赫章某工程人工湖底做法及臨岸建筑基礎形式的研究

馬悅，梁濤，廖昉

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

赫章某工程人工湖底做法及臨岸建筑基礎形式的研究

馬悅，梁濤，廖昉

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

為滿足赫章某工程人工湖、人工河流的防水要求，根據相關方案確定了水位高度，計算了單位面積滲透率限值。比較了多種抗滲材料的單位面積滲透率，確定了防水層的混合襯墊方案。對相關臨岸建筑基礎，選取典型古建筑案例，計算了柱底反力，結合柱底反力要求計算了獨立基礎和樁基礎的工程方量。通過分析工程造價的方法，計算了清運、回填等工程造價，分別統計了獨立基礎方案和樁基礎方案的工程造價，對比了兩種方案的經濟性，通過經濟性最優原則確定了獨立基礎方案。

人工湖底；施工做法；材料對比；臨岸基礎；方案比選

0 引言

赫章某工程人工湖及人工河流位于貴州省畢節地區赫章縣，為營造宜居生態環境，達到人文與自然有機結合的目的，建筑方案考慮在建筑群中引入人工湖及人工河流，水源上游為天然泉涌及自然匯水。因臨岸建筑距離堤岸較近，考慮人工湖及人工河流對臨近地基及相關基礎的侵蝕，特別是滲流水分對地基土體和巖體的影響，應考慮對人工湖底采取防水做法，達到消除滲流，減小工程風險的目的。

1 人工湖底做法

1.1 水位高度及抗滲目標

根據地形規劃及方案設計，場地現狀標高最低處為1505.70m，最高處為1509.66m，設計水面標高1509.00m，人工湖、人工河流的設計水深為1.5~3m。人工湖側為分隔擋土措施，其上為臨湖步道，其內側為建筑基礎。人工湖護壁不允許越浪，在考慮風壅水面時，設計堤岸高出平時水面1m，暴雨期排水方式為開閘匯入臨近河流。

根據地質勘探資料，場地基巖巖層滲透系數k= 1.12x10-3cm/s（0.97m/d），基巖與防水層之間有厚度不等的粘土，其主要力學指標為孔隙滲透系數k0=1x10-6cm/s（8.64x10-4m/d）。粘土滲透性較差，單位體積粘土的脹縮率為1%~3%，吸水至失水的脹縮過程中易發生工程災害，應考慮上層防水層的充分抗滲作用。以達西定律計算單位面積滲漏率

式中，k為滲透系數；h為水位高度；D為材料厚度；A為橫斷面積。

上層紅粘土覆土層較厚，考慮基礎影響范圍，取不利處粘土排水厚度Dsoil=3m，人工湖底水位高度以2m計算，單位面積取值1m2。計算可得，Q0=5.76x10-4m3/d。

考慮上層防水材料的充分防水條件，設計采用上層綜合滲透率Q≤Q0，亦即在最不利排水厚度處，粘土中的水能夠得到有效滲流，不發生飽和吸水現象。

1.2 防水層材料選取及計算

1.2.1 混凝土

抗滲等級P6混凝土定義為靜水抗壓承載力0.6MPa，試件尺寸為高度與直徑均等于150mm圓柱體，每隔8h加壓0.1MPa，終載時間為40h。以抗滲標號折算滲透系數，可采用公式[1]

式中，n-1為抗滲標號；m為混凝土孔隙率，取值0.03；Dm為平均滲水高度，對于抗滲試塊，Dm=150mm。

計算可得，抗滲等級P6混凝土滲透系數為4.91x10-7cm/s（4.24x10-4m/d），P8混凝土滲透系數2.61x10-7cm/s（2.25x10-4m/ d）。事實上，常見混凝土底板厚度僅為Dconcret=200mm、Dconcret= 300mm等，以抗滲等級P8時Dconcret=300mm的混凝土計算，其綜合滲透率為Q=2.6Q0，遠不能滿足抗滲要求。

1.2.2 普通壓實粘土

因場地附近存在粘土，就近取材方便，經濟成本較低，應考慮以壓實粘土作為防水層的施工方案。普通壓實粘土的滲透系數取值為k0=1x10-7cm/s（8.64x10-5m/d），同樣以人工湖底水位設防高度以2m計算，計算可得不同厚度普通壓實粘土層的抗滲能力。通過計算可以發現，滿足目標抗滲要求的普通壓實粘土應具有的厚度為Dclay=300mm。值得注意的是，壓實粘土層除了滿足抗滲要求的設計厚度外，尚應具有能夠保證均勻性的最小厚度。

1.2.3 GCL膨潤土防水毯

GCL（Geosynthetic elay liner）膨潤土防水毯是一種成熟的防水技術措施。GCL膨潤土防水毯構造形式為上層有紡布、中層鈉基混凝土（含針織加勁）及下層無紡布組成。GCL的主要作用機理為遇水膨脹形成致密凝膠體，其GCL-NP型號滲透系數為5x10-9cm/s（4.32x10-6m/d），GCL-OF型號滲透系數為5x10-10cm/s（4.32x10-7m/d），GCL-AH型號滲透系數為1x10-10cm/s（8.64x10-8m/d）。經計算可得，普通GCL-NP型號的最小厚度DGCL≥15mm，經濟性較差，應選取GCL-OF型號或GCL-AH型號的GCL膨潤土防水毯。計算可得，GCL-OF型號或GCL-AH型號的最小厚度DGCL≥3mm。

1.2.4 高密度聚乙烯（HDPE）材料

根據現有研究，HDPE材料因抗滲性能卓越且應用廣泛[2-4]，其生產工藝[5-6]、力學性能[7-8]等均得到了系統而深入的研究。HDPE材料的滲透系數約為5×10-11cm/s（4.32x10-8m/d）至5×10-14cm/s（4.32x10-11m/d），其滲透現象主要由HDPE上的孔洞發生，需要通過技術手段予以檢測[9]。

根據托里拆利公式，滲流速度為

以伯努利方程計算孔洞滲透率，則單位面積滲流率為

式中，Q為滲透率；n為單位面積孔洞數，以單位面積中孔洞數量2.6x10-5個進行計算；a為孔洞平均面積，取值a= 1x10-4m2；g為重力加速度；h為水位高度；A為單位面積。

計算可得，QHDPE=2.6x10-6m3/d，亦即存在正常分布的孔洞且發生孔洞滲漏時，HDPE材料仍然可以單獨滿足防水要求。

1.2.5 HDPE/GCL混合襯墊系統

（1）混合襯墊構造

從上述分析可以看出，HDPE材料是滿足防水性能的首選材料，但HDPE對土基沉降耐受性差，抗刺穿能力差，抗老化能力需要研究與觀測[10]，故應考慮混合采用其他材料，對HDPE材料發揮重要的保護作用。常見的HDPE/GCL混合襯墊系統具有良好的抗滲性能。其中，對HDPE材料的保護要求分為上部防刺穿、破壞保護和下部防滲漏綜合抗滲保護。對于混合襯墊系統下部，在防水層施工前，地面應嚴格整平，下層應采用素土夯實，素土夯實厚度h≥300mm，地基土中粒徑含量較小且分布均勻，地面突起s≤10mm。對于混合襯墊系統上部，采用首層200mm粘土防止水生植物刺穿，采用200mm卵石、碎石層防止雜物的損害。

（2）施工作業要求

施工工藝是影響HDPE防水層與GCL膨潤土防水毯使用性能的重要因素。HDPE防水層與GCL膨潤土防水毯之間界面剪切強度特性復雜[11-12]，容易局部錯動導致性能喪失。因此，應在施工作業過程中，特別是擋墻卷邊的工藝處理時，應避免產生土工材料之間的相對滑動，不應在高溫條件下鋪設HDPE防水層，在焊接前應著重檢查HDPE防水層的損傷情況，對于損傷較大的HDPE防水層應及時修補或更換。應保證焊縫的平滑和堅固。

（3）抗老化措施

相關研究表明[13]，HDPE防水層與GCL膨潤土防水毯抗紫外線能力差，在土工合成材料長期浸水的條件下，應保證土工合成材料上面具有足夠厚度的覆土及卵石碎石層，防止土工合成材料受到陽光照射。此外，抗老化母料的添加對土工合成材料的抗老化性能提升具有重要的促進作用[13]。同時，根據相應老化規律，應在使用1~2年后進行定期的老化情況檢測。

2 設計實例

2.1 地質情況

前期地勘表明，場地從上至下的巖土構成為雜填土、粘土及卵石、碎石層、中風化灰巖。

雜填土的總高度約為1～3m。因雜填土不是良好的持力層，而中風化灰巖深度較深，故應考慮以粘土及卵石、碎石層為基礎持力層，壓實粘土的地基承載力特征值為160kPa，卵石、碎石層的地基承載力特征值為300kPa。

2.2 樣例結構說明

根據前期規劃，臨岸建筑的主要使用功能為觀光休閑、臨街商鋪及臨客住宿等，建筑形式為多層仿古建筑。現以典型柱跨3m×3m至5m×5m、結構高度11m的兩層三跨仿古建筑為例，計算柱底反力，并分析工程造價對方案選擇的影響，結構采用D=500mm的圓形鋼筋混凝土柱，平面布置如圖1所示。

圖1 樣例建筑平面布置圖

計算可得，最大柱底反力約為900kN，具有形式相似的中柱12根；邊跨柱底反力約為600kN，具有形式相似的邊跨柱20根。

2.3 防水堤岸的設計

對于上述標高情況的防水堤岸設計，因防水堤岸具有分隔湖水及基礎持力層的作用，故應考慮防水堤岸與湖底抗滲層具有相同的抗滲性能。從以上分析可以發現，混凝土厚度是混凝土抗滲性能的重要影響因素。為滿足抗滲要求，在不采取其他措施的情況下，P6混凝土應具有的厚度為1.5m。

2.4 淺基礎形式

2.4.1 環境處理

當采用淺基礎形式時，應考慮對上部雜填土及砂土挖除清運，以臨近場地粘土或卵石、碎石層回填壓實。雜填土層應清運換填至現狀標高，現狀標高以上部分分為湖底區域與建筑基礎區域，兩種區域以防水堤岸為界限。典型淺基礎處理斷面圖如圖2所示。

圖2 淺基礎處理典型斷面圖

2.4.2 工程方量

以工程定額方法，計算工程方量，并評估及比較方案之間的差異。

對場地雜填土及砂土清運，以機械土石方清運距離2km計，其方量單價如表1所示。

表1 雜填土及砂土清運單方造價表（單位：元）

對場地粘土回填，采取就近挖取原則，以機械回填運輸距離1km計，其方量單價如表2所示。

表2 粘土回填單方造價表（單位：元）

經測量，仿古建筑平面投影面積約為25m×17m。以清運深度3m計算典型橫斷面時，此仿古建筑的清運方量及回填夯實方量，清運方量約為1275m3，工程造價小計19600元；回填夯實方量約為1190m3，工程造價小計21900元。

獨立基礎的工程方量單價如表3所示。

表3 獨立基礎工程方量單價表（單位：元）

獨立基礎下部為連續級配的卵石回填夯實地基，以前述柱底反力900kN計算，符合承載力要求的柱下獨基的長、寬、高分別為1600mm×1600mm×700mm；以前述柱底反力600kN計算，柱下獨基的長、寬、高分別為1400mm×1400mm×600mm。獨立基礎的工程造價統計如表4所示。

表4 獨立基礎造價統計表

2.5 樁基礎形式

根據場地地質條件的前期勘探情況，項目的樁基礎形式建議為機械旋挖灌注樁，樁基礎處理典型斷面如圖3所示。

圖3 樁基礎處理典型斷面圖

樁基礎的優勢在于其安全可靠性較好，特別是滲流會對粘土地基承載力有所影響，故淺基礎必須放置在回填夯實的卵石、碎石層上，而樁基礎不需要對場地進行額外的開挖和回填，會節省相應的費用。但是因為場地中風化灰巖位置較深，故考慮樁基礎的持力層為卵石層或碎石層時，卵石層及碎石層承載能力有限，故需要較大直徑的樁截面以滿足承載力要求；而以中風化灰巖為持力層時，持力層深度較深，需要較長的樁長，以上兩種樁基礎方案均增大了樁基礎的造價。

2.5.1 工程方量

樁基礎工程的單方造價如表5所示。

表5 樁基礎工程方量單價表（單位：元）

以卵石、碎石層作為持力層，樁基礎造價統計如表6所示。

表6 樁基礎造價統計表（卵石、碎層持力層）

以中風化灰巖（P1m）為持力層，承載力特征值取值4000kPa，以持力層深度15m計算持力層深度及樁長，樁基礎造價統計如表7所示。

表7 樁基礎造價統計表（中風化灰巖持力層）

2.6 基礎方案對比及總結

從對于樣例建筑的淺基礎處理方案中可以看出，淺基礎處理方案的主要資金耗費為場地處理費用。雜填土清運與回填及夯實的費用分別均已與基礎造價費用相當。同時，考慮到長期使用條件下，水滲流對下部基礎持力層強度的影響，故應考慮后期觀測等影響。淺基礎方案整體造價中等。

從對于樣例建筑的樁基礎處理方案中可以看出，故雖然樁基礎方案安全性較好，但以卵石、碎石層為持力層，則因持力層承載力原因，樁截面面積較大，整體造價較高；以中風化灰巖為持力層，則持力層深度較深，樁長度較長，整體造價較高。

3 結論

從方案對比可以看出，對于人工湖、人工河流等長期材料，建議采用HDPE/GCL膨潤土防水毯的混合襯墊系統，避免單一材料抗滲能力不足，對力學性能起到相互補充的作用。

從以上數據可以看出，因卵石、碎石層持力層承載能力較小，端承樁無法充分發揮其承載能力，即使淺基礎方案包含了回填夯實處理費用，其總體造價仍然遠小于樁基礎的總體造價。而淺基礎通過合理的工程措施，能夠滿足安全性等各項要求，故應選擇淺基礎設計方案。

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責任編輯：孫蘇，李紅

變形縫的處理與改進

變形縫在工程中經常遇見。對底層面與中上層面的變形縫和高低跨處的變形縫處理，設計都是套用圖集，施工單位也基本上按圖集施工。

這些變形縫經過長時間的使用后經回訪勘查發現，一是上人屋面中的變形縫因受到踩踏使蓋板變形或脫落，造成雨水順變形縫侵入，影響墻面；二是在高低跨處的變形縫存在脫落，金屬板縱向連接脫開，雨水侵入，還有的高低跨變形縫施工時要從高處的墻面處埋置且嵌入金屬板，給施工帶來不便。

為保證變形縫耐用、方便施工，即在高出的一邊設置鋼筋混凝土挑板和留出設計要求的縫寬，滿足變形需要，對其鋼筋混凝土挑板截面尺寸和配筋由設計確定，對于其防水及保溫處理的有關節點按有關規范要求處理。

Study on Planning of the Artificial Lake Bottom and Near-shore Building Form of a Project in Hezhang

In order to meet the water prevention requirements of the artificial lake and river of a project in Hezhang,this paper determines the water level height and calculates the permeability limit of unit area based on related plans.By comparing the permeability limit of unit area of quite a few kinds of anti-permeability materials,the mixed liner scheme for water prevention layer is determined.For the adjacent buildings,the typical ancient building case is selected,the reaction force of the column bottom is calculated,and the independent foundation and the pile foundation are calculated.By analyzing the methods of project cost,other project costs like clearing and filling are calculated.The project cost of the independent foundation scheme and the pile foundation scheme are calculated respectively.The economic efficiency of the two schemes is compared,and the independent foundation plan is determined with the economic optimal principle.

artificial lake bottom;construction practice;material contrast;near-shore foundation;scheme comparison

TU470

A

1671-9107（2017）04-0054-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.055

2016-11-04

馬悅（1988-），男，四川成都人，研究生，研究方向為凍土等材料力學性能研究。