（水利工程专业论文）深基坑地下水控制与高喷灌浆技术在工程中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文研究成果主要应用于水利水电、工业与民用建筑、能源、交通、冶金、矿山等 领域内的深基坑地下水控制工程。以安全可靠、经济合理、技术先进为原则，以先进的 防渗和江水技术为手段，对深基坑地下水控制方案进行优化，得出最佳治水方案。该研 究成果理论上系统充实，技术措施完善，成果具有较多独到创新之处，其主要内容如下： 通过对各种结构形式的侧向止水帷幕进行分析，得出了竖向防渗帷幕最佳结构形式。 通过大量的实测资料，利用数理统计方法，首次得出了砂土地层中喷射直径与提升速度、 喷射压力、土层强度、摆动角度等主要影响因素的关系式。提出了水平防渗帷幕最佳布 孔连接形式和布孔原则，得出了底部高程起伏的结构形式为最佳结构形式。根据设计实 施的降水工程经验优先选出了一组无帷幕情况下基坑涌水量的计算公式，提出“内部环 向封闭布井”形式并给出了布井原则。基于土的有效应力原理，对降水引起的周围地层 沉降机理进行了分析。 本文紧密结合工程实践，不仅保护了周围环境和设施的安全，而且产生了巨大的经 济效益和社会效益。随着高层建筑和地下空间利用的发展，该成果必将进一步得到充实 完善，在深基坑地下水控制领域有较大的现实意义。 关键词：地下水高喷灌浆帷幕防渗 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hr e s u l ti sm a i n l ya p p l i e di ng r o u n d w a t e rc o n t r 0 1 p r o j e c t si nd e e pf o u n d a t i o np i ti nt h ef i e l d so fh y d r oa n dh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t s ， i n d u s t r i a la n dc i v i l i a nc o n s t r u c t i o n ，e n e r g ys o u r c e s ，t r a f f i c ，m e t a l l u r g y ，m i n e a n do t h e r s t h eo p t i m u mw a t e rc o n t r o lp l a ni so b t a i n e dt h r o u g ho p t i m i z i n gt h e g r o u n d w a t e rc o n t r 0 1p l a ni nd e e pf o u n d a t i o np i tt a k i n gs a f e t ya n dr a t i o n a li n e c o n o m ya n da d v a n c e da n t i s e e p a g et e c h n i q u ea st h ep r i n c i p l e t h er e s e a r c h r e s u l ti ss y s t e m a t i ca n ds u b s t a n t i a li nt h e o r ya n dp e r f e c ti nt e c h n i c a li r l e a s u r e s w i t ho r i g i n a l i t y t h e 眦i nc o n t e n t sa r ea st h ef o l l o w s t h r o u g ht h ea n a l y s i so f1 a t e r a ls e a l i n gc u r t a i ni nv a r i o u ss t r u c t u r e s ， t h e o p t i 删ms t r u c t u r eo fv e r t i c a la n t i s e e p a g ec u r t a i ni so b t a i n e d t h r o u g hav a s t o fo b s e r v e dd a t aa n dm e t h o do fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s t h er e l a t i o n a lf o r m u l a i so b t a i n e db e t w e e ng r o u t i n gd i 锄e t e ri ns a n d s o i ll a y e ra n dm a i ne f f e c t i v e f a c t o r so f1 i f t i n gv e l o c i t ya n dg r o u t i n gp r e s s u r ea n ds o i ll a y e ri n t e n s i t ya n d v i b r a t i n ga n g l e i nt h ep a p e r ， t h eo p t i m 哪h o l i n gf o r 用a n dp r i n c i p l ea r ep u t f o r w a r df o rt h eh o r i z o n t a la n t i s e e p a g ec u r t a i na n di t i so b t a i n e dt h a tt h e s t r u c t u r ew i t hr o l l i n gb o t t o me l e v a t i o ni st h eo p t i 删mo n e a c c o r d i n gt ot h e d e s i g n e dw a t e rl o w e r i n gp r o j e c t s ，ag r o u po fc a l c u l a t i o nf o r 眦1 a sa r es e l e c t e d f o rw a t e rs u r g i n gv o l u m ew i t h o u tc u r t a i n t h ei n t e r n a lc i r c u m f e r e n t i a lc l o s e d h 0 1 i n gf o r i sp u tf o r w a r da n da l s ot h eh o l i n gp r i n c i p l e b a s e do nt h ee f f e c t i v e s t r e s sp r i n c i p l eo fs o i l ， t h es e t t l e m e n tm e c h a n i s mi sa n a l y z e df o ra 1 1 a r o u n d s t r a t ab yw a t e rl o w e r i n g c o m b i n i n gw i t ht h ep r a c t i c a lp r o j e c t s ，t h er e s e a r c hr e s u l tc a nn o to n l ye n s u r e s a f e t yi ne n v i r o n m e n ta n di n s t a l l a t i o n sb u ta l s op r o d u c eg r e a te c o n o m i cb e n e f i t s a n ds o c i a lb e n e f i t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hb u i l d i n g sa n du t i l i z a t i o no f u n d e r g r o u n ds p a c e ， t h er e s u l tm u s tb em a d ef u r t h e rp e r f e c t i o n i t i so fm o r e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l do fg r o u n d w a t e rc o n t r o lo fd e e pf o u n d a t i o n p i t k e yw o r d s ：g r o u n c l w a t e r ，h i g h p r e s s u r eg r o u t i n g ，c u r t a i n ，a n t i s e e p a g e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师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 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年4 月节日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年4 月厢 河海大学工程硕士专业学位论文 1 1 国内外发展状况 第一章绪论 深基坑地下水的隔离控制是近五十年发展起来的一项技术。五十年代初，在美国得克 萨斯某基坑工程中打设钢板桩阻止地下水渗入基坑取得成功；第一个有记录的工程降水实 例是百余年以前英国伦敦到伯明翰铁路的基尔斯比隧道施工中布置过竖井降水；把防渗帷 幕与降水相结合的地下水控制技术则是近几十年才发展起来的一种方法。构筑竖向帷幕可 采用喷射注浆、静压注浆、化学注浆、搅拌桩搭接帷幕、砼防渗墙等多种旌工工艺。人 工地层冻结和冰冻墙方法已在日本北海道出现了成功的工程实例，但规模相对较小，且价 格昂贵。深层搅拌桩工艺一般适用于淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力不 大于1 2 0 k p a 的粘性土，对于砂土及颗粒较粗的地层则难以实施。目前国内外深度大都在 2 0 m 以内，桩径一般为o 5 m 。国外最近出现了桩径可达0 8 m 的大型搅拌设备，但设备造 价昂贵，难以适合找国国情。按浆液的流动方式来划分静压灌浆可分为渗透注浆、压密注 浆和劈裂注浆。在基坑工程中构筑防渗帷幕只能采用渗透注浆工艺，压密注浆和劈裂注浆 二种工艺在水平地基下注浆难以形成帷幕。渗透注浆灌注的浆材一般为水泥、粘土或化学 浆材，因为深基坑较多都是在市区施工，化学浆液因含有一定的毒性，受环保制约且价格 特别昂贵一般不大面积采用，灌注粘土材料，则又因强度低，允许渗透坡降小等原因也很 少采用，所以一般采用纯水泥浆，但是常用的水泥由于颗粒较粗，一般只能灌注直径大于 o 2 0 3 m m 的孔隙，也即砾石及卵漂石层，应用范围受到很大限制。近年来，国际及国 内己研制成功了多种m c 系列超细水泥，其颗粒愈来愈细，能有效灌注渗透系数为1 0 1 0 一c m ，s 的细砂地层，其可灌性接近某些化学材料，但是从目前来看，灌注超细水泥成本 高，工艺也较复杂，难以大面积的应用到深基坑防渗工程上，仍有待于进一步研究。砼防 渗墙适应性强，但价格昂贵，难以大面积采用。 我国于七十年代初期，从日本引进了三重管喷射注浆技术，由于三重管施工时存在众 多不便之处，将其改进为三列管，该技术被列为八五期间水利部十大推广项目之一，大量 用于水利工程，如堤防、土坝、水闸、围堰的防渗处理，在黄河小浪底、白浪河、哈尔滨 松花江大堤、东风水电站以及后来的三峡围堰等工程中都取得了良好的效果。很快这种工 第一章绪论 艺又被应用到铁路、公路、矿山等工程领域。八十年代末该项技术开始用于城市高层建筑 深基坑地下水控制，处理了多项复杂程度很高的深基坑防渗工程，并在这一领域各种处理 方法中占据了重要的地位。 值得重视的是，近年来利用喷射注浆防渗技术，在处理深基坑防渗方面已充分显示 出其安全可靠、适应面宽、造价合理、能有效的保护周边环境等优点。武汉广场深基坑止 水帷幕的高压旋喷深度达到了5 7 m 。工程实践证明，从细颗粒的淤泥质地层、粉质粘土层 到粗颗粒的砂性土及卵石地层，只要设计合理，均可获得较好的防渗效果。 1 2 研究方法和内容 一个基坑地下水控制方案的确定受多方面因素制约，且许多因素之间又相互影响。从 工程角度上考虑，确定基坑地下水控制方案所采用的分析计算方法应尽可能的简单，所采 用的参数应是普通岩土工程勘察报告所能够提供的参数，计算结果要有相当的准确性，尽 可能做到安全、经济、合理，以满足工程设计的要求。由于基坑防渗涉及面较宽，影响因 素复杂，理论不成熟，若单纯用理论解析法得出计算公式非常困难，并且也不适用，也没 必要。因此，研究方法是以现有的岩土工程理论和计算方法为基础，综合分析所实施的各 种实际工程的实测资料，首先归纳出基坑地下水控制方案的初步设计方法，然后把它应用 到实际工程去，由这些工程的防渗效果来检验其准确性，对它进行修改完善，将形成的新 设计方法再次用到实际工程中接受检验，进一步对它修改完善，如此经过几个循环，最后 得出一套较为完整的简单适用的优化设计方法，经归纳，整理，分析形成本研究成果。 本论文的研究内容主要包括以下几个主要方面： ( 1 ) 分析深基坑周围地下水位下降引起地面沉降的机理，确定其计算方法； ( 2 ) 对深基坑降水设计的设计方法进行优化，确定设置防渗帷幕的深基坑降水计算方 法； ( 3 ) 优化喷射灌浆工艺构筑防渗帷幕的结构形式；得出防渗帷幕控制性参数的确定方 法。 1 3 论文选题背景 在土建、交通、水利等工程建设中经常会遇到天然地基不能满足建造建筑物的要求， 需要对地基进行人工处理以满足工程建设的需要。在建筑物的上部结构、基础和地基三者 河海大学工程硕士专业学位论文 中，地基对建筑物具有重要的意义。据调查统计，世界各国各种土木、水利工程事故中， 以地基问题处理不当引起的最多。而且地基问题造成的事故一旦发生，轻者影响使用，重 者危及生命财产的安全，并且补救比较困难，补救工程费用很大。地基对建筑物的重要性 愈来愈得到人们的重视。为了满足工程建设的需要，我国引进、发展了各种地基处理技术， 积累了相当丰富的经验，地基处理水平得到很大的提高。同时也存在些问题，对日益广 泛得到应用的各种地基处理技术需要总结、提高。 近年来，随着城市建设的迅速发展，高层建筑如雨后春笋般涌现。为了充分利用地下 空间，我国深基坑工程日益增多。由于工程地质和水文地质条件的复杂性，给深基坑的开 挖和支护造成不少困难，甚至出现了一些工程事故，不仅影响工程施工，也影响市政设施 的正常运行与生活的安定，有的造成了重大的经济损失和严重的社会影响。 因此在我国建立了多种基坑维护体系，各种维护体系的设计计算方法、施工技术、监 测手段及基坑工程理论在我国都有了长足的发展。但是基坑工程是一门实践性很强的岩土 工程问题，它具有综合性强、涉及面广、复杂程度高等其它工程学科难以比拟的特点。目 前，基坑工程通常处于建筑物和城市生命线工程的密集区，基坑开挖过程中如果水的问题 处理不当，将会对周围环境产生重大影响，因此地下水控制问题已成为深基坑工程的关键 技术问题之一。 深基坑地下水的控制方法可分为三种，第一种是设置封闭式防渗帷幕，切断基坑内外 水力联系，使基坑内的水形成无源之水；第二种是人工降低地下水位，将基坑区域内的地 下水位降低到开挖线以下，在其影响范围内形成降水漏斗；介于上述两种方法之间的是防 渗帷幕与基坑降水相结合的办法。从九十年代初开始，经过三十多项深基坑防渗治水工程 的实践，总结出了一些理论设计计算方法。但是随着基坑工程复杂程度的逐步增大，对基 坑的安全和周围环境的要求越来越高，认为有必要对深基坑地下水控制问题进行进一步的 系统研究，以总结出一套适应面宽、且更加安全可靠、经济合理且易于实施的设计分析方 法和施工技术工艺。 河海大学工程硕士专业学位论文 第二章地下水对深基坑工程的影响 2 1 地下水的类型及基本特征 地表以下的水，不论岩土孔隙内的水，土洞或溶洞中的水，统称地下水。 要治理好地下水，就必须了解场地的地层岩性结构，查明含水层的厚度、渗透性和水 量，研究地下水的性质、补给和排泄条件，分析地下水的动态特征及其与区域地下水的关 系，寻找基坑降水的有利条件，从而制定出切实可行的最佳降水方案，与深基坑工程有关 的地下水一般可分为上层滞水、潜水和承压水三种类型。 2 1 1 上层滞水 分布于上部松散地层的包气带之中，含水层多为微透水至弱透水层，无统一水面，水 位随季节变化，不同场地不同季节的地下水位各不相同；涌水量很小，且随季节和含水层 性质的变化而有较大的变化；水质易受污染； 直蒸发排泄为主，与区域地下水无水力联系， 其补给与分布区一致，以大气降水补给和垂 与邻近的地表水体可能有水力联系，但联通 性一般较差；是深基坑的第一含水层，由于其埋藏浅、水量小，只要采取合适的基坑降水 措施后，对深基坑旋工影响不大。 2 1 - 2 潜水 分布于松散地层、基岩裂隙破碎带及岩溶等地区，含水层可为弱透水强透水层；一 般无压，局部为低压水；具有统一自由水面，水位受气象因素影响变化明显，同一场地的 水位在一定区域内基本相同或变化具有规律性；水量变化较大，由含水的岩性、厚度和渗 透性等决定；水质易受污染；地下水的补给一般以降雨为主，同时接受上部含水层的入渗 和场地外同层地下水的径流补给；当与地表水体有联系时可接受地表水的补给；以径流流 向下游或排泄到沟谷、河流之中；当埋藏较浅或含水层为弱透水层时，以蒸发排泄较明显， 对基坑降水较有利，可以用各种方法对地下水进行控制，对深基坑旋工危害不大。 2 1 3 承压水 分布于松散地层，基岩构造盆地、向斜、断裂及岩溶等地区，一般埋藏于场地下部， 地下水具有承压性，在上游地带为无压，中游转为低压，至下游为高压；水头随场地位置 而变化，一般不受当地气候因素的影响，场地内的水头保持相对稳定；水量由含水层或含 第二章地下水对深基坑工程的影响 水构造的性质、渗透性等决定：水质一般不受污染；地下水的补给与分布区不一致，主要 在上游地段和基岩裂隙接受降雨补给，然后以径流形式流向下游，在低谷、河流以泉水排 泄，或通过越流补给上下含水层，该承压水对基坑底板和基坑施工的危害较大，一般由 于其埋深大、水头高、水量大等原因，给深基坑降水控制工作带来一定困难；但只要经过 精心设计和治理，仍可以保证基坑的顺利施工。 2 2 土的透水性 土的透水性是指水在重力作用下，土体允许水透过自身的性能，各种土层透水性的强 弱取决于孔隙的大小及其连通性。在相同条件下，土的透水性越大，则水在土中的渗透性 越大。土的透水性用渗透系数指标表示，基坑内外渗流性状和涌水量及防渗帷幕的结构设 计都与土的透水性能指标有关。 水在土体孔隙中的流动，由于土体孔隙的断面大小和形状都是无规则排列的，因而是 非常复杂的现象。即使较简单的粒状砂土，也不可能像研究管道中的层流那样求出流速的 分布规律，测定出孔隙中真实的流速大小。因此研究土的透水性，采用了平均的概念，用 单位时间内通过土体单位面积的水量确定平均的渗透速度，并且都是从试验中取得数据， 然后再上升到理论。 工程中计算地下水在土中的渗透速度一般采用达西定律( d a r c y ) 定律嘲。 v = k i ( 2 一1 ) 式中 v 一水在土中的渗透速度( c m ，s ) 。也就是单位时间内流过单位土体截面的流量； k 一土的渗透系数( c m ，s ) ：即土的透水性指标； 卜水力坡降，即土体两点间的水头差与渗径之比。 当- 1 时，k = v 故渗透系数的物理意义是水力坡降等于1 时的渗透速度。 达西定律只适用于层流条件，工程实践证明，基坑开挖和降水引起的地下水渗流一般雷 诺数f 沁 5 ，多数情况下可视为层流。 土的渗透系数k 可通过室内试验确定。也可根据现场注水、抽水试验测定，目前国家 现行的有关规范均给出了测定方法。一般来说现场抽水试验比室内试验确定的渗透系数更 符合实际情况，但费用相对较高。 河海大学工程硕士专业学位论文 2 3 渗透压力与渗透坡降 渗透压力又称动水压力。是指地下水的渗流对单位体积内的土颗粒骨架产生的压力， 它与单位体积内渗流水受到土骨架的阻力大小相等、方向相反。根据流体力学和静力学原 理可以推导出渗透力 g d2 y u f ( 2 2 ) 式中： 。 y 一水的容重，一般近似为1 0 k n ，m 3 ： g d 一渗透压力( k n ，n 1 3 ) 。 由( 2 - 2 ) 式可以看到渗透力是一个体积力，普遍作用到渗流场中的所有土粒上，其方向 同流线方向相同，只受水力坡降变化的影响；也可以看到渗透力是由水流的外力转化为均 匀分布的体积力，对于一定的土层来说，它是由动水头来决定的，所以又称之为动水压力。 渗透破坏也称渗透变形，根据其产生的机理不同可分为流土和管涌两种基本形式。 流土是指在渗流力作用下土体某一局部范围的土粒发生移动。它常发生在渗流的逸出 处，而不是在土体的内部。基坑开挖过程中常遇到的坑底涌砂，坑壁流砂现象就属于流土 渗透破坏形式。它在砂土和粘性土中均可发生。流砂产生的条件一般为土层由粒径均匀的 细颗粒组成，土中含有较多的片状、针状矿物和附有亲水胶体矿物颗粒，从而增加了土的 吸水膨胀性，降低了土粒重量，因此，在水力坡度相对较大、流速增加的情况下土颗粒整 体发生移动。 管涌则是指在渗透力作用下，在无粘性中细颗粒通过大颗粒的孔隙发生移动或被带出 的一种渗透破坏现象。它可发生在渗流逸出处也可发生在土体内部，故有的称为潜蚀现象。 管涌发生的内因是土的级配不均匀性：外因则是水力坡度过大、渗透压力过高，因此管涌多 发生无粘性土中，发生管涌的地层往往具有颗粒大小比值差别较大，往往级配不连续缺少 中间粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而相互连通。细颗粒较少不能全部充满孔隙，易随水 流移动，有较大的和良好的渗透水流出路等特征。 2 4 地下水对深基坑工程的影响 地下水对深基坑工程影响分为两个方面，一个方面是对深基坑本身安全的影响，另一 方面是对深基坑周围环境的影响，其主要表现为以下几个方面： 第二章地下水对深基坑工程的影响 ( 1 ) 基坑边坡失稳，坡脚明显向坑内滑移，有的向上隆起，影响工程桩和支护桩结构的 稳定： ( 2 ) 坑侧壁渗水、冒砂，造成基坑周边地面沉降，影响周围环境、建筑物及基坑本身的 安全。基坑周围地下水下降造成周围大面积的有规律沉降，对周围环境有较大程度的影响。 ( 3 ) 坑底涌水冒砂，影响开挖正常进行： 河海大学工程硕士专业学位论文 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 深基坑降水是保证顺利开挖的一项有力技术措施，也是一种比较经济的方法，但是地下 水位的降低会引起基坑周围地面的沉降，因此在城市基坑施工中这项技术受到很大程度的 制约。考虑到降水深度、含水层类型和渗透性强弱等因素的影响经常采用的降水技术方法 有：明排井( 坑) 、真空井点、喷射井点、大口井、电渗井点及管井。在深基坑降水工程中 难以设计和实施的是承压含水层和降水深度较大、含水层较厚、渗透系数较大的基坑降水 设计。工程实践证明，在这种地层中最有效的降水方法是管井降水技术方法，所以本研究 论文只对上述复杂地层条件下深基坑管井降水技术所涉及到的关键问题进行研究。 3 1 基坑出水量计算 3 1 1 无帷幕情况下基坑涌水量计算 基坑涌水量与地下水类型、补给条件、降水井的完整性以及布井方式有关。目前，计 算基坑涌水量的公式和方法繁多，计算结果相差很大，比如武汉广场深基坑三家单位计算 出的无帷幕时的涌水量分别为2 0 0 0 m 3 d 左右、1 2 0 0 0 m 3 d 左右和5 0 0 0 0 m 3 d 左右，给降 水设计带来了很大困难。 依据地下水动力学理论和大量基坑降水工程反复测算，n 个等流量的井按无规则封闭 图形分布，周围补给边界均匀时，基坑涌水量可按下列公式计算唧，具有一定的精度。 ( 1 ) 面状基坑潜水完整井 o ：! ：! ! 竺【丝= 兰堕( 3 1 ) 。 l g r l g ( 2 ) 面状基坑承压水完整井 q 2 7 3 女 拈 1 9r l gr o ( 3 ) 条状基坑潜水完整井 r r 2l 2 o ：工t 墅二! ： r ( 3 3 ) ( 3 - 2 ) 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 弛川2 葫 ( 4 ) 条状基坑承压完整井 o ：2 删丝 勉卅”药 l n f 二一1 + 二二 ( 5 ) 潜水非完整井 - 3 6 6 _ j 。再群蠡l g ( 1 + 兰) + 生 l g ( 1 + o 2 曼) ( 6 ) 承压水非完整井 妒2 7 州面耳篓赢 上述式中 q 一基坑出水量( m 3 d ) ： q 一降水干扰单井出水量( m 3 d ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) s v 、广降水干扰井设计水位降深值( m ) ； r 旷基坑范围的引用半径( m ) ； - ，_ _ _ _ - 。一 2 刮，l ，2 一降水干扰井分别至基坑中心点的距离( m ) ； n 一降水井数( 个) ； h 一降水前与降水时含水层厚度的平均值( m ) ： l 一条状基坑长度( m ) ： z 一过滤器工作部分长度( m ) ； d 一降水干扰井间距半径( m ) ； y w 一降水井半径( m ) ； r 一影响半径( m ) ； k 垂直渗透系数( m d ) ； 。1 0 河海大学工程硕士专业学位论文 嗍水含水层厚度或承压水设计降水水位至含水层底板距离( m ) 。 h m = ( h + h ) ，2 a ( 7 ) 按大井法简化计算 含水层底面 图3 一l 管井降水设计参数示意图 根据工程实践经验，对于具有承压含水层基坑涌水量也可以按大井法进行简化计算， 计算结果偏于安全，可用于初估基坑出水量。计算公式为 q = 2 ( 0 s r o ( 3 - g ) 铲半_ j ( 洲) 式中 q 基坑抽排水量( m3 ) ： k 0 _ - 含水层概化渗透系数( m d ) ； s 一承压水位下降设计值( m ) ； r 0 _ 基坑等效园半径( m ) ，r o = 0 5 6 5 f ； k 含水层渗透系数( m d ) ； 卜卜一从含水层底板算起的承压水头高度( m ) ； l 一含水层顶面与设计下降水位的高差( m ) ： f - 一基坑面积( m2 ) 。 3 1 2 有帷幕情况下的基坑涌水量估算 如图3 2 所示，基坑设置了悬挂式帷幕，其基坑涌水量可近似按大井法公式估算。经简 单推算，可得出估算公式为【3 9 】： 瓢一 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 图3 _ 2 有帷幕清况下基葫桶水量爿轹意图 q - 2 “r 髯蔫 ( 洲) 式中 孝修正系数，和h ，h 有关，根据实际对掌反算f = 1 0 1 3 ，h ，h 小时取大值，大时 取小值。 r d 一基坑等效半径( m ) ； s 一静止水位与设计降低水位差( m ) ； h 一静止水位至帷幕底深度( m ) ； 卜设计降深水位至帷幕底端深度( m ) ； 卜帷幕厚度( m ) 。 3 2 地下水位降深预测 基坑某一点的降深是多口井对该点降深共同叠加的结果，其降深值可按下述方法进行 预测【5 】唧。工程实践证明，这种计算得出的数值有一定的精确度。 3 2 1 面状基坑和布井多于一排的条状基坑 ( 1 ) 潜水完整井 非稳定流： 河海大学工程硕士专业学位论文 厂二_ 1 1 厂 、f 2 汕卉蠢 1 一鼍篆肇i 王 o l 当4 4 r时采用； 稳定流： s = h _ j 铲一志瞻肛吉g ( 如删 ( 2 ) 承压水完整井 非稳定流： 蚰1 些竺 q 亡。畦鸯蠢 斗，2 磊r ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 2 ) 王 0 1 当4 町时采用； 稳定流： _ ，= 与等瞻r 一知一 ( 3 - 1 5 ) 3 2 2 布置一排井的条状基坑 ( 1 ) 潜水完整井 最= 日一归+ 妄( 一砰) ( 2 ) 承压水完整井 殴= 两- ( 2 + 学朋 式中 s 广_ 任意距离，任意时间的水位降深( m ) a 一含水层导水系数( m 2 d ) ； 卜降水时间( d ) ： m 一降水井处的承压含水层厚度( m ) ； h 潜水含水层厚度( m ) ； h 1 一承压含水层水头值( m ) ； ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 h 1 一降水井排处的含水层厚度( m ) ； h 2 _ 降水井排处的承压水水头值( m ) ； ) ( _ 一任意点至井排的距离( m ) ； s ) ( _ 距并排处的水位下降值( m ) ： r 厂1 ，r 2 ，r 3 r n 降水井至任意计算点的距离( m ) 。 3 基坑降水计算的有限单元法 用3 1 和3 2 所述方法进行基坑涌水量估算、预测基坑周围水位降深有较大的局限性， 且对于有防渗帷幕的情况误差偏大，为了更准确地为降水设计提供可靠资料，预测、模拟 进而控制降水过程，我们根据地下水非稳定流基本理论编制了计算程序，应用有限单元法 模拟计算和分析基坑降水过程及周边地基土体沉降，以便为降水工程设计提供更为详细的 资料。 3 3 1 数学模型“” 有限单元法分析基坑降水所采用的数学模型为下述地下水非稳定渗流偏微分方程( 承 压含水层，对于潜水含水层另作适当修改) ： 心詈= 昙t ，+ 号峥蜊w ， 仔删 定解问题如下： 初始条件 t = 0 ，h ( x ，y ，0 ) = h o ( x ，y ) 边界条件： 一类边界 h ( x ，y ，t ) lr 仁h 1 ( x y ，t ) 劫 二类边界 锄l r 2 = q ( ，y t ) 式中： h ( x ，y ，t 卜一水头函数( m ) l x ，y ，卜分别表示为空间坐标与时间： ue 一弹性释水系数： t = k m 一导水系数( m 2 d ) ： k 一含水层水平渗透系数( m ，d ) ： m 一含水层厚度( m ) 河海大学工程硕士专业学位论文 e 去m h 鬻 b + c x b 溅+ c 麓池戡 h ( f ) 1 +，。，(吉，去，去丁摹 + ，q ，去( 。? 十6 ，+ c ? ) = o 对于每个结点均写出上述方程式，组成矩阵形式的方程组： 吲嘲峒黔用 。， 对式中关于时间t 的函数项【d h ，d q 按稳定收敛条件进行离散，并对每个方程中的已知 项进行移项、合并同类项，最终形成可直接求解的线性代数方程组，其矩阵形式为： d 吣【h 】- 【f7 】( 3 2 0 ) 式中【a7 】为n n 阶方阵，【h 】、【f7 】均为n 1 列向量。 3 3 3 程序及计算结果 该程序采用q b a s i c 语言编写，应用它可较准确快速地计算出基坑降水全过程，给出 基坑及其周边各处各时段的水位降深、出水量并绘制水位降深等值线图，进而计算基坑周 边沉降。图3 3 所绘出的是武汉广场基坑未设防渗帷幕情况下降水等值线图，图3 _ 4 所绘 出的是基坑周边沉降曲线图，为降水工程设计提供了重要的参考依据( 计算程序略) 。 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 图3 3武汉广场基坑降水等值线图( 单位：m ) 3 4 降水井布置形式研究 3 4 1 深基坑降水井布置的一般形式 ( 1 ) 线性平面布置 当基坑形状为条状时采用单排或双排降水井，沿基坑外缘一侧或两侧布置。 ( 2 ) 环形封闭式平面布置 当基坑成块状或面状时宜在基坑外缘成封闭状环形布置，井位离开基坑边线1 2 m 。 图3 4 武汉广场基坑周边沉降曲线图( 沉降单位：c ) 河海大学工程硕士专业学位论文 对于长度很大，降水深度不同的面状基坑，为确保基坑中心水位降深值满足设计要求 或为加快降水速度，除沿基坑外缘封闭环形布井外，在基坑内增设降水井，该井随基坑开 挖而逐渐失效。降水井在地下水补给方向适当加密，排泄方向适当减少。 工程实践证明，上述布井方式对含水层透水性不强，水位降深较浅，基坑周围不存在 对降水沉降反应灵敏的构筑物时效果较好。很明显这与今天高层建筑一般兴建在城市繁华 地带的实际情况不相适应，必须加阻改进，以满足深基坑开挖的需要。 3 4 2 含水层为强透水层的深基坑降水布井形式研究 强透水层具有强大的储水能力和透水能力，其中含有丰富的地下水，补给充沛，径流 通畅，形成了强大的地下流场口6 l 。含承压水的强透水层还可附加以浮力、动水压力。地下 水位下降，可引起软土地基产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管道的不均匀沉降， 重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，不均匀沉降加剧导致建筑物开裂，危及建筑物的安 全使用。在基坑开挖过程中可能产生流砂、潜蚀、坑底隆起、侧壁变形、坍塌等工程事故。 地下水的上升还可能使基础上浮，建筑物失稳。因此针对该种地层中的降水设计，必须满 足降水既能达到设计深度，又减少基坑出水量，缩小影响范围，把基坑降水对周围建筑物 的影响降低到最低程度。 经多个基坑的布井形式和降水效果统计分析，基坑降水井应布置在基坑内部。归纳出 降水并的最佳布置形式如下： ( 1 ) 面状基坑，一 面状基坑环向封闭布置，形式如图3 - 5 所 r 一一矗了 示一一n hf 1 垆p 根据3 1 基坑出水量计算公式确定基坑涌水 。 ! i 量、单井设计出水量和布井总数。 0 一：二二：二二二二一 首先将井全部等距离布置在i 环上，然后根 据3 2 地下水位降深公式预测水位降深，绘制 图3 5 基坑降水井井位布置示意图 降深等值线图。根据基坑边缘的降深值s a 是否达到设计降深值s ，即s a 。s 来确定i 环 降水井轴线距基坑边缘的距离b 值。 根据工程的实际降水情况，测出i 环降水井验算基坑中心0 点的降深值s 0 ，若s 0 已 达到设计降深s ，则不必布置i i 环降水井，否则应布置i i 环降水井。i i 环降水井数量控制根 据i 环降水井降水降深情况为初始条件，重新计算，最终确定降水井的布置形式，绘出降 深等直线图，使整个基坑的降深都能达到工程设计要求。 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 ( 2 ) 条状基坑 一般条状基坑的布置方式和面状基坑相同， 条状基坑可沿基坑中心线布置一排降水 井。 如图3 _ 6 所示，根据基坑涌水量和单 井设计出水量等距离布置降水井，然后 进行降水深度预测计算，绘制基坑降水 等值线图，反复计算并根据工程实际情 只不过井距适当加大。但对于宽度很小的 图3 6 条状基坑降水井布置示意图 况调整降水井的数量和布置，达到工程设计降深，满足基坑开挖需要。 采用以上布井形式有两个优点，一是以最小的井数保证了基坑达到设计降深，二是使 基坑的最大降深部位位于基坑内部，基坑外降深最低，降水漏斗曲线的水力坡度也最小， 从而使得降水引起的周围建筑物的沉降值也最小，不均匀沉降值得到了最大程度降低。实 际情况下这种布井形式个别井位可能和地下结构、出土坡道等因素相冲突，难以实现，必 须进行调整。工程实践表明，个别井位的调整对整个降水效果不会影响很大。武汉建银大 厦、武汉广场等较多基坑均是在这种指导思想下进行布井，取得了良好的工程效果。 3 5 基坑降水引起周围地层沉降分析 基坑降水疏干了基坑内土体，降低了承压含水层的承压水头，但却引起了基坑周围一 定范围内土体产生沉降，工程实践表明，这种沉降随降水漏斗曲线的形成也伴随不均匀沉 降的产生，基坑降水后水位低，基坑周围地层沉降大；基坑降水后水位高，相应沉降也小。 为了确保基坑降水不对周围产生危害，必须认真研究降水对周围环境的影响。 3 5 1 基坑周围地面沉降预测理论“” 基坑降水引起周围地面沉降的原因是水位下降引起土体固结所至。当地下水位下降时， 在其影响范围内土中的孔隙水压力便发生转移、消散，由于土的总应力基本不变，孔隙水 压力的降低，会使得有效应力相应增大，使土体产生了附加应力，也正是这种附加应力引 起土体的沉降。 芦习 一 河海大学工程硕士专业学位论文 设。为土层总应力，o 为降水前的有效应力，u w 为降水前的孔隙水压力，降水前上 述诸力处于平衡状态，即 o ( 1 ) 潜水 勺，弩睁擎7狻黝 钐，。f 协7 蘩 。，叫u 气 o ( 2 ) 承压水 o = o + u w ( 3 - 2 1 ) 如图3 - 7 ( 1 ) 所示，当水压力下降了u f ( 图中 阴影部分) 时，土层中孔隙水压力随之下降，颗 粒间浮托力减小，但由于降水过程中土层的总 应力基本保持不变，故此下降的u f 值转化为有 效应力增量，该增量就是引起上体固结的附加 应力。力的平衡式为： o = ( o + u f ) + ( u w - u d ( 3 - 2 2 ) 图3 - 7 ( 2 ) 为承压水情况，其机理基本与 潜水相同。 假定这种沉降是一维的，沉降的时间长 短将随土层的透水性而异，而且其条件近似符 合单向渗透。图3 - 7 为降水引起土中有效应力 增加示意图，根据固结理论的基本假定，其沉 降过程采用t e 豳g h i 一维固结方程可表示为 詈= 唾 。蚴， 式中。卜土的固结系数。 土层总沉降量则由分层综合法计算。 3 5 2 地层沉降预测的数学模型及其沉降量预测 3 5 2 1 粘性土沉降计算方法 粘性土最终沉降量s 可用分层综合法计算。 壮m 5 善蔷训 。， 某一时刻t 的沉降量s t s t = s u t( 3 1 2 5 ) 求解一维固结方程可得 第三章基坑降水对周围地层沉降的影响研究 一砉c e 韦+ 啼一， 由于该级数收敛很快，可只取上式中的第一项，即 三。一争 u t = 1 - 万( 3 2 6 ) 式中 m s 一经验系数，0 5 o 9 ，可由当地的降水沉降资料统计得出； e o 卜一i 层粘性土的初始孔隙比； a v h 层粘性土的压缩系数( k p a 一1 ) ： 。卜- 由降水引起的i 土层上的有效应力的增量( k p a ) ： u t _ 土层某一时刻的固结度； _ 时间因数。 粘性土的沉降持续时问很长，所以分析预测其沉降量随时间的变化过程对于保护周围 建筑物的安全显得尤为重要。 3 5 2 2 砂性土沉降量的计算 由于砂性土渗透系数较大，在某一附加应力下的沉降很快就会完成，无需考虑其沉降 速率，只需计算其最终沉降量。 s - m s 争 扛l ( 3 - 2 7 ) 式中e s i i 层土的压缩模量。 3 5 2 3 地面不均匀沉降率预测方法 基坑降水导致以基坑为中心的降水漏斗的形成，漏斗的任意两点间存在水位差冰位差 的存在造成了地面沉降的不均匀性，因此我们定义任意两点降水引起的地面沉降量的差值 除以两点间的实际水平距离为不均匀沉降率n i 则 i = 兰二兰= ! 岛 ( 3 2 8 ) 式中 s 卜一i 点的沉降值； s i 1 一i 1 点沉降值； l 卜_ i 点和i 1 点的水平距离； 河海大学工程硕士专业学位论文 n i i 点与i 1 点之间的不均匀沉降率。 显而易见，n i 和i 点与i 1 点之间的水力坡度直接相关水力坡度大，不均匀沉降率也 大，水力坡度小，不均匀沉降速率也小。所以，在设计降水时应根据周围的环境确定所允许 的最大水力坡度，优化降水方案。使周围建筑物的沉降不超过其允许范围，以确保周围环境 不被破坏。 3 1建筑物的地基变形允许值n 一“ 变形特性地基土类别 多层和高层建筑物的整体倾斜 h g 2 4 2 4 h g 6 0 6 0 l o o 0 0 0 2 河海大学工程硕士专业学位论文 第四章深基坑防渗帷幕结构形式的研究 4 1 目前常用的几种基坑防渗工艺及其结构形式 4 1 1 目前基坑防渗常用的几种工艺比较 目前国内外常用的基坑防渗方法种类较多，从施工工艺分有喷射灌浆法、深层搅拌桩 法、静压注浆法、化学材料灌浆法及砼防渗墙等1 2 5 】。 深层搅拌法是利用水泥材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基中将土层和固 化剂强制进行搅拌。在土中水泥将和土产生一系列的物理化学反应，形成水泥土桩。根据 喷出的固化剂的形态不同，又可分为喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法，在深基坑防渗加 固工程中常用的是喷浆深层搅拌法，较少使用喷粉搅拌法。该种方法应用在深基坑防渗方 面存在以下缺点【2 q i ( 1 ) 城市深基坑场地一般都是拆迁形成，上部杂填土往往存在旧房基础并含有大量建筑 垃圾，在这种地层中该种工艺旋工甚为困难： ( 2 ) 国内常规搅拌桩的桩径一般为0 5 m 左右，半径较小，如果相互搭接自成帷幕，则较 难保证搭接效果； ( 3 ) 砼防渗墙造价太高，难以大量用于基坑地下水控制工程： ( 4 ) 若用搅拌桩与支护桩共同形成支护止水帷墙，则由于支护桩施工在前，且桩身不 规则，搅拌桩很难与支护桩结合紧密，在砂 土中将会形成渗水通道。图4 - 1 示出了这种 防渗方案的理想结构形式。 工程实践证明由于上述缺陷的存在，搅拌 桩工艺在深基坑止水工程中的应用受到了限 制，采用此技术止水的工程发生了较多涌水 冒砂工程事故。 一 肛：0 p i ：二j 、乓o ：i 、 攀矽 图4 1 支护桩与搅拌桩结台示意图 静压注浆法是利用液压( 或气压) 把固化剂浆液强制注入地基中的裂隙或孑l 隙，使土的 物理力学特性得到改善。按照浆液在土中的流动方式划分，静压注浆可分为渗透注浆、劈 裂注浆和压密注浆。在深基坑防渗工程中主要应用的是渗透注浆。所谓渗透注浆是指浆液 第四章深基坑防渗惟幕结构形式的研究 以渗透方式渗入土体孔隙的注浆方法。由其注浆机理可知，并不是任何地层都可采用这种 方式