设置装备摆设飞速进展，各种底子办法和很多大型、超深的基坑和深底子工程正在举行计划、设计和施工。因为设计、施工、地质勘探和运行治理方面的缺陷和失误，导致不少基坑产生了质量变乱，有的则涉及人身宁静，造成了不须要丧失，已经日益引起人们的器重。

在这些变乱中，有80%以上（某地曾到达90%）是与水有干系的。因为对基坑渗流了解不深，造成了一些原来可以幸免的工程变乱。

从变乱的缘故原由来阐发，涉及到计划设计、地质勘察、施工工艺和运行治理以及质量监控等等方面。笔者以为设计是紧张关键：有的设计自己就存在题目，纵然再专心施工，仍幸免不了产生渗流粉碎和基坑变乱。现在各地、各部分所采纳的基坑支护范例也存在一些差异。总之，在深基坑的设计施工中，还存在着一些貌同实异的、了解不完全同等的含糊题目，必要群策群力、取长补短，深入探究息争决这些题目。

2.2基坑变乱缘故原由阐发

依据多年从事地基底子工程设计、施工、科研和治理事情的领会，笔者以为现在大型深基坑工程还存在着以下一些题目和隐患：

（1）设计：该当说绝大部份的深基坑设计事情都是很好的，但是也有一些基坑设计不太切合现实大概失误。好比，在存在着地下水大概承压水时，只思量餍足基坑支护布局（如地连墙和排桩）的强度和稳健要求，未举行专门的渗流盘算，而将墙或防渗体底放在透水层中，成为“吊挂式”布局，因而产生了许多基坑透水、管涌和突涌变乱。

（2）工程地质和水文地质勘探深度不敷，数据禁绝确，推断有失误；设计、施工职员对地质庞大水平了解不敷，导致施工历程中产生变乱。有的工程原来存在承压水，但是勘探单元却误判为潜水，直到基坑出了变乱才明确过来。

（3）施工马虎，质量缺陷太多，格外是导致地连墙或其他防渗体（水泥搅拌桩、高压喷射灌浆、注浆等）显现孔洞或裂隙，讨论之间没有搭接，成裤衩状，使基坑外侧地下水“短路”，直接涌入基坑，几个月处置惩罚不完。另有施工历程中，运行维护不敷，降水（抽水）事情无法正常举行，造成变乱。

（4）有关范例条文已不克不及顺应现在庞大的地质条件和基坑范围。现在，许多深基坑的开挖深度凌驾了 30m，基坑面积凌驾了20万平米，位于庞大的多层地基和多层承压水之中；有些范例还不克不及完全顺应这些情形。

我们知道，对付深基坑工程来说，地下水是个很紧张和很贫苦的事。基坑深度越深，则坑表里水位差（水头）也就越大；基坑面积越大，则隔水层的平面一连性大概越差，乃至显现“毛病”，产生变乱的大概性也就越大。

2.3岩石基坑的变乱

对付岩石地基上的基坑大概底部位于岩石地基中的大型深基坑来说，渗流稳健题目仍旧是存在的。好比基坑底部位于风化岩或软岩中时，当坑表里水位差很大而支护布局底部入土（岩）深度不敷时，每每会显现坑底大量漏水而很难排干，造成基坑底部的风化岩、土泥化、流泥；大概渗水把岩体中的细颗粒或易溶于水的物质挟带出来，也可导致基坑或周边修建物粉碎；当承压水头很高时，就会顶破上部岩土层而导致基坑粉碎。

有人对花岗岩的强风化层和弱（中）风化层的透水性有误会，以为把地连墙底部放在此层，就可以办理深基坑渗流题目；这是错误的。很多多少地方的花岗岩的这两层内里，都是透水层，许多供水井就打在这里边；有人把它当成不透水层，明显是不合错误的。

3.深基坑设计的新思绪

一个完备的深基坑工程的设计，该当包罗以下几个方面的内容：

（1）支护布局的内力盘算与细部设计；

（2）深基坑工程的防渗和降水（回灌）设计；

（3）深基坑工程的地基处置惩罚设计；

（4）深基坑工程的检测和监测设计。

对付存在地下水的基坑来说，防渗和降水的设计黑白常紧张的，本文将重点加以商议。

既然深基坑的粉碎80-90%以上是由地下水和渗流引起的，那么深基坑的设计施工就该当从操纵地下水的危害入手，防水，治水，以到达深基坑的宁静稳健，这也便是写作本文的目标。

以往的基坑支护设计是根据抗颠覆大概是抗深层圆弧滑动等布局条件来盘算基坑地连墙的入土深度的；没有思量大概是没有全面思量基坑渗流稳健题目；也没有思量地连墙的经济性题目。实践证明，这种设计导致了一些基坑显现题目。

我以为该当转变一下这种深基坑设计思绪（门路）。本文的引导头脑是用基坑的渗流稳健条件来确定入土深度，详细地说，是由以下几个盘算条件来确定入土深度的：

（1）渗流稳健条件；

（2）支护布局的经济条件（应力和配筋优化）；

（3）普通稳健条件，如总体稳健、圆弧滑动稳健、踢脚稳健条件等；

（4）结构要求。

此中第一个条件求得的入土深度hd1，是地连墙入土深度最小下限值；假如比它再小，基坑就会不稳健。以是这个条件不光是须要的，并且是一定的。

第二个条件是要求所采纳的入土深度hd2，该当使布局内力（重要是弯矩）尽大概小，使布局的钢筋用量和砼用量公道，以到达经济公道的目的。因为内力（弯矩）随着基坑底面以下入土深度的增添而变小，那么hd2该当大些为好；通常应大于由第一个条件确定的入土深度,hd2> hd1。至于本相hd2多大，我们该当选用几个差别的入土深度举行内力和配筋盘算。由盘算效果中，选用内力（弯矩）最小（或较小）时的入土深度，作为入土深度的设计值。

第三个条件是现行基坑支护规程所要求的；采纳此条件求出的入土深度hd3，每每是小于第一个条件求出的入土深度hd1，假如以此作为设计值是不宁静的。以是它只是一个须要的条件 不是一定的条件，通常作为校核条件；普通情形下，不会成为操纵条件;设计入土深度该当选用有上面第二个条件确定的hd2。只有在河口区、滨海区和湖区的深基坑工程中，有大概成为操纵条件。

第四个条件是依据通常做法（结构要求）提出的，好比，通常要求基坑防渗体应深入到下部不透水层中1.5-2.0m。日本要求有程度支持时入土深度不小于1.5 m；钢板桩挡土墙的入土深度不小于3.0m，等等。

根据这种思绪（门路）举行设计，是由第一个渗流稳健条件来办理基坑的宁静题目；由第二个条件办理支护布局的经济性（造价最低）题目；而把第三个地基土稳健条件作为校核条件。

以往的设计，大多只按第三个设计条件举行盘算，选出一个入土深度，即按此举行布局配筋。

总之我们推举的深基坑的新设计思绪（门路）为：

（1）起首举行深基坑渗流阐发和盘算，确定入土深度的最小设计值hd1。

（2）选用一个或多个入土深度（均应大于hd1）,通过试算，求出弯矩与入土深度的干系曲线，选用最小或较小的弯矩所对应的入土深度值hd2，作为设计入土深度。明显，hd2 ≥hd1。

（3）在弯矩和入土深度hd2已经确定的条件下，选择几个差别地连墙厚度（或桩的直径与间距），举行配筋盘算。当弯矩必然时，钢筋用量与混凝土方量成反比。由此可以选出钢筋和混凝土造价之和最小或较小的谁人墙厚作为设计墙厚。

（4）其他的设计步调同以往。

明显这种设计思绪（门路）把地基土、地下水的稳健性和支护布局物经济性综合思量，而且以地下水的渗流稳健为条件条件，以支护布局的经济性为目的，如许做出的设计该当是更公道、宁静的。

4.深基坑渗流阐发简介

4.1基坑地下水渗流特性

我们知道，土体是由固体、液体和睦体构成的三相体系。土中的自由水在压力作用下，可在土的孔隙中流淌，这即是渗流；而土体在外荷载或自重作用下，也会产生活动，对孔隙水也要孕育发生压（阻）力；是以可以说，水的渗流是土与水相互作用的效果。

4.1.1潜水条件下的基坑渗流特点

随着基坑的不停往下开挖，基坑表里的土体的物理力学性能都产生了很大改变；渗入渗出水流对土体的作用和影响也产生了很大改变。此时，作用在基坑外侧的渗入渗出水流的作用力是向下的，它对土体孕育发生了压缩作用；同时因为渗流的作用，作用在地连墙等支护布局上的水压力也小于静水压力,这对付基坑稳健都是有利的。

当渗流穿过墙底进入基坑内侧时，渗入渗出水流的偏向酿成了向上，渗流水压力就酿成了浮托力，使土体重度淘汰；而它对支护布局的水压力加大了。

潜水情形下，会产生贴壁（即沿着地连墙墙壁表里外貌的第一根流线）渗流不稳健题目。

4.1.2承压水条件下的基坑渗流特点

当基坑蒙受承压水作用时，坑底地基重要蒙受两个方面的作用，一个是在承压水的向上浮托力作用下，本地基土（岩）自重不敷以压住水的浮托力，就有大概突涌、冒砂等粉碎；再一个是土层内部的粘性土或砂性土的厚度太薄时，会造成了内部土层的渗流不稳健。普通情形下，承压水不存在像潜水情形下 的贴壁渗流不稳健题目。

由以上阐发，可知潜水和承压水条件下的渗流情形是差别的。

4.2潜水情形下深基坑的渗流阐发

潜水情形下的基坑渗流重要体现在靠近基坑边沿地段的地基产生管涌和流土等粉碎征象，这个地段宽度约莫为入土深度的一半。渗流阐发重要是核算沿着地连墙表里边沿（此为最短的渗入渗出路径）上地基土的渗流稳健性（见图1）。

图1 潜水基坑渗流阐发图

沿着地连墙表里边沿（第一根流线）上的均匀渗流坡降可写为：

i=hw/(hw+2 hd) ≤〔i〕

式中，hw-水头，即基坑表里水位差。

hd-入土深度。

i –渗流坡降，

〔i〕-许可渗流坡降，对付粉细砂地基，通常可取〔i〕=0.1-0.2；对付级配不良地基，可取〔i〕=0.1-0.3。

对付多层地基来说，上述公式不克不及用，可以采纳简化的盘算公式或电算步伐求得各个盘算断面（点）上的水头、坡降和流速等参数，核查是否餍足许可渗流坡降的要求。

4.3承压水情形下深基坑的渗流阐发

在承压水作用下，深基坑的抗承压水的稳健重要是坑底地基的抗浮稳健题目。

从危险水平来看，施工时期坑底地基抗浮稳健总是脆弱些，更应得到充足的存眷。

现在有几种盘算坑底抗浮的要领，多因此上部荷重与下部浮托力相均衡且有必然宁静系数来思量的。现实上这只是一种均衡（即荷载均衡）。因为土的凝集力差别而造成的内部抗渗入渗出本领差别，以是还必要核算第二种均衡条件，也便是渗入渗出压力和坡降的均衡题目（见图2）。

图2 坑底抗浮稳健盘算图

可按下面三种盘算情形，核算基坑内部地基土的抗承压水突涌稳健性。

4.3.1盘算情形

①坑底表层为不透水层。

②上部不透水层全部被挖除，基坑底和地连墙底直接位于透水层中。

③成层（互层）地基情形。

4.3.2盘算内容

1）核算地基土的抗承压水突涌的稳健性，要举行两个方面的核算：

①荷载均衡盘算：

含水层顶板以上土的饱和重应大于承压水的浮托力，

γst≥kγwhw

式中：t——地层厚度（全部上覆土）

γs——地层的饱和重度，不是浮重度

γw——水的重度

hw——含水层顶板以上的承压水头；不是基坑表里水位之差

k——宁静系数，取k=1.1-1.05。

②土体内部渗流盘算。

当含水层顶板以上不光有隔水层，另有透水层交互存在时，假如此中某一种地层的厚度很薄或抗渗性能很差时，还应该核算该地层的渗流坡降是否小于许可值。此时，粘性土的许可坡降可采纳5～8；对付砂性土，则依据土的性子差别，而采纳差别数值，如粉细砂，[i]=0.1-0.2，砾石[i]=0.15～0.40，个体工程粉细砂地基也有效[i]=0.07的。

2）核算承压水沿地连墙内壁的贴壁渗流盘算。通常情形下，这种贴壁渗流不是操纵的，可不盘算。

4.4作用于基坑支护布局上的水压力

图3水压力比力图

我们知道，渗流是地下水在地基土（岩）中流淌形成的。要流淌，就一定有能量推动 ，那便是水的势能（即水头）。地下水在地基 中流淌的时间，一定降服地基土的阻力，才气使渗流连续下去；如许就斲丧了能量，也便是使本来的势能水头不停淘汰。由此可见，渗流历程是一种斲丧能量的历程。

当我们阐发作用在基坑地连墙上的水压力时，不再是静水压力，而是渗流水压力，它通常小于静水压力；也便是说，只要基坑存在着水流的流淌（即渗流），作用在其上的水压力就会小于该处的静水压力。

在图3中，颠末盘算比拟，作用在基坑上的渗流水压力只有的58%。这便是说，在基坑支护设计中思量渗流水压力的影响，可使地连墙中蒙受的弯矩比按静水压力盘算的变小，所设置装备摆设的钢筋淘汰。固然，静水压力的折减幅度会因基坑的地质和地下水条件的差别而有所改变，钢筋用量也会有所改变。

5.深基坑防渗体的设计要点

5.1对基坑支护设计的根本要求

5.1.1增补美满地勘和周边情况观察事情

地连墙与桩底子受力特点差别，以是对地基的要求也不尽雷同。桩底子因此蒙受垂直荷载为主的，它对地基的重要要求是桩侧摩阻力和桩端垂直承载力；而基坑支护布局因此蒙受程度荷载为主的，它对地基的重要要求是抗剪强度、变形特性和透水特性等。

是以基坑工程地质勘探与桩底子该当有所区另外。假如采纳地下一连墙或贯注桩做基坑支护布局，则该当对工程初期的地质勘探资料举行复核，须要时应举行增补勘探事情。

5.1.2进一步优化布局设计

依据差别阶段的勘探陈诉及有关资料和支护布局的受力特点，联合水文和工程地质条件举行阐发盘算，进一步优化布局设计。

5.1.3举行专门的基坑渗流阐发

一定举行专门的深基坑渗流阐发，以确保工程宁静。许多深基坑工程地质、水文地质条件庞大，其地下水位偶然还受潮汐或海浪的影响，显现渗流粉碎的大概性很大，尤应引起细致。

5.2深基坑防渗和降水方案

5.2.1全部防渗方案：

将地连墙（这里泛指垂直挡土布局）底伸入到不透水的土层或岩层内必然深度，堵截渗流畅道；

5.2.2全部降水方案

此时不设置防渗办法，通过强力抽水，将地下水位降到基坑底部以下。因为强力抽水，对周边地下水影响很大，以是此法只在周边情况开阔地区内利用，好比大型的江河中的围堰和基坑。此时，要格外细致管涌题目。

5.2.3防渗和降水相联合方案

此方案是在基坑上部设置防渗布局，下部则采抽排地下水，来低落地下水位。

在都会设置装备摆设中，采纳此种要领的较多。

5.2.4防渗步伐

（1）地下一连墙，墙底伸入不透水层 内

（2）水泥灌浆帷幕

（3）高压喷射灌浆帷幕

（4）水土壤搅拌桩墙（SMW，TRD）

（5）地下防渗墙（砼、砂浆或自硬泥浆、薄墙）

（6）凝结法

5.2.5降水工法

依据地下水的范例、埋深和基坑的特性，可以采纳以下几种降水要领：

（1）明排水

（2）井点排水和超等井点排水（SWP）

（3）管井排水

（4）辐射井排水

当基坑周边建（构）筑物离得较近，简单引起位移时，偶然必要在基坑外边接纳回灌步伐，以连结该处地下水位稳定或不会低落太大。

5.3深基坑支护设计要点

5.3.1深基坑设计的根本原则：

笔者以为在深基坑设计历程中，该当遵照地基土、地下水和布局物相联合；基坑侧壁防渗、程度防渗和基坑降水相联合；宁静、质量和经济相联合的根本原则。

别的，深大基坑该当以防渗为主；不克不及做到这一点时，应将基坑的防渗和降水联合起来，统统加以思量。

5．3．2关于基坑防渗体

基坑防渗体是在地连墙或别的支护布局下部举行水泥帷幕灌浆或高压旋喷灌浆，用墙和幕构成基坑总的防渗体。其目标是使用上部布局来蒙受基坑的荷载；而使用下部布局办理防渗题目。由于基坑下部蒙受的荷载渐渐变得很小，不必再白费造价很高的混凝土和钢筋了；只需用帷幕来办理基坑的渗流稳健题目。如许，可以幸免单纯采纳地连墙或别的支护布局底部伸入不透水层过深带来的施工困难，可大量节省工程投资，收缩施工工期。这对付第四纪笼罩层和岩石的基坑都是实用的。好比如今许多地连墙深度凌驾了60m，施工难度很大。在条件相宜的情形下，就可以思量采纳上墙下幕的设计方案。

至于地连墙做多深，帷幕做多深，应通过技能经济比力，来选定一个地连墙公道深度，既能餍足基坑的防渗要求，又可节省投资。我以为，得当的地连墙深度和充足的防渗帷幕或降水步伐联合起来，使得基坑工程的总体造价最小或较小、对周边情况影响较小的总体方案，才应看作是公道的；如许的地连墙深度，才是地连墙的公道深度。

5.4 对基坑底部程度防渗的商议

采纳高压喷射灌浆的要领来关闭基坑底部的透水地基，已经有许多工程做过，包罗南水北调穿越黄河隧道的竖井工程，沈阳地铁二号线工程以及武汉地上百座修建基坑工程……等等；但是没有一个是乐成的。

在承压水条件下的基坑，采纳现在的高喷要领，很难做到密封不透水。

5.5高喷灌浆和操纵灌浆的比力

5.5.1高喷灌浆是在有限范畴（直径）内，采纳高压力对地层土料举行喷射搅拌，以形成一个凝结体。出了这个有限界限之外，喷射压力就会敏捷衰减，对地基起不到加固作用。依据所用的高喷设置装备摆设和灌浆压力、提速等参数差别，可以形成差别直径巨细的凝结体。要想让这些凝结体在钻孔底部相互搭接起来，就一定采纳大直径，小间距和小偏斜的要领才气办得到。假如采纳小直径的高喷桩，当钻孔深度较大时，其底部就很难搭接在一路，见图4。

总之，要做到密封不透水，该当餍足以下三个条件：1）桩的直径充足大；2）相邻桩的中间距充足小；3）桩的深度不克不及太大。

5.5.2在笼罩层中采纳操纵灌浆（稠浆）的要领，在水里水电工程中已经大量采纳并取得乐成。这种灌浆是一种渗入渗出-扩散灌浆，它的灌浆浆液是沿着地层的孔隙流淌、扩散而渐渐凝结的。可以想见，它的扩散范畴比高喷法要大，要远些；通常其扩散半径大于1.5～2.0m。如许的话，在同样基坑面积下，我们就可以罕用许多根钻孔来到达关闭透水层的目标，它的工期、质量和造价都市优于高喷法。

图4高喷桩桩底部空洞图

近来国内引进了MJS工法，可以建筑大直径的高喷桩，桩的中间距可以小些，可以做到桩与桩之间不透水；大概形成一个不透水的“底板”；还必要举行试验。

6.结语

本文扼要先容了国表里深基坑和地连墙工程的进展情形；提出了当前深基坑工程中的重要题目是有地下水渗流造成的；提出了深基坑渗流阐发的重要要领以及深基坑支护设计要点；信赖会对深基坑工程的设计施工有些参考代价；不妥之处请指正。