CN110287563A - 基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，建立考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕力学分析模型；建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数Fs双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕的深度与厚度数学关系方程表达式；选定水平封底止水帷幕安全系数F_s以及最大允许的渗水量[q]，绘制特定的安全系数以及最大允许的渗水量指标下基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数。本发明实现了强透水地层基坑深层水平封底止水帷幕参数的定量化设计。

Description

基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法

技术领域

本发明涉及地下工程领域，特别是一种基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法。

背景技术

随着我国城市地下空间开发利用越来越重视，深基坑开挖越来越频繁，由于我国沿海(江)城市水位埋深浅，为了让施工区域保持一个干燥的环境、防止基坑开挖过程中出现的流沙、管涌以及基坑突涌等现象，保证基坑开挖过程中地下结构施工安全性，基坑开挖前有必要进行预降水，可是沿海软土地区，地下水丰富、地层透水性强，地下水往往是是导致深基坑工程事故发生的最直接的影响因素之一。

目前，基坑开挖中地下水控制的方式主要为“排、降、隔、堵”。对于深厚承压含水层的深基坑工程，一般需要减压降水以防止基坑发生突涌等灾害。若深基坑降水对周围环境(地下管线、建(构)筑物)可能造成危害时，一般采取采用竖向止水帷幕(悬挂式、落底式)截断地下水，减小基坑降水带来的不利影响。目前深基坑降水设计研究主要集中在竖向止水帷幕下基坑降水方面，然而沿海城市深基坑工程的含水层厚度非常大、相对不透水层埋藏较深，若采用传统的落底式竖向止水帷幕方案进行隔断，工程造价非常高且超深连续墙(止水帷幕)施工技术很难达到，常常会导致渗漏事故频发；若采用悬挂式竖向止水帷幕时，降水效果很难保证，大规模降水会对基坑周边建筑物、管线等造成不利影响。

为解决上述基坑降水的难题，现场工程师提出了基坑深层水平封底止水技术方案，即采用高压旋喷(或深层搅拌)的方式，在基坑开挖坑底以下一定深度位置形成足够强度的水平止水屏障，与基坑四周悬挂式竖向止水帷幕结合，形成周底隔渗封闭帷幕，从而最大限度地保证基坑降水效果，减缓降水对基坑周边环境的影响。然而，基坑深层水平封底止水帷幕设计仍停留在在经验的基础上，主要依靠现场工程师的经验决定相关设计参数，因此，有必要寻求一种能够定量化确定基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的方法。

经对现有技术文献检索发现，基坑深层水平封底止水帷幕的合理范围一直未有定论，或者假定基坑水平封底止水帷幕是完全不透水材料，简单采用传统的土压平衡法确定水平封底帷幕的加固深度与厚度。然而，一般来说，在实际工程中，基坑深层水平封底加固体为绝对不透水层的情况比较少见，常常由于地层条件、施工条件、技术设备、操作方式等原因，基坑深层水平封底加固体事实上还是会具有一定的透水性能。当设计基坑深层水平封底止水帷幕时，应考虑水平封底止水帷幕可能渗透的情况，以免设计参数过于保守或者偏不安全。因此，有必要在这方面做进一步研究，研制一种考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法是当前亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，采用该方法得到的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数更合理可靠，满足现场工程施工要求，保证强透水地层深基坑的施工安全。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，包括以下步骤：

1)根据工程实际的地质、水文条件，建立考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕力学分析模型；

2)建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数F_s双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕的深度与厚度数学关系方程表达式；

3)选定合适的安全系数F_s以及最大允许的渗水量[q]，利用步骤2)中基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的数学关系方程表达式，绘制基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用所述绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数。

步骤2)中，建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数Fs双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g的数学关系表达式为：其中，γ′_s为基坑底部原状土体的浮重度；γ′_g为水平封底止水帷幕的浮重度；k_u为基坑竖向帷幕外部土体等效渗透系数；k_s为基坑底原状土体的渗透系数；k_g为基坑深层水平封底止水帷幕渗透系数；h_w为水位到基坑开挖底部的高度；h_s为基坑水平封底止水帷幕深度；h_g为基坑水平封底止水帷幕厚度；[q]为基坑单位面积的水平封底止水帷幕允许的渗水量设计值，γ_w为水的重度。

本发明中，安全系数F_s的取值范围为1.0～1.5。

步骤3)中，深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g总和，根据h_u＝h_w+h_s+h_g进行计算，其中，h_w为水位线到基坑坑底的高度；h_u为基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度。

本发明基于渗流力学理论，建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数Fs双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕的深度与厚度数学关系方程表达式；选定合适的深层水平封底止水帷幕安全系数F_s以及最大允许的渗水量[q]，利用建立的基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的数学关系方程表达式，绘制特定的安全系数以及最大允许的渗水量指标下基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用所述绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，即可确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明得到的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数更合理可靠，满足现场工程施工要求，保证强透水地层深基坑的施工安全。本发明考虑了帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数更合理可靠，符合现场施工技术特点和实际情况，保证强透水地层基坑降水工程施工安全，实现了强透水地层基坑深层水平封底止水帷幕参数的定量化设计。

附图说明

图1为本发明考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕力学模型示意图；

图2为本发明考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平止水帷幕参数的确定方法设计流程图；

图3为本发明特定安全系数以及最大允许的渗水量指标下基坑深层水平止水帷幕深度与厚度的关系曲线图。

图中，1—围护结构(竖向止水帷幕)；2—地表；3—水位线；4—深层水平封底止水帷幕；5—基坑坑底原状土体；6—基坑坑底；h_w为水位线到基坑坑底的高度；h_s为基坑水平封底止水帷幕深度；h_g为基坑水平封底止水帷幕厚度；h_u为基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度；h_exc为基坑开挖深度；B为基坑宽度。

具体实施方式

本发明提供的考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，包括以下步骤：

步骤1：根据工程实际的地质、水文条件，建立考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕力学分析模型；

步骤2：建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数F_s双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕的深度与厚度数学关系方程表达式；

步骤3：选定合适的安全系数F_s以及最大允许的渗水量[q]，绘制基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用所述绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，即可确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数。

(1)本发明所述的基坑深层水平封底止水帷幕渗水量Q，可按照地下水渗流的相关理论进行求解为：

式中：k_u为基坑竖向帷幕外部土体等效渗透系数；k_s为基坑底原状土体的渗透系数；k_g为基坑深层水平封底止水帷幕渗透系数；h_w为水位到基坑开挖底部的高度；h_s为基坑水平封底止水帷幕深度；h_g为基坑水平封底止水帷幕厚度；h_u为基坑竖向帷幕嵌入含水层深度，其可表示为h_u＝h_w+h_s+h_g；L为基坑长度；B为基坑宽度。这里，除了基坑深层水平封底止水帷幕渗透系数k_g未知，其余都可根据地质勘察和基坑设计参数确定。

(2)本发明所述的深层水平封底止水帷幕安全系数F_s，根据力学平衡原理，其可表示为总有效重力与渗透力的比值，即

式中：γ′_s为基坑底部原状土体的浮重度，可根据下列公式γ′_s＝γ_s-γ_w计算得到(其中γ_s为基坑底部原状土体的天然重度，可根据地质勘察试验确定)；γ′_g为水平封底止水帷幕的浮重度，可根据下列公式γ′_g＝γ_g-γ_w计算得到(其中γ_g为水平封底止水帷幕(加固体)的重度，可根据实验室测试确定)；γ_w为水的重度(一般取10kN/m³)；J_g为水平封底止水帷幕水力梯度，可根据达西定律，表示为

(3)本发明所述的基坑单位面积的水平封底止水帷幕允许的渗水量[q]，可根据式(1)，并代入几何关系h_u＝h_w+h_s+h_g，解得：

(4)本发明所述的基坑深层水平封底止水帷幕深度h_s，可联立式(2)和(3)消去未知的基坑深层水平封底止水帷幕渗透系数k_g，可解得基坑深层水平封底止水帷幕的深度h_s与厚度h_g数学关系方程表达式：

式中：基坑单位面积水平封底止水帷幕允许的渗水量[q]，一般可根据工程经验或相关规范进行限定。

(5)本发明所述的最佳的强透水地层基坑深层水平封底止水帷幕设计参数，即根据式(4)绘制特定安全系数下考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用所述绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，即可确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数(深度与厚度的具体值)。

某地铁车站基坑工程，含水层厚度非常深，各含水层水力联系非常密切，采用常规降水方案无法保证将地下水位将至预定位置。车站基坑总长L约200m，车站标准段基坑开挖深度h_exc约为16m，标准段基坑净宽度B为17.5m，土的天然重度γ_s为18.16kN/m³，土体渗透系数k_u为12m/d，水的重度γ_w为10kN/m³，深层水平封底止水帷幕“水泥土”重度γ_g为20kN/m³，基坑单位面积水平封底止水帷幕允许的渗水量[q]为300m³/d/(1000m²)，水位线到基坑开挖底面高度h_w为14m，基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度h_u为32m。

本实施例提供一种考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，用于上述工程，所述方法包括如下步骤：

第一步，结合本实施例中基坑、水文地质等设计参数，根据图2设计流程图，代入式(4)，计算得到考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平止水帷幕深度h_s与厚度h_g的数学关系表达式，并绘制基坑深层水平封底止水帷幕临界深度h_s与厚度h_g的曲线关系图，如图3所示，考虑工程安全储备，本实施例中最终选定安全系数Fs＝1.2。

第二步，一般情况而言，考虑到基坑封底工程造价，基坑深层水平封底止水帷幕厚度不会很大，工程经验一般为3～8m，同时，工程设计时基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度往往会预先确定(即h_u＝h_w+h_s+h_g一般为定值)，本实施例中基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度h_u为32m，即h_s+h_g＝18m，结合我们步骤二中得到安全系数F_s＝1.2下基坑深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g的曲线关系图，从而可以绘制出两条曲线，根据图3，即可确定考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g的设计值，即深层水平止水帷幕临界深度h_s与厚度h_g分别为14m、4m。

Claims (4)

1.一种基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据工程实际的地质、水文条件，建立考虑帷幕渗透作用的基坑深层水平封底止水帷幕力学分析模型；

2)建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数F_s双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕的深度与厚度数学关系方程表达式；

3)选定合适的安全系数F_s以及最大允许的渗水量[q]，利用步骤2)中基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的数学关系方程表达式，绘制基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度的关系曲线Γ₁，结合基坑深层水平封底止水帷幕深度与厚度总和为定值的关系曲线Γ₂，利用所述绘制的两条关系曲线(Γ₁、Γ₂)交点，确定最佳的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数。

2.根据权利要求1所述的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，其特征在于，步骤2)中，建立单位面积基坑最大允许渗水量[q]和安全系数Fs双重指标控制的基坑深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g的数学关系表达式为：其中，γ′_s为基坑底部原状土体的浮重度；γ′_g为水平封底止水帷幕的浮重度；k_u为基坑竖向帷幕外部土体等效渗透系数；k_s为基坑底原状土体的渗透系数；k_g为基坑深层水平封底止水帷幕渗透系数；h_w为水位到基坑开挖底部的高度；h_s为基坑水平封底止水帷幕深度；h_g为基坑水平封底止水帷幕厚度；[q]为基坑单位面积的水平封底止水帷幕允许的渗水量设计值，γ_w为水的重度。

3.根据权利要求1所述的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，其特征在于，安全系数F_s的取值范围为1.0～1.5。

4.根据权利要求1所述的基坑深层水平封底止水帷幕设计参数的确定方法，其特征在于，步骤3)中，深层水平封底止水帷幕深度h_s与厚度h_g总和，根据h_u＝h_w+h_s+h_g进行计算，其中，h_w为水位线到基坑坑底的高度；h_u为基坑竖向止水帷幕嵌入含水层的深度。