深基坑工程——第十章基坑降水设计.ppt

第十章基坑降水设计 1 主要内容 第一节概述第二节地下水的不良作用及防范措施第三节降低地下水的方法第四节降水设计计算第五节降水施工第六节降水对环境影响及其防范措施第七节工程实例 2 3 第一节概述 保证地下结构的安全施工 干槽作业 防止工程事故 流砂 管涌 坑底失稳提高边坡的稳定性减少板桩和支撑的压力改善基坑和填土的砂土特性工程降水不当引起的工程事故的比例很大 基坑降水的目的及意义 4 基坑渗透力 5 降水加固原理 6 有关降水的基本概念 渗透力渗透力与水力坡度成正比当时 产生流砂现象 7 有关降水的基本概念 渗透系数渗透系数是水力坡度等于1时的渗流速度渗透系数单位 m s m d渗透系数大小与土的形成条件 颗粒级配 结构有关渗透系数的取值对降水工程设计具有重要意义 8 土层渗透系数参考值 9 10 第二节地下水的不良作用与防范措施 地下水的不良作用与防范措施 不良作用潜蚀流砂管涌基坑突涌 11 潜蚀 分类机械潜蚀 动水作用下 土粒受到冲刷 冲走 导致土体结构破坏化学潜蚀 水的溶解作用导致土颗粒之间胶结作用的破坏 结合力减弱产生的条件 适宜土层和足够的水动力条件土层的不均匀系数 d60 d10 愈大 愈易产生潜蚀 当d60 d10大于10时 易产生潜蚀两种相互接触的土层 当二者的渗透系数之比k1 k2大于2时 易产生潜蚀当渗流水流的水力坡度大于5时 水呈紊流 易产生潜蚀 12 潜蚀 潜蚀的预防措施加固土体人工降低地下水的水力坡度设置反滤层 13 反滤层构造 14 定义指土的松散颗粒被地下水饱和后 在渗透力即水头差的作用下 产生的悬浮流动现象发生地层粉细砂地层工程意义突发性 工程危害大 流砂 15 用抽水机在基坑底明排水 粉细沙随地下水流入基坑 产生流沙 在基坑开挖和地下结构施工中 必须防止流沙 以免支护失效发生重大基坑坍塌事故 16 上海 广东 江苏 山东 浙江等地均有多雨季节 地下水充沛 基坑土方开挖时排水或降水不当 均有可能造成支护结构失效坍塌事故 基坑支护结构外侧因泥沙随水渗流进入基坑 造成局部沉陷坍塌事故 17 流砂的形成原因水力坡度大 流速大冲动细颗粒使之悬浮饱和时胶体颗粒吸水膨胀 土颗粒密度下降 能悬浮流动砂土在振动作用下结构破坏 体积缩小 土颗粒悬浮于水而流动流砂形成的条件水力坡度大 渗透力超过土颗粒重量使之悬浮时 达到临界水力坡度 流砂 18 砂土孔隙度大砂土渗透系数愈小排水性能差 愈易形成流砂砂土中含有较多的片状矿物 易形成流砂流砂的防止措施人工降低地下水位采用地下连续墙截水设置帷幕水下开挖其他方法 冻结法 化学加固等 流砂 19 井点降水防止流砂 20 定义指疏松的砂土层时 地基土在具有一定渗透速度 水力坡度 的水流作用 其细小颗粒被冲走 土中孔隙逐渐增大 形成细管状渗流通道 从而掏空地基或坝体 使之变形 失稳 此现象为管涌 产生条件土中粗 细颗粒粒径比D d大于10土的不均匀系数d60 d10大于10两种相互接触土层渗透系数比k1 k2大于2 渗透的水力坡度大于临界水力坡度 管涌 21 管涌破坏示意图 管涌的防治措施增加支护桩的入土深度 使渗流路线增加人工降低地下水位 改变地下水的渗流方向 22 23 水库副坝产生管涌 突涌形式基底顶裂 出现网状或树枝状裂缝 地下水涌入 带出下部土颗粒基底发生流砂现象 边坡失稳 地基悬浮流动基底发生类似于 沸腾 的喷水现象 使基坑积水 地基土扰动突涌产生条件与防治措施承压水层顶板厚度 减压井 基坑突涌 含义当基坑开挖 基底有承压水 承压水顶板厚度小时 水头压力能顶穿基坑底板的现象 称为基坑突涌 24 基坑突涌 25 26 第三节降低地下水的方法 降水方法的分类 明排法井点法轻型井点喷射井点电渗井点 27 引渗法管井法大口井法辐射井法 降水技术的发展 降水技术有一百多年的历史最早采用明排或竖井降水1896年 柏林地铁施工第一次用深井降水1925 1930年 真空泵井点1939年 德国在Salzg itter铁路一段长距离挖方中采用电渗稳定边坡1950年以来 多级井点 喷射井点 辐射井点 28 井点类型及适用范围 29 降水方法 明排法 原理 30 降水方法 明排法 适用条件不易产生流砂 流土 管涌和塌陷等现象的粘性土 砂土和碎石土基坑地下水位超过基础底板标高不大于2 0m渗透系数小于0 5m d 降水深度小于2 0m单独使用或联合使用 31 降水方法 明排法 排水沟和集水井的设置布置在距拟建建筑物基础边净距0 4m以外 排水沟离开坡脚不小于0 3m 在基坑四角或每隔30 40m设置1个集水井 坑 排水沟底面应比挖土面低0 3 0 4m 集水井 坑 比沟底低0 5m沟 井截面根据排量确定 基础较深或地下水位较高时 应分层明排或导排法 32 1 排水明沟 2 集水井 3 离心式水泵 4 设备基础或建筑物基础边线 5 原地下水位线 6 降低后地下水位线 当基坑侧壁出现分层渗水时 可按不同高程设置导水管 导水沟等构成明排系统 当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明排时 宜采用导流降水方法 降水井的深度应根据设计降水深度 含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定 1 底层排水沟 2 底层集水井 3 二层排水沟 4 二层集水井 5 水泵 6 原地下水位线 7 降低后地下水位线 基坑明排适用于土层比较密实 坑壁比较稳定 细粒土边坡不易被渗流冲刷而产生塌方 基础埋深较浅 降水深度不大 不易发生流砂 管涌的工程 井点法降水根据井型的不同进行分类 轻型井点喷射井点电渗井点 降水方法 井点法降水 36 降水方法 轻型井点 原理适用条件k 0 1 20m d单级降深 小于6m二级降深 6 12m 37 在地下水丰富地区 当土的渗透系数为0 1 1m d时 常采用轻型井点降水 38 39 轻型井点全貌图 40 二级轻型井点 41 降水方法 轻型井点 井点设置沿基坑周围布置 线状或封闭状 距边坡线不小于0 7 1 2m井点间距0 8 2 40m主要设备 井点管 直径38 55mm 长度5 7m 下端1 1 7m为滤管 孔眼直径12 18mm 包滤连接管 胶皮管 钢管 塑料管 直径38 55mm 42 线状布置 43 封闭状布置 44 45 轻型井点降水一般适用于粉 细砂 粉土 粘质粉土和粉质粘土等渗透系数较小 0 1 20m d 的弱含水层中降水 降水深度单层不大于6m 双层不大于12m 降水方法 轻型井点 主要设备 集水管 直径100 127mm 分节连接 长度5m 法兰盘连接 每隔0 8 1 6m设一连接井点管的接头抽水设备 真空泵射流泵 46 轻型井点降水系统构成 总管 井点管 弯连管 47 真空泵 48 轻型井点降水 喷射混凝土坡面保护 49 滤管构造 50 真空泵原理 51 射流泵原理 52 53 喷射井点 适用条件土层渗透系数K 0 1 20m d降水深度大于6m 最大可达20m井点布置基本同轻型井点井距1 5 3m成孔直径400 600mm 54 电渗井点 原理 55 电渗井点 适用条件饱和粘土 特别是淤泥 淤泥质粘土配合轻型井点和喷射井点渗透系数K小于0 1m d布置同轻型井点和喷射井点极距 轻型井点0 8 1 0m 喷射井点1 2 1 5m间歇通电 24h停2 3h 56 引渗井点 适用条件当含水层的下层水位低于上层水位 上层含水层的重力水可通过钻孔渗入到下部含水层 起混合水位满足降水要求时 可采用引渗自降通过井孔抽水 使上层含水层的重力水通过井孔引导渗入下部含水层 使其混合水位满足降水要求时 可采用引渗抽降当采用引渗井降水时 应注意防止有害水质污染下部含水层 57 引渗井点 布置引渗井点可布置在基坑内外井距根据引渗实验确定 一般2 10m引渗深度宜揭穿被渗层 当深度大时 揭进厚度不小于3m井径400 600mm 58 管井法 适用范围井点不易解决的含水层颗粒较粗的粗砂 卵石层 渗透系数大 水量大 降深8 20m 潜水或承压水含水层厚度大于5m基岩裂隙和溶洞含水层 厚度可小于5m渗透系数大于1 0m d布置原则基坑开挖上口线1 0m外设置观测井井径600 800mm 井管外径400 600mm抽水设备为潜水泵 59 管井井点构造 60 管井井点由两部分组成 一是井壁管 一是滤水管 井壁管可用直径200 350mm的铸铁管 无砂混凝土管 塑料管 滤水管可用钢筋焊接骨架 外包滤网 孔眼为1 2mm 长2 3m 如图 也可用铸铁管打孔 外缠镀锌铅丝 管井井点构造 61 降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置 井间距应大于15倍井管直径 在地下水补给方向应适当加密 当基坑面积较大 开挖较深时 也可在基坑内设置降水井 管井井点构造 62 降水井的深度应根据设计降水深度 含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定 设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑底面以下0 5m 基坑放坡大开挖是一种最简单的基坑施工方法 优点是施工速度快 相对措施费用不高 缺点是周边场地要空旷 开挖和回填土方量大 放坡坡度的大小与地区土质有关 大型基坑放坡开挖 坡面喷混凝土保护 管井井点降水 63 管井井点管 管井井点降水是一种常用的降水方法 适用在降水深度要求大 土质的渗透系数在20 200m d 64 管井井点施工时 先用小型钻机钻孔或水冲成孔 插入井点管后 在管四周填入砂滤料 井内放入潜水泵 管井的井点管 井的四周填入砂滤料 65 66 67 164 68 69 大口径井降水 适用条件第四纪含水层 地下水补给丰富 渗透系数大的砂土和碎石土地下水埋藏在15m以内 含水层厚度大于3m 施工条件允许可大于15m布置基坑外侧1 0m 特殊可布置在基坑内配合其他降水井径0 8m 4 0m 70 大口径井构造 71 辐射井降水 适用条件粘性土 砂土和碎石土降水范围大或地面施工困难降水深度大于4m 20m布置尽量使辐射井最大限度控制基坑降水范围含水层薄时 单层 每层6 8根 否则多层最下层辐射管应大于1 0m辐射管长度宜为20 50m 直径50 150mm 72 73 第四节降水的设计计算 有关降水的基本概念 地下水的种类按埋藏条件分 上层滞水 潜水 层间水上层滞水 局部性 多层 在潜水之上潜水 第一个连续分布隔水层上部的水 受雨水和地表水影响 潜水层面标高即为水位标高层间水 埋藏于两个隔水层之间的水 包括承压水和非承压水 74 各种地下水的垂直分布 75 降水的基本概念 降水井的类型 76 按照滤管与不透水层的关系 完整井 到不透水层非完整井 未到不透水层按照是否承压水层 承压井无压井 潜水完整井潜水非完整井承压完整井承压非完整井 水井的分类 77 地下水向井的运动特征 1 水位降深 从井中抽水时 井周围含水层中的地下水向井中运动 井中和井附近的水位降低 设某点 x y 的初始水头为H0 x y 0 抽水t时间后的水头为H x y t 则该点的水头降低值为s s H0 x y 0 H x y t 将S称为水位降深 简称降深 2 水位降落漏斗 水位降深S在不同的位置上是不同的 井中心降深最大 离井越远 降深越小 抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区 3 影响半径是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离 降水工程设计 降水设计的资料水文地质资料含水层的性质 厚度 渗透系数 地下水补给条件 水流方向及水力坡度 地下水埋藏深度 水位高度和动态水位变化资料 井的类型等建筑工程对降水的要求建筑平面布置 范围及周边建筑物分布和结构 基础埋深 设计要求的水位降深 抽水引起土层压缩变形的允许范围和大小 支护形式和开挖方式 相关工程经验资料 79 降水工程设计 降水设计的内容降水方法的选择基坑涌水量计算单井涌水量计算井距 井数和井深井的布置井身结构设计成井工艺抽排水方案沉降预测 80 某基坑及井群平面布置图 81 降水工程设计 降水方法选择 降水方法选择应考虑的因素含水层渗透系数K 降深h 含水层厚度等降水目的含水层与相关含水层的水力关系周边工程或地下构筑物 管线对降水的敏感性降水面积多种方法相结合支护方案 82 常规降水方法适用条件 83 Dupuit假设 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 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 降水工程设计 基坑涌水量计算 完整潜水井取不透水层顶面为x轴 井轴为y轴 则降落漏斗任意横剖面的面积表达式为 在该剖面上的水头梯度为 由达西公式即可得出裘布依微分方程 Q 井的涌水量 k 渗透系数 将 a 式代入可得 积分得 当x R时 y H 其中R为影响半径 H为潜水层厚度 可求得 代入 b 式 经整理得 当x r时 y h r为水井半径 h为井内水位距不透水层距离 令水位降低值S H h 则得 降水工程设计 基坑涌水量计算 均质含水层潜水完整井Q 基坑涌水量K 渗透系数S 水位降深H 含水层厚度R 降水影响半径r0 基坑等效半径 88 完整承压井取井底不透水层顶面为x轴 井轴为y轴 可得出流向井的水流任意圆柱剖面的断面面积A的表达式为 在该剖面上的水头梯度为 由达西公式即可得出裘布依微分方程 积分后得 当x R时 R为影响半径 y H 代入上式整理得 将式中的自然对数以常用对数代替 则 当x r r为井的半径 y h 令水位降低值S H h 则得 降水工程设计 基坑涌水量计算 基坑等效半径圆形基坑 非圆形基坑 矩形 不规则 92 降水工程设计 基坑涌水量计算 降水影响半径潜水层承压水层 93 降水工程设计 单井涌水量计算 轻型井点出水能力规范推荐值 1 5 2 5m3 h计算公式 单井出水能力 m3 h 滤管直径 m 滤管长度 m 渗透系数 m d 94 降水工程设计 单井涌水量计算 喷射井点出水能力规范推荐值 4 22 30 0m3 h计算公式 管井出水能力 单井出水能力 m3 h 滤管直径 m 滤管长度 m 滤管淹没长度 m 渗透系数 m d 与渗透系数有关经验系数 95 经验系数取值 96 降水工程设计 井距 井数 井深 井数井距 97 降水工程设计 井距 井数 井深 98 降水工程设计 井距 井数 井深 99 式中S 基坑水位降深 m h1 地下水位至集水总管的距离 m i 水力梯度 一般可取0 1 l1 管井中心至基坑中心的距离l1 r0 m l2 滤管长度 m 通常取1 2 1 5m 100 连续墙入土深度与降水井深度 案例 降水工程设计 降低水位预测 潜水完整井稳定流承压完整井稳定流 含水层厚度 m 各井距基坑中心的距离 m 101 102 第五节降水施工 降水施工 井点成孔方法 射水法 钻孔法 冲击法洗井 压水 压气管井成孔 正反循环 冲击法洗井 抽水法 气举法 103 降水施工 104 降水施工 105 降水施工 106 107 第六节工程降水对环境影响及其防范措施 工程降水对环境影响及其防范措施 分层总合法简易算法 地面最终沉降量 各土层压缩系数 各土层起始孔隙比 降水产生附加压力 土层厚度 降水产生自重附加压力 降水深度 各降水范围土层压缩模量 水的重度 108 降水引起地面沉降防范措施 降水前认真做好调查合理使用井点减少细颗粒流失减缓降水漏斗坡度合理控制井点运行设置回灌系统设置隔水帷幕冻结法的应用 109 回灌系统布置 110 回灌井点水位图 111 112 第七节工程实例 工程降水设计计算实例 工程条件 某工程基坑开挖下口线尺寸为19m 10m 基坑开挖深度为4 1m 采用1 0 5放坡开挖 工程 0 00为自然地面标高 地下水位为 0 6m 根据岩土工程勘察报告 场地地面下0 7m为杂填土 以下为6 6m的细砂层 其渗透系数K 5m d 再往下为不透水的粘土层 试用单级轻型完整井点对该工程进行降水设计 113 工程降水设计计算实例 过程 降水方法的选择 单级轻型井点含水层渗透系数K 5m d降水深度 S 4 1 0 6 0 5 4 0m相关参数的确定井点轴线 距基坑开挖上口线0 8m基坑开挖上口线尺寸 按1 0 5放坡计 23m 14m基坑降水面积 24 6m 15 6m井点深度 按完整井