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桂林工学院硕士学位论文 基坑降水及引起的地表沉降分析 摘要 由基坑降水引起的建筑物周围地面沉降和地基沉降问题，己成为城市建设中的重大 环境灾害问题之一。 本文首先在前人研究的基础上，对基坑降水工程的研究现状以及降水对周围环境的 影响作了较为详细的论述，进而讨论降水影响半径的经验半经验计算方法以及各种含水 层情况下降水水位的预测，并着重对常规方法计算降水引起的地表沉降进行了归纳总结。 基坑工程降水对周围地表沉降的影响已引起广泛关注，但目前的有关计算方法尚不 够完善，在某些方面还不尽合理。一般方法计算降水引起地表沉降时，常基于总应力不 变的观点计算有效应力增量：且忽略由渗流引起的有效应力的增量。本文提出了在总应 力变化情况下和考虑渗流作用下均质土层和成层土层有效应力增量的计算公式，并用于 计算降水引起的基坑周边地表的沉降，进而考虑周围环境的因素对基坑降水设计进行优 化。最后通过工程实例计算与实测值比较，验证了本文的降水和沉降的计算方法是较为 准确而有效的。 此外，本文还在前人研究的基础上利用水文地质学中给水度、持水度的概念，并结 合工程中常用物理力学指标之间的函数关系，重新推导出持水密度的理论计算公式：采 用一基坑实例并编制相关的程序来说明水位控制的降水优化方案的可行性。 本文研究表明，基坑降水不但要满足地下水位降深的要求还要满足基坑周围环境的 要求；降水引起的地表沉降不但与水头的降低有关，还与土层的渗透性、降水疏于区的 土体的持水密度等因素有关。 关键词：基坑降水：持水密度；维渗流；有效应力增量：地表沉降； 降水优化设计；防治措施 桂林工学院硕士学位论文 f o u n d a t i o np i td e w a t e r i n ga n dt h ea n a l y s i s o fg r o u nds u r f a c es e t t l e m e n t a b s t r a c t 1 1 地p r o b l e mo fs u r f a c es u b s i d e n c ea r o u n dt h eb u i l d i n ga n dp i td e w a t e r c a u s e db yt h ep i t e x c a v a t i o nb e c o m e so n eo fs i g n i f i c a n te n v i r o n m e n td i s a s t e ri nu r b a nc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c t so nt h es u r r o u n d i n g so ft h ef o u n d a t i o np i te n # n e e r i n g ，o rc a l l e d d e e pp i td e w a t e r , i sf i r s td i s c u s s e di nd e t a i l s ，a n db a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h t h e nd i s c u s s e x p e r i e n c ea n ds e m ie m p i r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fp i td e w a t e rr a d i u so fi n f l u e n c ea sw e l la s e a c hk i n do fw a t e r - b e m i n gs t r a t u ms i t u a t i o ns u p e rg e n ew a t e rl e v e lf o r e c a s t ，髓eg r o u n d s u r f a c es e t t l e m e n to f g e n e r a lm e t h o dc a u s e db yp i td e w a t e ra r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r t h ei n f l u e n c eo fd e w a t e r i n go nt h es e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c es u r r o u n d i n gap i ti so n e o ft h ek e yp r o b l e m si ne x c a v a t i o n s h o w e v e r ，t h e r ei sa b s e n c eo far e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e e v a l u a t i n gm e t h o ds of a r 1 1 1 et o t a ls t r e s si sd e e m e dc h a n g e l e s sw h e nc a l c u l a t i n ge f f e c t i v e s t r e s sa n dn e g l e c tt h ee f f e c t i v es t r e s sc a u s e db ys e e p a g ei ng e n e r a lc a l c u l m i o n i nt h i sp a p e r , t h ef o r m u l af o re f f e c t i v es t r e s sw i t hc h a n g e a b l et o t a ls t r e s sa n ds e e p a g ei nh o m o g e n e o u ss o i l a n dl a y e r e ds o i li sp r o p o s e d ，i su s e df o rc a l c u l a t i n gg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n to f t h ef o u n d a t i o n p i t ，a n du s e df o rd e w a t e r i n go p t i m u md e s i g n i nt h ee n do f t h ep a p e r , t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t l lt h eo b s e r v e dv a l u ei no n ee x a m p l e p r o v et h ea c c u r a c ya n da v a i l a b i l i t yo ft h e m e t h o d i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ea l s ou s e st h ec o n c e p to fw a t e rs u p p l yd e g r e e ，r e t a i nw a t e rd e g r e e i nt h eh y d r o g e o l o g yi nt h ef o u n d a t i o nw h i c ht h ep r e d e c e s s o rs t u d i e d ，a n di nu n i o np r o j e e t b e t w e e nc o m m o n l yu s e dp h y s i c a lm e c h a n i c st a r g e tf u n c t i o n a lr e l a t i o n , r ei n f e r sf o u n d a t i o np i t t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f t h eh o l d i n gw a t e rd e n s i t y ；u s e saf o u n d a t i o np i te x a m p l e e x c a v a t e df o rb u i l d i n gf o u n d a t i o n ，e s t a b l i s hr e l a t e dp r o c e d u r et oe x p l a i nt h ef e a s i b i l i t yo ft h e p i td e w a t e ro p t i m i z e dp l a nc o n t r o l l e db yw a t e rl e v e l ， i tw a ss h o w nt h a tt h ef o u n d a t i o np i td e w a t e rn o to n l yn e e dt os a t i s f yt h eg r o u n dw 蹴rl e v e ld e p t h r e q u e s ta l s on e e dt os m i s 旬t h ef o u n d a t i o np i td e w a t e rf o rt t l ee n v i r o n m e n tr e q u e s ta r o u n db u i l d i n g f o u n d a t i o n 1 1 l eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n td e p e n d so nn o to n l yt h ed e p t ho fd e w a t e r i n gb u ta l s o l i 桂林工学院硕士学位论文 t h ep e r m e a b i l i t yo f s o i la n d h o l d i n g 、】l 馈t e rd e n s i t yo f d r e d g es o i li nd r a i n i n ga r e a k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i td e w a t e r i n g ；h o l d i n gw a t e rd e n s i t y ；o n e - d i m e n s i o n a ls e e p a g e ； i n c r e a s eo fe f f e c t i v es t r e s s ；s e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c e ；d e w a t e r i n go p t i m u md e s i g n ； m a t h e m a t i c sm o d e l i n 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在朱寿增副教授指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以 了谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 鸯害， 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提 供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵 守此规定) 学位论文作者( 签字) ：歪美! 指导教师签字： 军必 签字日期：立! 12 ：主! ： 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 深基坑降水工程发展的概况 随着国内城市化发展，高层建筑和地下空间越来越多地被加以开发和利用，这使得 相应的基坑工程向大、深的趋势发展，但在基坑开挖施工时需要干作业环境，而基坑底 板往往在地下水位以下，而且如果基坑工程中地下水处理控制不当不仅会导致坑内大量 集水威胁基坑的稳定，还可能会造成坑底冒水、流砂、突涌及潜蚀等危害，因而基坑降 水工程日益增多也愈来愈重要。 基坑降水技术早在1 8 9 6 年德国建造柏林地下铁道时就开始采用，但对地下水运动 规律的认识却经历了很长的历史过程。在十九世纪以前，还谈不上对地下水进行科学的 定量计算。十九世纪中叶，随着地下水开发利用规模的扩大，生产上有了计算水井涌水 量的要求，才有h e r r yd a r c y 于1 8 5 6 年通过长期试验得出的水在多孔介质中的渗透定律， 即著名的d a r c y 定律“1 。这个定律是对地下水运动定量认识的开始，直到今天仍然是地 下水运动理论的基础。接着j d u p u i t ( 1 8 6 3 年) 以d a r c y 定律为基础研究了一维稳定流动 和向水井的二维稳定运动，以后p f o r c h h e i m e r 等研究了更复杂的渗流问题，从而奠定了 地下水稳定流理论的基础。此后数十年内，它对生产实践起过重要作用。但是这种理论 不包括时间这个变量，它不能反映不断发展、变化的地下水实际动态，因而具有一定的 局限性。1 9 3 5 年t h e i s 在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公式“1 。泰斯公 式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元。后来许多学者进一步发展了非稳定流理 论，解决了一些生产实际中提出的、相对来说也是更为复杂的问题。在群井抽水情况下， 大多根据泰斯公式利用叠加原理求解。大体上说，从达西定律问世到本世纪5 0 年代以前 大约一百年的时间内，基本上只有试验法和解析法，只能解决条件比较简单的一些问题。 5 0 年代以来，由于电子计算机的出现和由之带来的计算方法的发展，给地下水动力学提 供了一种崭新的研究方法一数值方法。同时渗流基本理论也更加成熟和完善。这些新 的研究方法和坚实的理论基础，使得过去难以解决的许多复杂的地下水运动问题，逐步 得到了一定程度的解决“1 。随着降水理论的发展与完善，世界各国逐渐在建水坝、水电 站泵站、隧道、高层建筑的地下室、市政工程等工程中分别采用了不同的降水方法。 在我国，降水方法是新中国成立后才逐步发展起来的，早在五、六十年代，在东北 重工业基地建设、鞍山钢铁公司、包头钢铁公司、太原钢铁公司等重大工程项目建设中， 采用了轻型井点、喷射井点降水取得良好的降水效果。我国沿海一带如上海、天津、广 州等地先后广泛地应用管并降水并取得成功。进入八十年代以后，建筑与市政工程迅速 l 桂林工学院硕士学位论文 发展，特别是高层建筑发展非常快，这些高层建筑都有一至二层地下室，个别的有三层 地下室，这些地下室的基坑开挖都需要进行基坑降水，极大地促进了基坑降水技术的发 展。 1 2 降水引起的地表沉降方法概述 沉降分析计算是一个古老而又复杂的问题。自太沙基( t e r z a g h i ，1 9 2 3 ) 固结理论。1 问 世以来，地基的沉降计算己有了很大的发展。许多学者都提出了新的计算方法，试图采 用更为精确的土体模型等来求得沉降计算方法的改进。由最初假设土体是均质各向同性 的线弹性体发展到考虑土体的非均质性各向异性以及非线性，应力也从只考虑单向应力 发展到考虑三向应力。特别是近几十年来，随着电子计算机的迅速发展和在数值计算方 面的应用，沉降分析方法得到了很大的发展。 直到近代数值方法出现为止，沉降分析方法一般有两个步骤组成，i l p ：( 1 ) 表面荷载作 用下压缩土层中应力增量的确定，和( 2 ) 采用合适的土的应力应变关系( 如用固结试验得 到) 估算这些应力增量所引起的沉降量。沉降量大小主要取决于使土体产生变形的原因和 土体本身性状两个方面。使土体产生变形的原因主要是土体中应力状态的改变，如：地面 荷载引起地基中应力场的改变，在地基中产生附加应力；地基中地下水位的变化；振动 对地基的影响等。这里土体性状主要指压缩性，或应力应变关系，是指土体在附加应力 作用下产生的效应。以基坑降水工程为例，坑周水位的降落改变了坑周土体的应力状态， 一方面水位下降范围内的土体自重增大，引起原地下水位以下土层的自重有效应力增3 n ； 另一方面地下水由静止状态变为流动状态，渗流作用下土体中的水头将发生变化，因而 其有效应力也将发生变化。地基土是自然历史的产物，不均匀性使其性状更为复杂。地 基土中附加应力的正确计算和地基土体性状的描述是提高沉降计算精度的两个关键问 题。然而要精确计算地基中附加应力场以及合理描述土的应力应变关系都是较为困难的。 经典的沉降分析方法对上述两个问题是这样处理的：在荷载作用下地基中附加应力 场是根据半空闾各向同性弹性体理论计算的，土的压缩性则根据一维压缩试验测定的参 数来表征，并采用分层总和法计算地基的最终沉降量。而对应力的增量计算常假设降水 前后土体的总应力不变，这样计算的结果也是欠精确的；且对于基坑工程中涉及的渗流 引起的沉降问题尚无很好的计算方法，目前常采用数值方法来分析。虽然数值方法中的 有限元法能使各种非常复杂的问题得以解决，但是采用有限元法计算量大，耗机时多， 在一定程度上又限制了其在工程上的广泛应用。 2 桂林工学院硕士学位论文 1 3 降水引起地表沉降的研究现状与不足 基坑降水通过抽排等方式，在一定的时间内降低了地层中各类地下水的水位，地下 水位的下降必然会造成基坑周边地表的下沉，从而可能导致地面的下沉、开裂、塌陷以 及建筑物、地下管线等的位移和沉降变形。因而关于降水引起的地表沉降的研究越来越 受到人们的重视。 对于基坑降水后发生沉降的基本原理，普遍的观点认为是：抽取地下水 j 土层释水_ 地层中水位降低一孔隙水压力降低、有效应力增加_ 土层压缩、固结j 地面沉降。 基于以上观点人们相应提出了多种降水引起地面沉降的估算方法，归纳起来可分为 几类“1 ：基于固结理论的弹性及粘弹性等的方法，特点是要领明确，能考虑较多的因 素。基于降水和沉降观测资料的经验及半经验方法，特点是般计算较简单，但有概 念不明确，考虑因素较少等缺点。如邓文龙( 1 9 9 8 ) 从水位降深估算深圳地区地面附加沉 降。1 。阳军生等人的随机介质模型“1 ，桂和荣等人的s a 模型等。1 。结合水文地质 概念和原理从水量减少推导出的沉降估算方法弼。1 。北京理正软件设计研究所研制的： 理正降水沉降分析软件，它以建筑基坑支护技术规程( j g j1 2 0 9 9 ) 及基坑工程手 册为依据，采用“大井法”计算涌水量，可计算任意位置的地表沉降。应用有限元 计算方法，编写相关的计算程序，建立渗流场与应力场的耦合模型。如王彩会的深基坑 降水工程优化设计及渗流场与应力场耦合分析“。 无论是按以上提到的理论计算，还是利用工程应用软件计算，其沉降结果均与实测 结果相差较大。其原因是多方面，这也反跌出降水引发沉降的研究存在不足之处。对降 水后水位降低引发沉降对周围环境的影响程度没有一个使人信服的系统确定方法，甚至 使得在实际工程中对降水工程的积极作用得不到肯定。在采用沉降、固结理论时，已有 的有效应力增量计算是在总应力不变的前提下进行的，总应力不变只是假设条件，显然 建立在这个假设上的沉降量计算方法已不能满足实际工程的精度要求，必须建立在总应 力变化前提下的有效应力计算方法。且在基坑降水后由于坑内外水头差的存在，也会使 有效应力增加，而已有的有效应力增量的计算常忽略渗流引起的有效应力改变，显然是 不精确的，因而在计算有效应力的增量时同时也必须要考虑渗流引起的有效应力增量。 已有效应力增量的计算中更没有同时考虑总应力的变化和渗流因素，因而在计算降水引 起的地表沉降时存在较大的误差。 桂林工学院硕士学位论文 1 4 本文主要研究的内容 通过以上总结分析可知，降水引起的地表沉降愈来愈受到工程界的关注，但如前述， 无论是理论计算还是工程应用软件计算，其结果均与实测结果相差较大，基坑降水引起 的地表沉降还缺乏准确有效的计算方法，且以往的的分析方法在计算有效应力增量时， 常基于总应力不变的假设和忽略降水引起的渗流的前提下进行的，或分别单独分析评价 两者引起有效应力增量。本文在前人的基础上，主要进行了以下工作： ( 1 ) 总结分析常用的基坑降水的方法以及降水引起的地表沉降的计算理论； ( 2 ) 基于土的总应力发生改变和有渗流发生的情况下，分析潜水含水层中有效应力变 化情况，进而提出降水引起的地表沉降预测计算公式： ( 3 ) 推导持水重度h 的理论计算公式，得出了持水重度与持水度口的关系； ( 4 ) 通过算例分析比较按常规方法计算的沉降、考虑总应力变化和渗流条件下计算的 沉降以及实测的沉降，论证了基于土的总应力发生改变和有渗流条件下预测的地表沉降 的准确性。 ( 5 ) 通过对基坑降水引起的周围地表沉降机理的分析，提出减少降水不良影响的一些 具体措施，进而为减少降水对周围环境的不良影响，用m 语言编写程序用降水与地下水 位同时控制对基坑降水进行优化。 4 桂林工学院硕士学位论文 第2 章目前基坑降水方法概述 2 1 基坑降水的作用 2 1 1 地下水对基坑工程的不良影响 在地下水位比较高的土层进行基坑开挖时，由于坑内外的水位差，较易产生潜蚀、 流砂、管涌等渗透破坏现象导致边坡或基坑坑壁失稳，直接影响到建筑物的安全“。唐 业清曾对国内1 3 0 余项基坑事故进行了细致的调查分析，统计出事故发生的原因，发现 其中因地下水处理不当引起的事故占2 2 “。1 9 9 6 年l o 月在安徽省黄山市召开的深基坑 开挖与支护研讨会上，与会专家一致认为基坑事故绝大部分与地下水有关。归纳地下水 对基坑工程的不良影响主要有： ( 1 ) 由于渗透水流在一定的水力坡度下产生较大的水压力、冲刷、狭走细小颗粒或 溶蚀岩石体，使岩土体中的孔隙逐渐增大，甚至形成洞穴，导致岩士体结构松动或破 坏，以至产生地表裂缝、塌陷，影响建筑物的稳定，面产生潜蚀破坏。影响潜蚀的条 件主要有两方面：一是适宜的土颗粒组成；二是有足够的水动力件。 岩土层的不均匀系数( c 。) 愈大，愈易产生潜蚀作用，一般当c 。 1 0 时，易 产生潜蚀； 两种相互接触的土层，当起渗透系数之比( k l ，k 2 ) 大于2 时， 当地下水流的水力坡度( i ) 大于岩土的临界水力坡度( i o ) 时， 产生潜蚀的临界水力坡度( i o ) 按下式计算： i 0 = ( g ，- i ) ( 1 一n ) 4 - 0 5 n 式中：g 广岩土颗粒比重； 一岩土孔隙度，( ) 。 易产生潜蚀； 易产生潜蚀。 ( 2 1 ) ( 2 ) 松散细颗粒被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现 象，即流砂。在工程上也称“砂沸”。在基坑开挖时若产生流砂则土不断的上涌而无法增 大挖深。 从实际工程中发现，在下列情况下易产生流砂现象： 土层由粒径均匀( 不均匀系数c 。，一般在1 5 - - , 3 2 之间) 的细颗粒组成，土 中含有较多的片状、针状矿物( 如云母、绿泥石等) 和附有亲水胶体矿物颗粒，从而 增加了岩土的吸水膨胀性，降低了士粒的重度； 土的渗透系数较小，排水条件不通畅时，易形成流砂； 桂林工学院硕士学位论文 砂土的孔隙度愈大，愈易形成流砂： 土的含水量大于3 0 ； 水力坡度较大，流速增大，当动水压力超过土粒重量是使土悬浮时， ( 3 ) 地基土在具有某种渗透速度( 或边坡) 的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走， 岩土的孔隙度逐渐增大，慢慢的形成一种能穿越地基的细管状通路，从而淘空地基使地 基变形、失稳，这中现象称为管涌。在基坑开挖抽水时，很容易出现大的水力坡降，产 生紊流，如果围护桩有间隙，未采取止水措施，坑外地下水通过这些间隙向坑内渗流， 并不断带出泥沙，使渗透通道逐渐扩大，最终导致大量泥沙突然涌出，坑外地面产生严 重塌陷( 图2 一1 ) 。 图2 - 1 管涌破坏示意图 ( 4 ) 当基坑之下有承压水存在，开挖 基坑减小了含水层上覆不透水层的厚 度，当它减小到一定程度时承压水的水 头压力能顶裂或冲毁底板，造成突涌现 象。基坑突涌会破坏地基强度并给施工 带来很大的困难。 1 管涌堆积颗粒： 2 地下水位： 3 管涌通道： 4 渗流方向 承压水 图2 - 2 基坑下最小隔水层示意图 如图2 - 2 所示，基坑不发生突涌的条件是： 日 錾h ， 式中：日基坑开挖后不透水层厚度，m s 水的重度，k n m a ； ，土体浮重度，k n m 3 ； 承压水头高于含水层顶的高度，m 。 ( 5 ) 此外，地下水的吸湿作用、侵蚀作用、毛细作用、 作用”，都会对工程产生不良的影响。 6 ( 2 2 ) 以及在严寒地区地下水的冻胀 桂林工学院硕士学位论文 2 1 2 基坑降水的作用 在基坑开挖施工中，为了避免上述的地下水对基坑产生的不良影响、防止坑壁土体 坍塌、确保干作业下的施工环境、保证施工的安全和工程质量，必需降低地下水水位。 基坑降水的作用，归纳起来主要有以下几方面o “： ( 1 ) 截住基坑坡面及基底的渗水； ( 2 ) 增加边坡的稳定性，并防止基坑边坡或基底的土粒流失： ( 3 ) 减少板桩和支撑的压力。减少隧道内的空气压力； ( 4 ) 改善基坑和填土的特性； ( 5 ) 防止基底的隆起与破坏。 降低水位也可用来作为地基加固的一种方法，水位的降低使土的有效应力增加，因 而有利于水位以上和以下土体的进一步固结。在砂层以上的软土层，由于砂层中产生部 分真空，有利于对软土的固结，其机理是由于降低水位和在土面上增加了部分大气压力， 使土的有效应力增加，即使某些永久性结构物采用永久性降水或减压，其费用也不昂贵。 在大多数的情况下，永久性的降水或减压亦可在施工时作为降水的一个组成部分。 高层建筑和地下工程的构筑物中，几乎每年都有如第一节所述的因流砂、管涌、坑 底失稳、坑壁坍塌等引起的工程事故，造成周围地下管线和建筑物不同程度的损坏。因 此在基坑工程中中通常须降低地下水水位，以保证工程施工的顺利进行。 2 主要的基坑降水方法概述 降水方法是指采用各类井点降低地下水位的方法。目前常见的有明沟加集水井排降 法、轻型井点法、喷射井点法、电渗井点法、管井井点法、深井井点法、自渗井点法和 综合井点法等。 ( 1 ) 明沟排水：明沟排水是在基坑内设置排水沟和集水井，用抽水机械直接将地下水 从集水井内排出，以达到疏干基坑内地下水的目的。 明沟排水的适用条件 当基坑较小，地下水位高出基坑底而不多；坑壁的的土层不易发生流砂、管涌或坍 塌的碎石土、砂性土及粘性土时均可采用。 施工方法及技术要求 随着基坑的开挖，当基坑深度接近地下水位时，沿基坑四周挖一个环形的排水沟， 排水沟内设有集水井，二者相连通。然后用抽水机械将地下水排出坑外。随着基坑底不 断加深，集水井及排水沟也不断加深，直到坑底设计标高为止。 桂林工学院硕士学位论文 ( z ) 轻型井点：轻型井点抽水是利用真空原理，使土中的水分和空气受真空吸力作用 而产生水气混合液，由管路系统向上被吸入到水气分离器中。空气从分离器上部真空排 出，而水经离心泵由水管排出。轻型井点是国内外应用较广的一种降水方法，它比其他 井点系统施工简单、安全、经济，特别适用于基坑面积不大，降低水位不深的场合。单 级井点降低水位般小于5 - 6 m ，当要求水位降低较大时，可采用二级或多级，形成阶梯 式接力叠加降深，但这时基坑周围需要有足够的空间，以便于放坡或挖槽，这对于场地 受限的基坑支护工程一般是不允许的。轻型井点适用的土层渗透系数为0 i - 4 ) 5 m d ，当 渗透系数偏小时，需要采用在并点管顶部用粘土封顶和保证并点系统各连结部位的气密 性等措施，以提高整个井点系统的真空度，才能达到良好的降水效果。轻型井点系统在 平面上可布置成单排、双排、环状等形式，具体应根据降水要求及基坑形状来确定。 ( 3 ) 喷射井点：喷射井点是采用高压水泵将压力工作水经水管压入井点内外之间形成 空问，并经过喷射器两边的侧孔流向喷嘴。由于喷嘴截面的突然变小，喷射水流加快( 一 般流速达3 0 m s 以上) ，这股高速水流喷射之后，在喷嘴射出的水柱周围形成负压，从而 将地下水和土中空气吸入并带至混合室。这时地下水流速得以加快而工作水流速逐渐变 缓，二者流速在混合室末端基本上混合均匀。混合均匀的水流射向扩散管，扩散管截面 是逐渐扩大的，其目的是减少摩擦损失。当喷嘴不断喷射水流，就推动着水沿内管不断 上升，混合水流由井点进入回水总管至循环水箱。部分作为循环水用，多余部分( 地下 水) 溢流排至现场之外，如此循环，以达到深层降水的目的。喷射井点主要适用于渗透 系数较小的含水层和降水深度较大( 8 2 0 m ) 的降水工程。其主要优点是降水深度大， 但由于需要双层井点管，喷射器设在井孔底部，有二根总管与各井点管相连，地面管网 敷设复杂，工作效率低，管理困难。 ( 4 ) 电渗井点：电渗井点降水是利用轻型井点和喷射井点的降水井点管作阴极，在井 点管的内侧打入金属棒( 2 0 - - 5 0 r a m 钢筋、5 0 - - 7 5 m m 钢筋等) ，连以导线，金属棒为阳 极，在电动势作用下构成电渗井点系统。当接通直流电流，在电势的作用下，使带正电 荷的孔隙水向阴极方向流动，带负电荷的土颗粒向阳极方向移动，产生电泳现象，通过 电渗和真空抽吸的双重作用，强制粘性土中的水向井点管处汇集，由井点管吸取排出， 使地下水水位逐渐下降，达到降低地下水位。土体固结的目的。电渗降水一般适用于含 水层渗透系数小于o 1m d 的饱和粘土，特别是在淤泥和淤泥质粘土之中降水。 ( 5 ) 管井井点：管井井点降水方法是利用钻孔成井，围绕开挖的基坑每隔2 0 - 5 0 m 设 置一管井，每个管井单独用一台水泵( 离心泵或潜水泵) 进行抽取地下水，以达到降低地下 水位的方法。管井井点适用于用轻型井点不易解决的、一般用于渗透系数大于o i m d ， 地下水丰富的砂土、砂质土、粉土与碎石土等土层。管井井点具有排水量大、排水效果 好、设备简单、易于维护等特点，可代替多组轻型井点作用。这种方法一般多用于潜水 墨 桂林工学院硕士学位论文 层降水。 ( 6 ) 深井井点“”：当降水深度很大、管井深度大于1 5 m ，在管井内用一般的水泵不能 满足时，可改用特制的深井泵，即深井井点降水法。深并并点适用于水量大、降水深的 场合，当土粒较粗、渗透系数很大( 1 0 - 2 5 0 m d ) ，而透水层厚度也大时，此时采用深井 井点较为适宜。其优点是降水的深度大，范围也大，因此可布置在基坑施工范围以外， 使其排水时的降落曲线达到基坑之下。深井点可单用，亦可和井点系统合用。此时井点 系统通常应布置在基坑周围的坡脚处，用以吸取由于深井点间距较大而流来的少量地下 水。 ( 7 ) 自渗井点“”“州：自渗降水是指在降水场地的定深度内，存在有两层以上的 含水层，且下层的渗透能力大于上层，在下层水位( 或水头) 低于降水深度的条件下， 人为的沟通上下含水层，在水位差的作用下，上层地下水就会通过井孔自然的流到下部 含水层中，从而无需抽水即可得到降低地下水位的目的。自渗井点降水是近年来发展起 来的一种新型的降水方法，具有施工简单、快速、不用抽水设备，不排水，不耗能，不 占场地，便于管理，成本低等优点。降水适用的范围大( 5 2 0 m ) ，井点中的混合水位一 般大于含水层底板，有利于所降含水层的疏干，取得好的降水效果。但自渗井降水需要 两个基本条件：一是被降水土层土体渗透系数必须大于一个定值，水体才能够靠本身自重 流入管中；二是自渗井深度必须打到一个良好的透水层上，否则井内水无法白行泄掉。 ( 8 ) 综合井点；对于一些特定的水文地质条件和有特殊要求的工程，采用某一种井点 降水难以取得满意的降水效果时，可以同时采用两种或多种降水方法，如深井与轻型井 点降水相结合，喷射井点和电渗井点降水相结合，轻型井点与喷射井点降水相结合等。 降水要依据土层的岩性、渗透性、要求降低水位的深度及现场旌工的条件等选用不 同的降水方法。各种井点降水的应用范围可参考表2 - l 。 各种井点的适用范围表2 - i 井点类型岩性渗透系数( m d )降水深度( m ) 一级轻型井点粉质粘士、粉土、细砂、3 , - 6 0 1 5 0 二级轻型井点中砂和粗砂 6 - - 9 喷射井点粉质粘土、砂土、粉土 o 1 5 08 2 0 电渗井点粘性土、淤泥质土、粉土 3 深井井点 5 9 桂林工学院硕士学位论文 2 3 基坑涌水量的计算 井点降水系统的计算理论是由法国水力学家d u p u i t ( 裘布依) 首先提出来的。该 理论的基本假定为：( 1 ) 地下水流向水井处于稳定流动状态：( 2 ) 地下水呈层流运动， 运动规律遵循达西定律；( 3 ) 地下水为缓变流，可将空间流简化为平面流；( 4 ) 假定静 水位是水平的，降落漏斗的供水边界是圆柱形的；( 5 ) 含水层为均质等厚，分布是无 限的，隔水层顶、底板是水平的；( 6 ) 水井为完整井。这些理论虽与实际情况有些出入， 但直到现在还广泛地被应用着。d u p u i t 对完整承压井和完整潜水井分别进行了研究， 根据达西渗透定律，可求出流向井中的水量”。 2 2 1 单井和干扰井群涌水量的计算 潜水完整井： 承压完整井： 承压一潜水井 潜水完整井群： 承压完整井群： 式中：口单井出水量，m 3 ； 纠舶s 哿 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 口：1 3 6 6 k 垡皇丝二丝2 二塑2( 2 5 ) 1 l g r l g q = 1 3 6 6 鬻 q = 2 7 3 意 q 总抽水量，m 3 ； 抽水前含水层的初始水位，i i i ； 凡井中水位降深，m ； 1 0 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 桂林工学院硕士学位论文 丸抽水时井内的稳定水位，从隔水底板算起，m ： 气井的半径，i n ； r 7 等效距离，m ，彳= 扩丽，n 为井点数量，气为第f 口井至中心点出 距离，； r 影响半径，m ，影响半径主要与土的渗透性能有关。确定影响半径最可靠 的方法是抽水试验，可以参考文献，一般在工程上常用库萨金公式计算抽水影晌半 径，即： 置= 砜藤 ( 2 9 ) r 群井影响半径，m ，r = r + r o ，其中，为基坑引用半径，r o 的计算如 下： 若基坑为不规则的圆周补井时： = 摆- o 5 6 4 打( 2 - 1 0 ) 若基坑为矩形，长宽比大于s 时： + b r 0 2 ，7 广 ( 2 1 1 ) 式中：，基坑面积，m 2 ； 基坑长度，m ； b 基坑宽度，髓： ，7 系数，按表2 2 采用。 r 值 表2 = 2 b | l o 0 2o 40 6 o 81 - 0 刁 1 o 1 1 2 1 1 61 1 8 1 1 81 1 8 2 2 2 基坑涌水量的计算 基坑降水的涌水量与场地水文地质参数、基坑的形状、大小及补给水边界条件等 有关。在实际工程中，基坑的形状多种多样，一般为矩形、正方形、圆形、不规则形 和狭长条形等。 但基坑降水工程井点布置基本上可分为两种形式：块状形的基坑多采用环形封闭 式：条状的基坑采用直线形式的布置方法。因此在迸行基坑降水量计算时，一般将基 l l 桂林工学院硕士学位论文 坑分为：窄长式基坑，当基坑长度，宽度大于l o 时，视其为窄长式基坑，概化为线形 基坑；非窄长式基坑，当基坑长度，宽度小于1 0 时，则视其为非窄长形基坑，对于非窄 长式基坑一般将基坑概化为环形封闭式基坑，亦可圆形基坑，其基坑涌水量，具体计 算公式如表2 - 3 所示“。 基坑涌水量计算表2 - 3 降水井类型圆形基坑线形基坑( l 8 1 0 ) 潜水完整井o ：i 3 6 6 k ( 2 h - s ) s q = k l ( r h 2 - h 2 ) 。1 9 ( r + ) 一i g r , 承压完整井o ：2 7 3 丝d ：k l m s l g ( r + r o ) 一l g r o ， r 潜水非完 井壁进水 o ： 1 3 6 6 一k ( h 2 一万“一 l 甙乌一鱼= l g ( 1 + 0 2 鱼) 整井群 艺 ， 井底进水 q = 4 k s r o ， 承压非完 井壁进水 妒呤茹+ 。：争 | 整井群 井壁进水 q = 2 k a 。r o | 注：( 1 ) 表中的适用条件均为：均质含水层：基坑远离边界； 1 2 ) 其中线性基坑计算公式，适用于坑内排水； f 3 ) 若滤管工作部分长度小于2 3 含水层厚度时，应采用非完整井公式计算； ( 4 ) 式中：石：尝粤州 z ，一一滤管有效工作部分长度，m ； 其他符号意义同上 ( 5 ) 在实践中，当含水层较薄或埋藏捩浅时，常使用完整型；在厚度及埋深 较大的含水层中，常因经济和技术条件所限而采用不完整井开采为宜1 9 2 4 降水对周围环境的影响 2 4 1 地下水处理不当对环境的影响 在基坑降水过程中若地下水处理不当，常能造成基坑坍塌、边坡失稳等事故，如上 海某引水工程“，原设计要求挖到离地面约9 m ，采用井点降水，以1 ：1 5 的坡度开挖并设 桂林工学院硕士学位论文 置两个3 m 宽的平台。但施工单位来自外地，对上海地质情况不熟悉，且无井点设备，以 1 ：1 7 5 的坡度直接下挖。而开挖现场地表以下5 m 处有一粉质粘土层，但是开挖后因雨停 工，天晴后采用三班制抢工浇筑混凝土，由于在粉质粘土层中的地下水渗出，突然有大 半个篮球场面积的土坡从4 m 以上的高度塌下，造成十人埋在土中，三人死亡的惨重塌方 事故。分析地下水处理不当对环境的影响，可归纳如下： ( 1 ) 在基坑开挖排水过程中，边坡产生较大的水力坡度，地下水向坑内渗流产生管涌； ( 2 ) 降水井结构不合理或洗井不规范，当抽取地下水时带走大量土颗粒，导致土体被 掏空，造成地面塌陷或开裂： ( 3 ) 围护结构防渗性差，坑外士颗粒流失； ( 4 ) 基坑底板以下有承压水，坑底至承压含水层顶板之问的士体压力小于承噩水的顶 托力，坑底产生突涌，流砂、流土等； ( 5 ) 水质变化，特别是沿海地区特别容易导致海水入侵，使淡水资源咸化。 对以上因地下水处理不当对环境造成的不良影响，只要在勘察时给以足够认识，设 计科学、严谨，施工合理规范，并在施工管理和监测等各方面加强工作，进行信息化施 工，以上不良影响是可以避免或及时得以解决，使得影响程度降低到最小。具体可参阅 建设部制定的中华人民共和国行业标准建筑与市政降水工程技术规范( j g j t 1 1 1 - 9 8 ) 。 2 4 2 降水引起的地表沉降对周围建筑物的影响 在基坑降水工程中除了上面提到的地下水处理不当对环境的不良影响外，由于水 位的降落引起的地面的沉降，是地下水对环境影响的另一方面。基坑降水引起周围地面 下沉，同时抽水也会带出很多土粒，加上基坑挖土，将引起基坑周围一定范围和不同程 度的工程环境变化。若处理不当，严重者将引起基坑附近建筑物、构筑物及地下管线产 生位移、沉降和破坏。如上海康乐路十二层的大楼，采用箱基，挖深5 5m 。围护方案 采用钢板桩外加井点降水方法，面积为7 0 m 木1 4i n ，抽水六天后，各沉降观测点的沉降 量如表2 4 所示。 抽水与地面观测点沉降表2 - 4 离井点距离( m ) 351 02 03 14 l5 1 沉降量( m m )1 04 52 5 2l0 o 降水期间，距基坑g - l o r e 处旧民居略有裂缝，但在起拔钢板桩后，因夹带泥土很多， 使民房裂缝增大，成为危房。 对降水引起的沉降对周围建筑物的影响的防治，本文将在第5 章讨论。 桂林工学院硕士学位论文 2 5 本章小节 本章对基坑常用的降水方法进行了总结，并分析了基坑降水工程可能对周围环境造 成的不良影响。基坑降水难免会对周围环境造成不良的影响，问题是如何预测降水造成 的不良影响以及怎么才能避免降水造成的不良影响。本文此后的研究也正是在本思路的 基础上逐步地进行分析。 4 桂林工学院硕士学位论文 第3 章降水引起地表沉降的基本理论 3 1 影响半径的确定 在实际工程中，无论是采用数值法进行降水设计还是进行降水水位的预测：都需要 解决影响半径的问题。此外，由于水位的降低是引起基坑周边土体有效应力增加的根本 原因，降水影响半径也是降水引起地表沉降的大致范围。 影响半径是从抽水井起到实衔；上已观察不到水位降深为止总的水平距离。影响半径 r 指的是实际上可以观察出来的降落漏斗的半径。这是德国工程师t h i e m 在1 8 7 0 年首先 提出的。理论上的影响半径，即裘布依公式中的影响半径r 具有以下性质和特点： ( 1 ) r 反映了含水层的形状，它将含水层限制为一个圆柱体； ( 2 ) r 反映了抽水井的位置，它限定了抽水井必居于圆柱体的轴心： ( 3 ) r 反映了补给来源和补给量，抽水井的出水量只能是从圆柱体的外围得到补给 的，并无其它来源； ( 4 ) r 规定了抽水的影响范围。 天然条件下，降落漏斗都有些不对称，其周界不是恰好为一圆周，因此常用等效的 圆形降落漏斗代替实际的降落漏斗。假想的圆形漏斗半径即为引用影响半径，通常指的 影响半径即引用影响半径。 对于常用的计算影响半径公式，可以归纳如下： 1 经验半经验公式 国内外学者作了大量的研究，得出了许多求影响半径的经验和半经验公式，如： 半经验公式： 经验公式： l e m b k e 公式： w e b e r 公式： 库萨金公式： 肚t 。、f 辱k 脚粥浮 心，浮 s i e c h a r d t 公式：r = 3 0 0 s 。i 1 5 桂林工学院硕士学位论文 k y c