探討深基坑防滲加固措施
2011-12-22 來源：中國鳴網(wǎng)
在地下水位較高的地區(qū)進行基坑開挖，要保證在“干”狀態(tài)下的施工，需要進行降排水，使地下水產(chǎn)生滲流，在基坑內(nèi)外高水頭差作用下易于出現(xiàn)滲透破壞。滲透破壞的發(fā)生嚴重影響施工，并可導(dǎo)致土體喪失穩(wěn)定性或地面產(chǎn)生塌陷，危及相鄰建筑物的安全。通過現(xiàn)有基坑工程事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有70%的工程事故是由于地下水造成的。
滲流作用引起的土體滲透破壞形式可分為流砂和管涌兩種基本形式。流砂一般是指向上的滲透力大于上覆土自重，使之上抬而破壞，或者在直立坑壁的情況下，水平向的滲透力只需要克服土顆粒之間的摩擦阻力，使坑后土體涌出!更容易造成工程事故。管涌表現(xiàn)為細顆粒在較大顆粒的孔隙中隨水流流出，常發(fā)生于級配不良的無粘性土中，管涌的持續(xù)發(fā)展，將會在土體內(nèi)部形成空洞，極大威脅基坑工程的安全。
1、滲透破壞機理
要控制滲流作用引起的土體滲透破壞作用，必須正確認識基坑滲透破壞機理。當(dāng)基坑開挖后，不同位置的土體受力狀態(tài)不同，如圖1?；痈浇鼏挝惑w積的土體穩(wěn)定性由四個力決定的：向上的滲流的滲透力（GD）、土體的浮容重（γ′）、土粒間的摩擦力（f）和土體的凝聚力（c）?；庸こ讨?，根據(jù)實踐，在細砂、砂土或粉土易發(fā)生滲透破壞作用，即c=0；當(dāng)土體受到滲透力作用，一經(jīng)松動，土粒間的摩擦力就不存在，故可以不必考慮摩擦力的影響，以求安全。
當(dāng)水從上向下流動時，流線向下，所受力如圖la所示，其GD與γ′的作用方向一致，土體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在主動區(qū)，滲流力使地下水位以下的土體自重應(yīng)力增加，相應(yīng)的水位以下部分的主動土壓力增加。
當(dāng)水流方向從下向上時，上體所受力如圖lb所示，其動水壓力隨水流向上，而土體重力向下。在被動區(qū)，滲流力使土體自重應(yīng)力變小，相應(yīng)的被動土壓力減小。所以，在考慮地下水滲流時，主動土壓力增大，被動土壓力小，這種狀況對支護結(jié)構(gòu)是不利的。隨GD不斷增大，當(dāng)達到GD≥γ′時，土體呈現(xiàn)為懸浮狀態(tài)，這就是說土體在水滲流時將失去穩(wěn)定，產(chǎn)生滲透破壞。
2、滲透破壞產(chǎn)生條件
根據(jù)滲流破壞的產(chǎn)生機理，滲透破壞的產(chǎn)生不僅受到滲透力的大小，同時還與土的空隙率、顆粒級配、密度等條件有關(guān)。
2.1滲透力
隨著基坑工程的深度不斷加大，坑外的高水頭作用是產(chǎn)生滲透破壞的主要原因。地下水的滲流對單位體積內(nèi)土的骨架產(chǎn)生的壓力稱為滲透壓力或動水壓力，用公式表示為：
（1）
式中：γw為水的重度，近似取10kN/m3；i為水力坡度。當(dāng)GD=γ′時，產(chǎn)生土的失重現(xiàn)象，若動水壓力稍有增大或稍有外力作用，便可能產(chǎn)生滲流破壞。滲流在土體中的滲透力，取決于水力坡度，水力坡度越大，滲透力越大，就越容易發(fā)生滲透破壞。
在向上滲流的作用下，滲透力克服土顆粒的自重與水的浮力的合力即可在較大顆粒的孔隙中移動；而在水平向滲流的作用下，則只需克服顆粒間的摩擦作用即可起動，因而水平向滲流更容易形成滲透破壞[4]。基坑工程中，滲透破壞容易發(fā)生于坑壁滲透力集中的部位，如無防滲帷幕情況下的坑腳部位、防滲帷幕破壞或不連續(xù)的部位等。這些部位，滲透力的方向接近水平，而且集中程度較高。
2.2土層結(jié)構(gòu)
局部地質(zhì)條件的變化及施工情況等因素也會誘使?jié)B透破壞的發(fā)生。當(dāng)GD=γ′時的水力坡度為臨界水力坡度（Ic），可按下式計算：
（2）
把式（1）代入上式可得：
式中：n為土的孔隙率；D為土顆粒密度；
由式（3）可以看出，具備下列性質(zhì)的土在一定的滲透壓力下易發(fā)生滲透破壞現(xiàn)象。
（1）砂土孔隙度愈大，臨界坡度愈小，易產(chǎn)生滲透破壞；
（2）顆粒較細土顆粒密度小，而且連續(xù)極弱的粉細砂、粉土等極易產(chǎn)生滲透破壞；
（2）不均勻系數(shù)Cu<10，或Cu>10，但細粒含量>5%的砂土易產(chǎn)生滲透破壞。
3、臨空面
實際工程中滲透破壞還必須具有充分的臨空面才能發(fā)生，基坑開挖時，因有臨空條件，當(dāng)滿足動水條件與土層結(jié)構(gòu)條件時，就會產(chǎn)生滲透破壞。
4、降水質(zhì)量
不均勻速度降水和間歇降水，使土粒帶出，誘發(fā)土層流砂現(xiàn)象。
3、防滲加固措施
滲透破壞控制主要有兩個目的：一是防止?jié)B透力集中，造成滲透破壞危害基坑安全；二是限制坑外地下水位，以免給臨近建筑物及市政設(shè)施帶來不良影響?；庸こ痰臐B透破壞控制，存在防與治兩個方面。
3.1預(yù)防措施
（1）改善土體的抗?jié)B性能。基坑工程中，改善土體抗?jié)B性能主要是增強土顆粒間的膠結(jié)能力。通過灌漿或高壓注漿的方法將粘結(jié)材料注人需要處理的土體中，可同時提高土體的強度和抗?jié)B性。針對滲流場中易于產(chǎn)生滲透力集中的薄弱部位，進行局部處理，可以既考慮到工程的安全性，又兼顧工程經(jīng)濟效益。
（2）合理設(shè)計防滲帷幕。設(shè)置防滲帷幕，就相當(dāng)于增加了地下水的滲流路徑，使水力坡度減小，并且使水頭損失較大的地方離基底遠些，可以改善基坑滲流場的分布形態(tài)，有效地防止?jié)B透破壞的發(fā)生。通過滲透破壞分析計算，合理設(shè)置防滲帷幕的埋深，避免過深造成浪費。
（3）降低地下水位。基坑周圍環(huán)境對沉降要求較小時，可在坑外設(shè)置排水井點，使坑內(nèi)外的水力坡度達到實際容許水力坡度，或?qū)⒌叵滤唤抵粱娱_挖深度以下。
2加固治理措施
（1）采用反壓土，目的是增加坑內(nèi)被動區(qū)土壓力，控制泥沙外流。如，立即鋪設(shè)稻草料，并拋大石塊等把流砂壓住，控制險情的發(fā)展。
（2）對保護對象進行加固保護，同時對漏空區(qū)進行高壓注漿充填加固。高壓注漿在管涌周圍采用下部封堵地下水滲流通道，注漿壓力一般為0.2MPa~0.3MPa，水灰比0.5，水泥漿內(nèi)摻3%的水玻璃，注漿深度，控制在基3m~7.5m內(nèi)，深層注漿用于控制砂層承壓水，淺層注漿用于加固土體。在制止管涌時可以采用了先注外加劑后注水泥漿的辦法，進行治理。
4、工程實例分析
福建某地下停車場基坑，開挖深度8.00m，平面形狀近似方形，面積約25000m2。基坑北距某在建高層建筑約6.00m，地下水位埋深1.70～3.00m，年變幅1.00m左右?；硬捎蒙顚訑嚢铇杜c旋噴樁2種止水帷幕形式，坑南側(cè)主要采用鉆孔灌注樁，部分采用人工挖孔樁，其余段采用人工挖孔樁支護?；硬捎霉芫邓黄诠こ坦膊荚O(shè)管井70余口。基坑開挖面積巨大，周邊環(huán)境比較復(fù)雜，不同的開挖段地質(zhì)情況有較大差異。
基坑?xùn)|北角地下3～6m左右為粉土與粉砂夾粉土層，開挖時，發(fā)生流砂現(xiàn)象，為管涌的發(fā)生創(chuàng)造了條件。在人工挖孔樁挖到4m左右時，造成30多根人工挖孔樁全部連通，并引起了周邊道路的下沉，相鄰房屋墻體拉裂，裂縫寬度4cm左右，屋內(nèi)地面也出現(xiàn)了開裂。
經(jīng)分析其產(chǎn)生原因，主要是由于坑內(nèi)東北角部分的粉砂土層是易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的土體，是滲透破壞產(chǎn)生的內(nèi)因；同時人工挖土?xí)r，各樁間產(chǎn)生水平的臨空面，加上管井經(jīng)常間歇降水，降水速度時快時慢，使土粒帶出，使水平向滲流更容易形成滲透破壞。
5、結(jié)語
在深基坑工程事故中，由土體滲透破壞而引起的工程事故占有很高的比例，基坑滲透破壞是多種因素的綜合結(jié)果，滲透破壞的產(chǎn)生不僅受到滲透力的大小，同時還與土的空隙率、顆粒級配、密度等條件有關(guān)。根據(jù)滲透破壞發(fā)生的機理及影響條件，提出合理的基坑支護和降水止水方案，具有重要意義。
