陳衛(wèi)東，錢禮平，張振華，錢明明，王野

（1.安徽省建筑科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

1 引言

地下連續(xù)墻具有剛度大、占地少、能適應(yīng)復(fù)雜施工環(huán)境和地質(zhì)條件的特點(diǎn)，同時(shí)其工期短，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益高，在深基礎(chǔ)施工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。地下連續(xù)墻用作結(jié)構(gòu)墻的關(guān)鍵在于能否成功防止地下連續(xù)墻產(chǎn)生滲漏[1]。工程滲漏的防治不易且治理費(fèi)用高，“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為地下工程的施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)和使用階段的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，其防水更是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?！皟蓧弦弧钡叵逻B續(xù)墻可采用以下幾種防水設(shè)計(jì)方案[2]：第一種是在內(nèi)襯墻的背水面設(shè)置防水層，這種方式的防水效果較差，一旦形成滲漏突破口，難以根治；第二種是在內(nèi)襯墻和地下連續(xù)墻之間設(shè)置防水層，這種方式防水效果好，即使地下連續(xù)墻發(fā)生滲漏，內(nèi)側(cè)的防水層也能起到防水效果；第三種是在內(nèi)襯墻和地連墻之間設(shè)置排水層，以此來消除滲透壓力，有效地避免滲漏的發(fā)生。合肥某超限高層深基坑逆作法施工過程中，擬采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻防水設(shè)計(jì)方案。該防水設(shè)計(jì)方案在地下連續(xù)墻的基礎(chǔ)上增設(shè)三軸攪拌樁、防水層、內(nèi)襯墻，并對(duì)地下連續(xù)墻接縫進(jìn)行注漿處理。本文基于有限元法，進(jìn)行工程施工期滲流場(chǎng)的計(jì)算，研究該防水設(shè)計(jì)方案的可行性。

2 工程概述

2.1 工程區(qū)位及規(guī)模

該項(xiàng)目位于合肥市長江中路與花園街交口的西北角，項(xiàng)目總建筑面積約15.3萬m2，其中地下建筑面積約4.4萬m2，地上建筑面積約10萬m2。主樓地上45層、高180.3m；綜合地下室5層、埋深21m。地下施工采用“周邊逆作，主樓順作”的逆作法方案，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻，在基坑工程施工階段起到擋土和止水目的；在使用階段兼作主體地下室結(jié)構(gòu)外墻，通過設(shè)置與主體地下結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平梁板構(gòu)件的有效連接，可不再另外設(shè)置地下結(jié)構(gòu)外墻。該項(xiàng)目地下連續(xù)墻厚1.0m、高25.75m、周長約408m，抗?jié)B等級(jí)為P10，地下室設(shè)計(jì)防水等級(jí)為一級(jí)。

2.2 工程地質(zhì)概況

該項(xiàng)目場(chǎng)地第四紀(jì)地貌形態(tài)為南淝河一級(jí)階地地貌單元，其自然吳淞高程為16.19m～17.29m，最大高差1.1m。該工程地下室結(jié)構(gòu)剖面與土層分布關(guān)系見圖1。

擬建場(chǎng)地在①層雜填土中埋藏有上層滯水，在④1、④2層粉土夾砂層中埋藏有大量的承壓水；在⑤1、⑤2層中埋藏有裂隙水。其補(bǔ)給來源主要由大氣降水及地表水滲入補(bǔ)給。其水位在不同季節(jié)略有變化?？辈鞎r(shí)測(cè)得混合靜止水位埋深 0.90m～1.50m，水面標(biāo)高為15.42m～15.63m。

圖2 “兩墻合一”地下連續(xù)墻墻身構(gòu)造

2.3 “兩墻合一”地下連續(xù)墻防水設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目“兩墻合一”地下連續(xù)墻墻身形式為復(fù)合墻。其墻身由地下連續(xù)墻、內(nèi)襯墻和防水層構(gòu)成，在地下連續(xù)墻外側(cè)增設(shè)有三軸攪拌樁，墻身體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

地下連續(xù)墻槽段和槽段之間的接頭連接兩相鄰單元槽段，單元槽段接頭處是主要的易滲漏部位，因此選用適當(dāng)?shù)慕宇^形式并做好接縫的處理是防止?jié)B漏的關(guān)鍵[3]。該項(xiàng)目在后施工地下連續(xù)墻主筋外側(cè)預(yù)先焊接注漿管（圖3），通過注漿提高接縫處防水效果。

圖3 地下連續(xù)墻接縫內(nèi)注漿防滲措施

3 不同圍壓下三軸攪拌樁的滲透試驗(yàn)

采用自主研發(fā)的流固耦合三軸儀（見圖4），開展三軸攪拌樁試樣（見圖5）在不同深度（不同圍壓下）的滲透試驗(yàn)，獲得三軸攪拌樁試樣在不同圍壓下累計(jì)滲水量與滲透時(shí)間的關(guān)系曲線（見圖6）。根據(jù)圖6的試驗(yàn)結(jié)果，通過達(dá)西公式計(jì)算獲得不同深度三軸攪拌樁的滲透系數(shù)（見圖7）。

4 “兩墻合一”地下連續(xù)墻防水方案的防滲效果數(shù)值模擬

4.1 滲流場(chǎng)數(shù)值模擬理論與方法

“兩墻合一”地下連續(xù)墻防水問題屬于飽和-非飽和滲流問題。飽和-非飽和滲流與飽和滲流相似，同樣滿足Darcy定律，土體中非恒定滲流的偏微分方程為[4]：

式中：kx、ky為x和y方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時(shí)間。

圖4 流固耦合三軸儀

圖5 三軸攪拌樁試樣

圖6 不同圍壓下累計(jì)滲水量與滲透時(shí)間的關(guān)系曲線

圖7 不同深度三軸攪拌樁的滲透系數(shù)

巖土體非恒定滲流有限元方程[5]為

式中：[K]為單元特征矩陣，[M]為單元質(zhì)量矩陣，｛Q ｝為節(jié)點(diǎn)流量向量矩陣。

初始條件：

水頭邊界條件：

流量邊界條件：

通過有限元法對(duì)方程（2）～（5）進(jìn)行求解，就可求得“兩墻合一”地下連續(xù)墻方案下基坑施工過程的地下水滲流場(chǎng)。

4.2 數(shù)值模擬過程

4.2.1 有限元網(wǎng)格模型及邊界條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及施工圖，選取該項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的兩個(gè)典型剖面（墻幅段A-A’剖面和相鄰槽段接縫處B-B’剖面，見圖8）建立該工程的有限元網(wǎng)格模型。因?yàn)閮善拭婢哂邢嗤膸缀涡螤詈统叽?，因此只需建立一個(gè)網(wǎng)格模型即可，具體見圖9(a)。其模型尺寸為147m×60m，模型采用四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分8078個(gè)單元，8072個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了驗(yàn)證該項(xiàng)目擬采用的防水設(shè)計(jì)方案的防水效果，只設(shè)地下連續(xù)墻（不設(shè)三軸攪拌樁、內(nèi)襯墻及防水層），建立有限元網(wǎng)格模型作為對(duì)比計(jì)算方案，對(duì)比方案共劃分7327個(gè)單元，7310個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖9(b)。根據(jù)勘察資料地下水水位埋深0.90m～1.50m，計(jì)算中取0.9m。

圖8 剖面位置

圖9 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型（圖中標(biāo)注尺寸：m）

有限元數(shù)值計(jì)算中滲透系數(shù)取值

在模型左右邊界施加水頭邊界條件，基坑的底面和側(cè)面設(shè)為潛在溢出邊界，其它邊界設(shè)置為不透水邊界。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告中的參數(shù)建議取值，確定有限元數(shù)值計(jì)算中各材料的滲透系數(shù)的取值，具體見上表。

4.2.3 計(jì)算方案

本文基于有限元法，采用GeoStudio商用程序中的SEEP/W模塊，分別對(duì)設(shè)計(jì)擬采用的防滲方案和僅有地下連續(xù)墻（不設(shè)三軸攪拌樁、內(nèi)襯墻及防水層）的對(duì)比方案進(jìn)行工程施工期的滲流場(chǎng)的計(jì)算，研究比較該項(xiàng)目擬采用的防水設(shè)計(jì)方案的可行性。

4.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算得到地下連續(xù)墻及周圍區(qū)域的滲流場(chǎng)，圖10給出地下室第五層施工結(jié)束底板建成時(shí)的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。圖10(a)～10(d)分別為該項(xiàng)目防水設(shè)計(jì)方案A-A’和B-B’剖面及對(duì)比方案A-A’和B-B’剖面滲流流速矢量分布和地下水浸潤線分布圖。計(jì)算結(jié)果顯示：兩方案中地下水滲流流速均很?。ㄗ畲罅魉倬∮?.00035m/d）；地下水流速矢量分布圖顯示地下水向基坑底部的入滲繞過地下連續(xù)墻或其槽段間的接縫；浸潤線在底板中的位置基本相同，不同方案及不同剖面中浸潤線位置的不同主要表現(xiàn)在基坑的邊墻；浸潤線在各防水措施中的下降顯著，除對(duì)比方案地下連續(xù)墻接縫處剖面溢出，在其余剖面均未溢出。

5 討論

由圖10(a)～10(d)中滲流場(chǎng)的流速矢量和浸潤線的分布可以看出，地下水向基坑底面的入滲受到了地下連續(xù)墻和底板的有效攔截。地下連續(xù)墻深入中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層中，使地下水繞過地連墻向基坑底面的入滲，增長了滲流路徑，在基坑底面又有底板防水，這使得不論是擬采用的設(shè)計(jì)方案還是對(duì)比方案基坑底面地下水均未溢出（浸潤線距底板頂面約0.33m）。兩方案防水效果的差異主要表現(xiàn)在基坑的側(cè)墻。

圖10 滲流流速矢量分布和地下水浸潤線分布

圖11 地下水浸潤線至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平距離

在各層地下室樓板高程靠近基坑內(nèi)側(cè)墻面的位置共設(shè)五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)A～點(diǎn)E，見圖10），地下水浸潤線至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平距離見圖11。從圖中可以看出，同一設(shè)計(jì)方案的同一剖面隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程的降低，浸潤線距墻面測(cè)點(diǎn)的水平距離減小，表明地下水在墻體下部的入滲快于上部；在同一方案同一高程，墻幅處剖面（A-A剖面）浸潤線距墻面測(cè)點(diǎn)的水平距離大于其槽段間接縫處剖面（B-B剖面），這說明接縫處是地連墻防水的薄弱點(diǎn)；不同方案的相同剖面相比，設(shè)計(jì)方案中浸潤線距墻面測(cè)點(diǎn)的水平距離明顯大于對(duì)比方案，且對(duì)比方案的B-B剖面有地下水溢出，溢出點(diǎn)距離底板3.21m，這表明僅設(shè)有地連墻的對(duì)比方案不能滿足防水要求；設(shè)計(jì)方案在墻幅處剖面和接縫處剖面均未有地下水溢出，滿足地下室設(shè)計(jì)防水等級(jí)為一級(jí)的要求。

6 結(jié)論

本文介紹了合肥某超限高層深基坑工程逆作法工程“兩墻合一”地下連續(xù)墻防水設(shè)計(jì)方案，開展不同深度三軸攪拌樁試樣的滲透試驗(yàn)，采用數(shù)值模擬手段研究該防水設(shè)計(jì)方案的可行性，研究得出如下結(jié)論：

①不同深度的三軸攪拌樁試樣的滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，不同深度（不同圍壓下）三軸攪拌樁試樣的滲透系數(shù)隨著深度增加而減??；

②地下連續(xù)墻深入中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層中，使地下水繞過地連墻向基坑底面的入滲，在地下連續(xù)墻和底板的攔截下，地下水未能由基坑底面溢出；

③該工程的防水設(shè)計(jì)方案在地連墻外側(cè)設(shè)三軸攪拌樁，內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)襯墻，在地下連續(xù)墻及內(nèi)襯墻之間又設(shè)置了防水層，同時(shí)對(duì)接縫進(jìn)行注漿處理。與僅設(shè)地連墻的對(duì)比方案相比，該防水設(shè)計(jì)方案下浸潤線在墻幅段剖面中距離基坑內(nèi)側(cè)墻面更遠(yuǎn)，在槽段間接縫處也不會(huì)溢出。設(shè)計(jì)方案明顯優(yōu)于對(duì)比方案，滿足防水設(shè)計(jì)要求，是合理可行的。