（1. 青島理工大學，山東青島 266033，2，3 青島靜力工程有限公司，山東青島 266071）

[摘要] 通過對發(fā)明專利《水泥土地下截水帷幕靜壓式成型裝置及方法》（專利號200910230169.5）的成型原理以及工藝的進一步研究，比較了其與水泥土樁的優(yōu)缺點，得出了水泥土地下截水帷幕理論計算公式，為其應(yīng)用于工程實踐提供理論依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]水泥土；地下截水帷幕；靜壓；工作原理；工藝；
[中圖分類號]TU473.1 [文獻標識碼] A [文章編號]

The jacked molding principle and technology of cement-soil underground restrainting water tent
Kou hailei1, Ouyangganlin2
(1.Qingdao Technological University,Qingdao 266033,2.Qingdaojingli Engineering Co.Lit,Qingdao 266071)

Abstract:Through the further research of the molding principle and technology of the invent patent《The jacked molding device and method of cement-soil underground restraing water tent》(Patent number200910230169.5),we compare the advantages and disadvantages with the cement-soil pile and propose the computational formula of cement-soil underground restrainting water tent in theory.It supplies the theory sustain to the practise applition .
Keywords:cement-soil;underground restraintng water tent;jacked;operation principle; technology；
1 引言

水泥土地下截水帷幕是在發(fā)明專利《水泥土地下截水帷幕靜壓式成型裝置及方法》（專利號200910230169.5）基礎(chǔ)上，借助于靜壓式成型裝置而形成的用于基坑防滲截水的在固定容器內(nèi)就地取材攪拌成型的截水帷幕。水泥土地下截水帷幕靜壓成型原理，關(guān)鍵為一種地下截水帷幕靜壓成型裝置。如圖1所示。
本裝置利用靜力樁機將其壓入土層過程，相應(yīng)的巖土量被擠入成型裝置內(nèi)腔，安裝在成型裝置內(nèi)的攪拌器，隨同成型裝置的壓入而轉(zhuǎn)動。攪拌軸下部一小段距離設(shè)有螺旋葉片，該螺旋葉片帶有鉆進和輸送功能，主要是輔助成型裝置的壓入及將進入成型裝置內(nèi)土迅速往上部輸送；攪拌軸上部為強度很高的一字形葉片，這部分的
主要功能是將進入成型裝置內(nèi)的土塊打碎并強制性攪拌使不同性質(zhì)巖土拌合均勻。根據(jù)巖土的性質(zhì)，預(yù)先設(shè)計攪拌時間、噴射量，待成型裝置內(nèi)腔巖土被攪拌（打碎）成大小均勻的顆粒后，攪拌軸開始反轉(zhuǎn)并噴射漿液或干粉，樁機夾持成型裝置同時緩慢提升成型裝置底端露出地面直至脫離另一成型裝置導向體，—單元段幕體形成。由于成型裝置的容積率是定量的，進入內(nèi)腔的土量和設(shè)計水泥摻入量也是相對定量的，則定量的固化劑與定量的土顆粒在定量的容積內(nèi)有效拌和（簡稱為三定），好像一定配比的石子、砂、水泥、水在混凝土攪拌筒內(nèi)進行攪拌一樣，基本不受周圍環(huán)境的影響，固化劑與土顆粒凝結(jié)后所形成的固結(jié)體必然是符合預(yù)設(shè)水泥土配比、體形均勻和輪郭尺寸一致、強度理想的一種幕體狀固結(jié)體（簡稱為一體）。
圖1地下截水帷幕靜壓成型裝置

在基坑防滲截水方面，目前用得最普遍的方法是水泥土攪拌樁（簡稱水泥土樁）。與水泥土攪拌樁相比，靜壓式水泥土地下截水帷幕具有如下優(yōu)點：
1．環(huán)保效應(yīng)好。主機為靜力樁機，攪拌器為液壓馬達，無振動、無排放、無污染，所有攪拌、噴射、混合包含混凝土的振動成形等一系列工作均在土層深處的成型裝置內(nèi)完成，不影響周圍環(huán)境，也不被外圍因素所影響。
2．止水帷幕質(zhì)量可靠。巖土性質(zhì)變化萬千，地層埋藏、水文地質(zhì)條件的復雜性和不均勻性，往往造成勘察數(shù)據(jù)的離散性大，或樁體設(shè)計變強度時，以及尚未被探明的空洞、暗溝、通道等，這對其他形式的止水帷幕樁成樁質(zhì)量會有很大影響，但相對于本成型技術(shù)，進入成型裝置內(nèi)的土如同將定量的砂石水泥放進混凝土攪拌機的攪拌桶內(nèi)一樣，攪拌固化過程基本不受環(huán)境干擾而攪拌非常均勻，整體性好，解決了水泥土樁質(zhì)量的離散性問題。單元段帷幕之間結(jié)合面靠機械導向體自行控制，影響成型質(zhì)量的人為因素被排除，遇含水量大、有空洞的土層可采取添加速凝劑，噴射干粉，稍微停留后再拔起等方法，對止水帷幕成型質(zhì)量仍有保障。特別是壓入成型裝置的最終壓力、深度一目了然。
3.使用范圍廣泛。只要能壓預(yù)制樁（包括預(yù)應(yīng)力管樁）的巖土地基，均可以采用本技術(shù)和工藝。
4.施工工藝方便簡捷?，F(xiàn)有水泥土樁，都是單樁分別成型，樁與樁的結(jié)合面是靠樁體重疊一部分來達到密封性，這工法有以下幾個不利因素：(1)施工機械因移動頻繁而定位煩瑣，遇巖土指標差異較大時成樁能力下降明顯，不易處理；(2)巖土性質(zhì)、水文地質(zhì)的變化影響噴射固化柱體直徑的均勻性而減低咬合密閉性，要求工程技術(shù)人員跟班隨時處理；(3)設(shè)計變摻量的噴射或冒漿處理，要求操作人員憑經(jīng)驗準確判斷比較困難。水泥土地下截水帷幕靜壓成型裝置，要求施工時兩個裝置組合工作，幕體軸線長度為1.2m,單元段幕體與單元段幕體之間結(jié)合面的密閉性由機械自行控制形成緊密咬合，不需要操作人員太多經(jīng)驗，操作簡單快捷。
5.縮短施工周期。
(1)靜力樁機壓入速度比深層攪拌機械及旋噴機械進尺快得多，并不需復攪復噴，“三定一體”一次成型；同等工程地質(zhì)條件其成型速度為：攪拌樁的1.3倍；旋噴樁的16倍。
(2)止水帷幕的有效寬度沿軸線方向為0.6m，攪拌樁一般成型直徑0.5m左右，但有效寬度一般為0.35m,其余為重疊部分，旋噴樁成樁直徑較大，但有效寬度一般為直徑的80%，且需先鉆孔后置噴射管，噴射攪拌時間比其它樁型相對長；
(3)靜力樁機駕駛室內(nèi)設(shè)有全方位水平儀，調(diào)平對中快捷方便準確，操作人員勞動強度低，而攪拌機毎移動一次都要定位校中，比較耗時，操作人員勞動強度高。
2 靜壓水泥土地下截水帷幕無隙對接成型“三定一體”工法
2.1“三定一體”工法 原理
本工法是利用全液壓靜力壓樁機巨大的夾持力形成的既可壓又可拔的功能，采用了全新概念的組合式幕段成型裝置，讓水泥土在一個預(yù)先設(shè)定形狀體積的容器中攪拌混合成形。而后每次只拔出前進方向后面的一只成型裝置，將留在土中另一只成型裝置作為基準導向，依次循環(huán)壓拔而形成結(jié)合面緊密連接的地下水泥土止水帷幕。
2.2“三定一體”工法具體實施工藝 （1）由兩個以上同型號的成型裝置組合實施，是靠成型裝置與成型裝置外緣凸凹形導向體進行導向和咬合，機械性控制單元段幕體之間結(jié)合面的緊密咬合；
（2）使用全液壓靜力樁機夾持壓入預(yù)定土層，在壓入過程中相應(yīng)的巖土量被擠入成型裝置內(nèi)腔，安裝在成型裝置內(nèi)的攪拌器，隨同成型裝置的壓入而轉(zhuǎn)動，將進入成型裝置內(nèi)的土塊打碎并強制性攪拌使不同性質(zhì)巖土拌合均勻。
（３）根據(jù)巖土的性質(zhì)，預(yù)先設(shè)計攪拌時間、噴射量，在固定容積的成型裝置內(nèi)，將土體攪拌成均勻的顆粒后，在不受周圍環(huán)境的影響條件下，固化劑與土顆粒凝結(jié)后形成符合預(yù)設(shè)水泥土配比、體形均勻和輪郭尺寸一致、強度理想的矩形狀。
（4）實現(xiàn)無污染，無噪音，無泥漿排放，保護環(huán)境。
（5）經(jīng)濟適用，比水泥土樁組合強度提高較大,止水帷幕整體性好、質(zhì)量無離散性，節(jié)省工期，節(jié)約大量水泥（或其他固化劑），同等有效防水止?jié)B面積固化體積比率：為攪拌樁的1/2.8；旋噴樁的1/5；同等有效防水止?jié)B面積水泥耗量比：為攪拌樁的1/2.7；旋噴樁的1/11，同等地質(zhì)條件下樁體進尺比：為攪拌樁的1.3倍，旋噴樁的16倍。
2.3“三定一體”工法 成型工藝
作為防水止?jié)B功能的水泥土地下截水帷幕靜壓裝置端部無活瓣，主要原料為原土及少量水泥漿（或干粉），屬于就地取材的非擠密型水泥土墻。成型裝置隨不同工程對防水止?jié)B及擋土要求的不同可以有多種矩形截面。圖2截面為600mmx200mm。
圖2水泥土地下截水帷幕固結(jié)狀圖
（1）單壁式幕體施工工藝是應(yīng)用最多的形式，因幕體較薄，主要用于截水止?jié)B，對于擋土應(yīng)配合剛性支護使用。
（2）丁字形、門形止水帷幕施工工藝可以大大增強截面的抗彎能力，適應(yīng)于基坑開挖較深的情況，即可防水止?jié)B又有擋土功效，并可減少所需支撐。
（3）轎形止水帷幕施工工藝 將單壁式和門型幕體組合而形成截面為轎形的地下止水帷幕，大大增加截面抗彎性能，并可使帷幕結(jié)構(gòu)的自立穩(wěn)定性顯著提高，經(jīng)濟性好，如將成型裝置端進入坑底適當深度，擋土、截水、抗?jié)B功能特別強，可用于大型建筑的深基坑。
（4）重力式止水帷幕施工工藝是以原土為主要材料的非擠密性水泥土單壁式并列兩排以上組合形成厚度≮1.0m的重力式地下止水帷幕。這種止水帷幕本身由于成型裝置端進入持力層，具有很大自立穩(wěn)定性，如果壓入骨料，用于開挖深度不大于7m的基坑的擋土和抗?jié)B經(jīng)濟實惠。另外用于條形地基的加固，也非常經(jīng)濟快捷，安全。
（5）作為矩形復合樁。使用單個成型裝置可直接作為矩形復合樁使用在建筑物樁基中，與上部有特定形狀要求的結(jié)構(gòu)有效鏈接。按樁基施工工藝、樁基技術(shù)規(guī)范施工。
3 水泥土地下截水帷幕的設(shè)計和總體質(zhì)量控制
3.1水泥土地下截水帷幕設(shè)計原則
水泥土止水帷幕的外荷載應(yīng)包括止水帷幕頂荷載、止水帷幕自重、止水帷幕后土面超載、坑外止水帷幕高度的主動土壓力、水壓力、坑底以下被動土壓力，不考慮地震荷載，荷載確定后厚度達1m以上可參照重力式擋土墻進行計算，小于1m可按板面計算，并應(yīng)驗算抗?jié)B性能：即先根據(jù)止水帷幕所處條件擬定截面尺寸（指止水帷幕高度、寬度、插入坑底深度等），然后對止水帷幕進行抗顛覆、抗滑移、穩(wěn)定性驗算，對于基坑，還要作地基承載力驗算，基坑抗底部隆起、整體穩(wěn)定性、抗?jié)B性（抗管涌）的計算。止水帷幕厚度小于800mm,應(yīng)配合支護樁或在水泥土樁幕體中壓入骨架，也可采用抗彎性好、自立穩(wěn)定性高的丁字形、門形、轎形等幕體形式作為一般擋土墻使用，由于水泥土幕體止?jié)B作用好，止水帷幕前后土的抗剪強度指標C,φ值宜采用不固結(jié)不排水（UU）剪切實驗求得，對于軟土求得的φ值可能很小，可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗適當提高。在較深軟土中，應(yīng)注意墻跐地基產(chǎn)生過大的塑性變形導致幕體變形過大或失穩(wěn)。
3.2地下截水帷幕作為抗?jié)B截水功能時其設(shè)計參數(shù)的選擇
水泥土地下截水帷幕主要用于基坑防滲截水方面時，截水帷幕的厚度應(yīng)滿足基坑防滲要求，截水帷幕的滲透系數(shù)宜小于1.0*10-6cm/s。
落底式豎向截水帷幕應(yīng)插入下臥不透水層，其插入深度可按下式計算：
式中，為帷幕插入不透水層的深度；為作用水頭；為帷幕厚度。
在抗?jié)B方面，要求幕體單位面積最大滲水量小于單位面積容許滲水量，即
式中，為幕體單位面積最大滲水量，cm3/s，可按下式確定：
式中，為水泥土滲透系數(shù)，可通過試驗確定；為水力坡降，，
其中為基坑內(nèi)外水位差，為幕體厚度; 為單位換算面積(按lmхlm的單位面積換算)；為確定依據(jù)工程設(shè)計的排水能力所確定的單位面積容許滲水量，cm3/s；由此可得水泥土墻的厚度計算公式為：
當?shù)叵潞畬訚B透性較強，厚度較大時，可采用懸掛式豎向截水與坑內(nèi)井點降水相結(jié)合或采用懸掛式豎向截水與水平封底相結(jié)合的方案。
當上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性可按下式計算：
式中，為透水層以上土飽和重度（g/cm3），為透水層頂面距基坑底面的深度（m），為含水層水壓力（kPa）。
當基坑內(nèi)外存在水頭差時，粉土和砂土應(yīng)進行抗?jié)B穩(wěn)定性驗算，滲透的水力梯度不應(yīng)超過臨界水力梯度。
當基坑底為隔水層且層底作用有承壓水時，應(yīng)進行坑底突涌驗算，必要時可采取水平封底隔滲或鉆孔減壓措施保證坑底土層穩(wěn)定。
3.3水泥漿或干粉量摻入量的設(shè)定
水泥漿或干粉量的摻入量多少直接影響地下截水帷幕總體質(zhì)量。干粉量按成型裝置內(nèi)土體積比計算，一般水泥干粉為50kg/m3被加固土體，水泥漿為0.4~0.5水灰比漿液110kg/m3被加固土體，具體還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場巖土性質(zhì)、地下工程水文地質(zhì)并經(jīng)摻入量試驗確定。
4靜壓地下幕段的壓力控制及靜力樁機選型
（1）成型裝置的壓入施工可參照靜壓預(yù)制混凝土樁施工進行設(shè)計計算，壓入成型裝置時總阻力為土層極限側(cè)阻力+土層極限端阻力+導向體摩擦力―樁機沉臺自重，總阻力Qu可按下式計算：Qu= Qs+Qp =u∑qsiLi +qpAp + μap -pg
式中： Qu——單個成型裝置豎向極限總阻力特征值，KN；
Ap——成型裝置端面積，m2；
Qp——極限端阻力標準值，KPa；
qs——極限側(cè)阻力特征值，KPa
qsi——成型裝置周第i 層土的極限側(cè)阻力特征值，KPa；
u——成型裝置身周長，m；
Li——成型裝置周第i 層土厚度，m；
μ——導向體摩阻力值，KPa
ap——導向體面積，m2
pg——樁機沉臺自重，Kpa
值得說明的是，成型裝置壓入時，由于快速剪切土體，主要阻力體現(xiàn)在端土，將側(cè)阻力按土層極限值計算偏保守。施工前必須根據(jù)工程地質(zhì)資料和工程具體要求，選擇靜力壓樁機機型，其靜力樁機總重應(yīng)為計算得出Qu值的1.1倍，比較穩(wěn)妥。
（2）提升成型裝置。成型裝置壓入預(yù)定土層后，由于土體的固結(jié)時效作用，產(chǎn)生靜吸附力，瞬間抗拔力比壓入時顯著增高，一般可達到壓力值的3倍以上，硬黏土中更為突出。但拔動后即轉(zhuǎn)入動吸附力狀態(tài)，而動吸附力約為靜吸附力的10%左右，提升阻力顯著降低，由于這個原因，成型裝置的入土深度受到挑戰(zhàn)，也就是地下幕段的高度受到制約。為解決這個難題，我們在導向體中安置了多組高頻振動器，振動器引起的振幅也就是人為的將靜吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)為動吸附狀態(tài)，可有效減少提升阻力，同時對混凝土或水泥土也起到了非常好的振動密實作用，使幕體更密實，強度明顯提高。成型裝置在黏土中入土深度已達到≦50m。值得說明的是，振動雖對提拔成型裝置極為有利，但振動過大時間過長也會引起水泥土的離析現(xiàn)象，在時間和振頻、振幅方面應(yīng)采用可調(diào)控設(shè)置。
為了使成型裝置在巨大夾持力及壓拔力等復雜受力狀況下不易變形，除了增加靜力樁機夾持鉗口與成型裝置觸壓面積外，長邊＞0.5m的成型裝置內(nèi)設(shè)鋼支撐板，上下板間距與靜力樁機壓樁缸一個行程正好吻合，保證每次夾持鉗口正好位于支撐板處，以增強成型裝置鋼板的抗變形能力，從而提高樁機的壓拔功效。成型裝置帶振動器支座凸形導向體，帶振動器支座振凹形導向體中，設(shè)有多組高頻振動器，高頻振動器目前國內(nèi)有效振動深度可達50m，采用激振力達13kN，振頻197Hz,振幅為1.2mm的高頻振動器，這對壓入特別是提升以及水泥土或混凝土的密實度是十分有利的，但要控制過振造成混凝土離析。由于成型裝置導向體是通長設(shè)置，則振動器也可根據(jù)需要增減。所以，本成型裝置和工法提高了在用靜力樁機壓拔功能，使入土深度已達到50m。
5 結(jié)論
（1）通過對水泥土地下截水帷幕靜壓成型原理和工藝的介紹，分析了與水泥土攪拌樁的不同之處，顯示了其優(yōu)越性。
（2）通過對靜壓水泥土地下截水帷幕無隙對接成型“三定一體”工法原理的介紹進一步說明“三定一體”工法的優(yōu)越性，并得出了用于各種工程實際的新型工藝。
（3）給出了靜壓水泥土地下截水帷幕設(shè)計參數(shù)以及總體質(zhì)量控制標準，為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。
（4）靜壓地下幕段的壓力控制及靜力樁機選型關(guān)系到地下水泥土截水帷幕成型質(zhì)量。建議安裝高頻振動器解決提升成型裝置困難的問題。
參考文獻
[1] 徐芝綸.彈性力學(上冊)[M].北京:人民教育出版社, 1982.(XU Zhi-lun. Elasticity (volume one) [M]. Beijing: People Education Press, 1982.)

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文章來源： 永年加固公司
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