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软土地区地下工程防水技术的研究现状及发展
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同济大学路基与土工技术研究所 周顺华 雷震宇 摘 要 阐述软土地层中地下结构防水的特点以及常用的防水材料和防水措施，在此基础上论述我国地下工程防水机理研究所进行的工作，结合机理研究对材料进行的改进，提出进行防水等级细化划分的建议。 关键词 软土地区 防水机理 防水材料 防水等级标准 1 软土地区地下工程防水的特点 软土地层一般由滨河相或滨海(湖)相沉积形成，其特点是含水量高、孔隙比大(通常e>1．0)、强度低、土的灵敏度较高。长江三角洲地区是我国较为典型的软土地区，以上海为例，黄浦江西侧以滨河相沉积为主，而浦东主要为滨海相沉积层，其共同点是含淤泥质土，而这一层土也是地下工程开发、施工的主要地层。由于地下结构所处地层的特殊性，其对应的工程防水有以下特点：①地下结构所处的地层为饱和土层，水源补给丰富，一旦出现渗漏点，对结构和使用产生的损害较大；②软土地层因易于变形总体沉降比较大，或因下卧层的差异，会发生相对较大的不均匀沉降，这些由于地层的原因将对结构产生不利的影响，从而诱发裂缝产生漏水；③结构在施工中的冷接头或施工缝和变形缝，这是结构的薄弱之处，最容易发生渗漏水；④因地层较弱，对结构提供的抗力有限，从而导致局部的弯拉应力加大促使裂缝产生漏水。 根据上述软土地下工程渗漏水的特点，通常有以下几种防水做法：①防水涂料，以无定型液态涂料的刷涂、刮涂、滚涂等方法在常温下涂敷在结构的内外侧，形成一定厚度的薄膜达到防水的目的；②防水卷材，分沥青、改性沥青和高分子材料三类，其特点是耐穿刺能力较差；③塑料防水板，以高分子材料为主；④膨润土毯，类似于卷材，对结构面的平整性要求不高；⑤渗透型结晶材料，以水泥基为主，可涂抹或抛洒；⑥密封材料，分不定型密封材料和定型密封材料。 不同的防水材料，有各自的适用性，迄今为止，我国对防水材料及其加工研究得相对较多，但对防水机理及相关的指标，研究得相对较少，但决定工程防水成败的，不是单一的指标，而是以防水机理为基础的综合指标。 2 防水机理研究 地下工程防水机理的研究是当前防水界的难点，但这恰恰是提高防水技术水平的关键所在。文献[1]在对橡胶密封材料水密性试验的基础上，采用有限单元法，对密封材料的受力和止水作用进行较为细致的分析，文献[2]提出接触面应力止水的模型，如图1所示。 图1见第8页 密封垫防水机理示意图 P0为初始接触应力，P1为在水压Pw作用下产生附加接触应力，则： P=P0+P1 (1) 当 Pw>αP (2) 时发生渗漏，式(2)可以改写为： P>α(1+β)P0 (3) 文献[3]又在上述工作的基础上，对GINA止水带的防水机理进行进一步的研究。通过接触应力的分析，发现GINA止水带鼻尖的接触应力远较底部的接触应力大，渗漏水应发生在GINA的底部，GINA的水密性试验也证实了上述结果。对于密封垫和止水带这一类材料的防水机理研究，应该是今后若干年防水领域重点研究工作之一，特别应针对不同的材料和构件进行更为系统的试验和理论计算，以便获取防水设计的计算方法及相关的参数。 就现阶段而言，密封型防水材料的理论研究主要应针对以下几个方面开展研究工作：①密封材料构件的性能试验；②密封材料的力学分析模型；③工程设计的简化计算方法、材料分类及其参数确定。 从理论上讲，卷材的防水性能取决于材料的寿命，但在实践上不是如此，对这一类材料的防水机理研究，主要应解决以下问题：①卷材耐刺能力与混凝土体施工水平之间的适应性，由于施工面不平顺引发的卷材漏点，拟从力学和概率分布两者之间寻求研究的结合点；②卷材与结构变形之间的适应性及其匹配能力；③卷材施工工艺对其参数的影响。 涂抹型防水材料(含水泥基)的防水机理研究，应着重针对效果开展工作，主要体现在：①工艺自身的误差对防水效果的影响；②材料的扩散能力、模型、均匀化程度对防水效果的影响；③涂抹体与结构之间的协调能力。 在饱和土层中地下结构的防水效果，除了防水材料的作用之外，与结构内部空间的通风效果有关。从理论上讲，任何材料的止水都不是绝对的，只是当渗透系数小到一定程度之后，渗入空间内部的水分全部挥发在大气之中，使结构表面处于干燥状态，所以地下结构防水机理研究应结合材料特性、结构变形特性以及渗水途径等进行综合研究。 3 防水材料的研发 防水机理的研究与防水材料的研发应该是几乎同步或相互促进的。通过机理的研究，发现原有材料在防水方面的不足或存在缺陷，这就促使新材料的出现。同样，当新的防水材料出现之后，有必要对其防水的特性和机理进行更为系统和全面的研究，才能推广应用并取得更为理想的效果。 如前所叙的膨润土毯的出现，是对卷材耐刺能力的一项改进；遇水膨胀型密封止水带的出现是对常规橡胶类止水带因接触应力偏小而导致防水能力不强所进行的改进；中埋式止水结构既能适应缝的变形又能延长渗水途径，同时又可以提高局部的接触应力。但随着城市地下空间开发量的加大和人们对环境舒适性要求的提高，研发新的更为有效的防水材料在所必然。 当前我国防水材料的研发应重点针对以下几个方面：①便于施工控制的接头防水材料，如连续墙接头、混凝土冷接头等，要求施工方便、刚度适中和较好的耐久性；②堵漏材料，特别是针对结构因受力而出现的细裂缝，既能有效堵漏又能确保结构的整体刚度；③类似于GINA的新结构，目前我国沉管隧道的GINA止水带均是进口的，仅广州珠江就有多条沉管隧道，若能开发具有自己品牌的新型止水结构，对于提高我国的防水技术水平是极为有利的；④对原有防水材料的断面形状进行更加合理的优化，如前所述的机理研究是细部接触应力的计算分析的前提，根据结构类型、工作状态和接触应力三者，可以对防水材料的断面进行优化，从而提高防水能力。 4 地下工程防水的设防标准与工程措施 我国地下工程的防水按渗漏程度分为一至四级如表1所示，相对来说等级的划分比较粗，事实上更多工程的防水效果能处于二级与三级之间。所以有必要对防水等级划分的数量和依据进行深入研究，在充分考虑用途和地区差别等因素的基础上，重新建立防水等级标准。只有防水的等级标准细化之后，对应的措施才能更具针对性。 表1 地下工程防水等级标准 ┏━━━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓ ┃ 防水等级 ┃ 标 准 ┃ ┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ 一级 ┃不允许渗水，结构表面无湿渍 ┃ ┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃不允许漏水，结构表面有少量湿渍 ┃ ┃ 二级 ┃总湿渍面积不应大于总防水面积的6/1000;任意 ┃ ┃ ┃100m2防水面积的湿渍不超过4处，单个湿渍的 ┃ ┃ ┃最大面积不大于0.2m2 ┃ ┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃有少量漏水点，不得有线流和漏泥沙 ┃ ┃ 三级 ┃任意100 m2的防水面积的漏水点不超过7处，单 ┃ ┃ ┃个漏水点的最大漏水量不大于2.5L/d,单个湿渍的 ┃ ┃ ┃最大面积不大于0.3 m2 ┃ ┣━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┫ ┃ ┃有漏水点，不得有线流和漏泥沙 ┃ ┃ 四级 ┃整个工程平均漏水量不大于2L/ m2*d；任意100 m2 ┃ ┃ ┃防水面积的平均漏水量不大于4 L/ m2*d ┃ ┗━━━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛ 地下工程的防水效果的评价，既要注重整体性，又不能忽视细部措施的到位。过分注重细部，可能会导致整体的失败，例如，过分强调混凝土的抗渗等级，就试块的结果或局部的防水能力而言，防水能力提高了，但如果结构的细裂纹也因抗渗等级的提高而有所增加，则可能会导致整体防水的失败。因而下一阶段我国地下工程界防水技术研究的任务之一应开展防水设防等级相应的工程措施的研究。 5 结束语 我国地下工程的防水技术在过去的20年中得到了极大的发展，尤其是在材料领域的发展更快。但由于地下空间开发的规模也越来越大，面临的问题也越来越多，其主要问题是理论研究偏少，更多的实践还是依靠经验或定性方面的工作，理论与实践相结合，是我国防水技术研究的新课题。 |
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