基坑降水课件

基坑降水 建筑与土木工程学院 第一节概述第二节地下水的不良作用第三节基坑降水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治措施 主要内容 基坑降水目的 为什么进行基坑降水 保证地下结构的安全施工 干作业 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 第一节概述 第二节地下水的不良作用 1 流土2 管涌3 接触冲刷与接触流失4 基坑突涌 定义在向上渗流作用下局部土体表面的隆起 顶穿或粗颗粒群同时浮动而流失的现象 发生地层流土 表层由黏性土与其他细粒土组成的土体或较均匀的粉细砂地层 流砂 颗粒级配均匀而细的粉 细砂 粉土 工程意义突发性 工程危害大 1 流土 砂 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形成条件水力坡度大 渗透力超过土颗粒重量使之悬浮时 达到临界水力坡度 1 流土 砂 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 井点降水防治流砂现象 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 3渗透的水力坡度大于临界水力坡度 2 管涌 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 斜坡条件时 b 地基条件时1 管涌堆积颗粒 2 地下水位 3 管涌通道 4 渗流方向 管涌 3 接触冲刷与接触流失 接触冲刷 对双层结构的地基 当两层土的不均匀系数均小于等于10 且符合 不会发生接触冲刷 接触流失 对双层结构的地基 当两层土的不均匀系数均小于等于5 且 不会产生接触流失 对双层结构的地基 当两层土的不均匀系数均小于等于10 且 不会产生接触流失 D10 d10分别代表较粗和较细一层土的颗粒粒径 小于该粒径的土中占总土重的10 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 4 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 产生条件 4 基坑突涌 设置减压井 降低承压水水位 当时 基坑不产生突涌 防治措施 第三节基坑降水方法 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 引渗法管井法大口井法辐射井法 井点类型及适用范围 降水方法 明排法 原理 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 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 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 降水方法 轻型井点 原理适用条件k 0 005 20m d单级降深 小于6m二级降深 6 12m 在地下水丰富地区 当土的渗透系数为0 005 1m d时 常采用轻型井点降水 轻型井点全貌图 二级轻型井点 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 单排布置 双排布置 环状布置 C形布置 降水方法 轻型井点 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 主要设备 轻型井点降水系统构成 总管 井点管 弯连管 真空泵 轻型井点降水 喷射混凝土坡面保护 滤管构造 真空泵原理 射流泵原理 喷射井点 适用条件土层渗透系数K 0 005 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 电渗井点 原理 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 005m 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 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 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 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0 1m 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 管井井点构造 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 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 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 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0 1 200m d 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 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 辐射井降水 水平辐射井是由大口径竖井和以其为中心 分层设置并向四周辐射水平滤水管组成的降水系统 水平滤水管埋置于地下含水层内以截断基坑的外来水和坑底涌水 地下水以重力形式分层渗入水平滤水管集于竖井 用泵将水抽出达到降水目的 原理 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 降水井的类型 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 第四节降水的设计计算 水井的分类 基本概念 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 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 影响半径 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 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 常规降水方法适用条件 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 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 群井涌水量计算 各井点在基坑周围同时抽水时 各单井的水位降落漏斗相互干扰 为此要考虑群井的相互作用 其总涌水量不等于各个单井涌水量之和 第一个单井的水位降落漏斗方程 第i个单井的水位降落漏斗方程 同时抽水 假定各单井的半径相等 涌水量相近似 基坑涌水量计算 1 均质含水层潜水完整井 3 均质含水层潜水非完整井 2 均质含水层承压水完整井 5 承压水 潜水完整井 4 均质含水层承压水非完整井 降水工程设计 基坑涌水量计算 基坑等效半径 降水影响半径潜水层承压水层 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 降水工程设计 井距 井数 井深 井数井距 降水工程设计 井距 井数 井深 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 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 第五节降水施工 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 第五节降水施工 第五节降水施工 第五节降水施工 第六节工程降水对环境影响及其防范措施 分层总和法简易算法 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 回灌系统布置 回灌井点水位图 例题 2011年下午23题 某基坑开挖深度10m 地面以下2m为人工填土 填土以下18m厚为中 细砂 含水层平均渗透系数k 1 0m d 砂层以下为黏土层 地下水位在地表以下2m 已知基坑的等效半径r0 10m 降水影响半径R 76m 要求地下水位降到基坑地面以下0 5m 井点深为20m 基坑远离边界 不考虑周边水体的影响 计算该基坑降水的涌水量 该基坑降水属于潜水完整井 Sd 10 0 5 2 8 5m H 18m R 76m r0 10m k 1 0m d 涌水量 基坑开挖深度为6m 土层依次为人工填土 黏土和砾砂 黏土层 砂层中承压水头高度为9m 基坑底至含砾粗砂层顶面的距离为4m 抗突涌安全系数取1 2 为满足抗承压水突涌稳定性要求 场地承压水最小降深为多少 基坑开挖深度最