现代施工技术(2)----深基坑降水与土方开挖

1、深基坑降水与土方开挖硕士生课程硕士生课程-现代施工技术现代施工技术l 1 降低地下水降低地下水l降水方法：集水井降水、井点降水降水方法：集水井降水、井点降水l集水井降水：在开挖基坑时沿坑底周围开挖排集水井降水：在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟（最小纵向坡度为水沟（最小纵向坡度为0.2%0.5%，每隔一定，每隔一定距离（最大距离（最大3040m）设集水井，使基坑内挖）设集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵排出基坑。排水沟和集水井的截面尺寸取决泵排出基坑。排水沟和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。若基坑开挖深度较大，地下于基坑的涌水

2、量。若基坑开挖深度较大，地下水的动水压力和土的组成有可能引起流砂、管水的动水压力和土的组成有可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳。涌、坑底隆起和边坡失稳。l1.1地下水流的基本性质地下水流的基本性质l1.1.1动水压力和流砂动水压力和流砂l地下水的类型：潜水和层间水（图1-1）l从水的流动方向取一柱状土体A1A2作为脱离体，其横截面面积为F、Z1、Z2为A1、A2在基准面以上的高程。l由于H1H2,存在压力差,水从A1流向A2,作用于脱离体A1A2上的力有:lwh1F A1 处的总水压力,其方向与水流方向一致;lwh2F A2处的总水压力,其方向与水流方向相反;lnwLFcos 水柱重量在水

3、流方向的分力(n为土的孔隙率);l(1-n)wLFcos 土骨架重力在水流方向的分力;lLFT 土骨架对水流的阻力(T为单位阻力);l由静力平衡条件:0LFTcosLF)ncosLFnFhFhww2w1wLZZcos210LT)Zh()Zh(2211wILHHTw21wl设水在土中渗流时，对单位土体的压力为GD，有牛顿第三定律得：l通常工程上将GD称为动水压力，动水压力GD与水力坡度成正比，即水位差愈大动水压力愈大；渗流路线愈长，动水压力愈小。动水压力的作用方向与水流方向相同。当水流在水位差作用下对土颗粒产生向上的压力时，动水压力不但使土颗粒受到水的浮力，而且还使土颗粒受到向上的压力，当动水压

4、力等于或大于土的浸水重度时，即：l则土颗粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒能随着渗流的水一起流动，此现象被称为流砂。ITGwDwDGl1.1.2 渗透系数渗透系数l达西定律：v=KIl当水力坡度I等于1时的渗透速度即为渗透系数K。其常用单位m/d、m/s。l土的渗透性取决于土的形成条件、颗粒级配、胶体颗粒含量和土的结构等因素。一般用稳定流的裘布依（Dupuit)公式计算渗透系数。l l 1.2井点降水井点降水l我国于1952年用于实际工程，目前技术手段已较为完善。l井点降水方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点。l管井井点是围绕开挖的基坑每隔一定距离（205

5、0m）设置一个管井，每个管井单独用一台水泵（离心泵、潜水泵）进行抽水，以降低地下水位，适用于渗透系数较大（K=20200m/d）、地下水量大的土层中。深井井点深井井点是在管井内设置深井泵，可以降水位降是在管井内设置深井泵，可以降水位降低到更深的深度，若采用带真空设备的深井泵，低到更深的深度，若采用带真空设备的深井泵，在渗透系数较小的淤泥质粘土中亦能使用。在渗透系数较小的淤泥质粘土中亦能使用。降水方法和设备的选择，取决于降水深度、土的降水方法和设备的选择，取决于降水深度、土的渗透系数、工程特点和技术经济指标。渗透系数、工程特点和技术经济指标。l1.2.1轻型井点轻型井点l（1）轻型井点设备l轻型

6、井点设备包括：滤管、井管、集水总管、连接管、水泵和动力装置。l滤管滤管为进水设备，通常采用长11.5m，直径38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12 19mm的滤孔。骨架外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。在骨架与滤网之间用塑料管或梯形钢丝隔开，塑料管沿骨架绕成螺旋形。滤网外再绕一层粗钢丝保护网。l井点管井点管为直径38mm或51mm、长57m的无缝钢管，井点管上端用弯管与总管相连。l集水总管集水总管为直径100127mm的无缝钢管，每段长4m，其上装有与井点管连接的短接头，间距0.8或1.2m。l抽水设备抽水设备根据水泵及动力设备不同，有干式真空泵、射流泵及隔膜泵等，其抽吸深度

7、与总管负荷有关。常用W5、W6型干式真空泵，其抽吸深度为57m，最大负荷长度分别为100m和120m。l（2）轻型井点布置与计算）轻型井点布置与计算l井点系统布置应根据水文地质资料、工程要求和设备条件等综合确定。l布置与计算的步骤为：平面布置高程布置计算井点管数量调整设计。l平面布置平面布置l单排布置：适用于基坑宽度小l于6m，且降水深度不超过5ml的情况。l双排布置：适用于基坑宽度大l于6m或土质不良的情况。l环形布置：适用于大面积基坑。lU形布置：便于土方施工机械l进出基坑。l高程布置高程布置l高程布置即确定井点管的埋深。可按下式计算：l式中 h井点管埋深（m）；l h1总管埋设面至基底的

8、距离（m）；l h基底至降水后的地下水位线的距离（m）；l i水力坡度；l L井点管至水井中心的距离，当井点管为单排布置时，L为 井点管至边坡脚的水平距离（m）。iLhhh1l计算结果应满足下式：l式中 hpmax抽水设备的最大抽吸深度。l在上述公式中的有关参数按下述取值：l（1） h一般取0.51m。l（2）i的取值：单排布置，1/41/5；双排布置，1/7；环形布置1/10。l（3）L为井点管至基坑中心的水平距离，当基坑井点管为环形布置时，L取短边方向的长度。l（4）井点管布置应离坑边一定距离（0.71m），以防止边坡塌土而引起局部漏气。maxphh l井点系统涌水量的计算井点系统涌水量的

9、计算l根据地下水有无压力井点系统分为有压井和无压井，根据井点管是否抵达不透水层井点系统分为完整井和非完整井。l水井计算简图水井计算简图lA 无压完整井无压完整井l设不透水层基底为X轴，取井中心轴为Y轴，将距井轴X处水流断面近似地看作一垂直的圆柱面，其面积为：l由达西定律得裘布依单井涌水量计算式：l水位降落曲线在x=r处，y=l；在x=R处，y=H，有：l又l=H-Sl群井涌水量计算公式为xy2dxdyxyK2KiVQRrHlxdxKQydy2rlnRlnS)SH2(KQ00 xlg)xRlg(S)SH2(K366. 1QlB 无压非完整井无压非完整井lC 承压完整井承压完整井lD 承压非完整井

10、承压非完整井00 xlgRlgS)SH2(K366. 1Q0 xlgRlgKMS73. 2QMlM2r5 . 0lMxlgRlgKMS73. 2Q0l上述公式中基本参数的确定l1）基坑假想圆半径x0，对于矩形基坑其长宽比不大于5时，l式中 F基坑井点管所包围的面积。l2）抽水影响半径Rl式中 K的单位为m/s。l3）抽水影响深度H0Fx0HKS575R l单根井管的抽水能力单根井管的抽水能力l式中 q单根井管的极限涌水量（m3/d）l d滤管的直径（m）l K土的渗透系数（m/d）l井管的数量井管的数量l井管的平均间距井管的平均间距l式中 L、B矩形井点系统的长度和宽度3Kdl65qqQn n

11、)BL(2bl1.2.2 喷射井点喷射井点l（1）工作原理l喷射井点为深层降水，其一层井点可把地下水位降低820m，甚至超过20m。其工作原理如图所示。l（2）构造设计）构造设计l在渗透系数大于50m/d的土层中，主要解决单井抽水能力增大问题；在渗透系数大于50m/d的土层中，主要解决将地下水从土层中更快的聚集到井点管中的问题。l喷射井点管单井的抽水、抽气能力，主要取决于喷嘴直径大小、喷嘴直径与混合室直径之比、混合室的长度等。l构造设计的步骤：l1）首先根据基坑涌水量计算结果和井点的布置，确定喷射井点所需的单井排水量Q0和喷射井点所需的扬程H；l2）根据所需扬程，计算喷射井点的工作水压力P1；

12、l式中 b 扬程与工作水压力之比，按表取值。H1 . 0P1l3）确定喷射井点的工作水流量Q1;l式中 a 吸入水流量与工作水流量之比，按表取值。l4）确定喷嘴直径l 其中l l5）确定混合室直径、混合室长度l M为混合室直径与喷嘴直径之比01QQ3600V10Q19d1611gH2V11512rdLMddl6）扩散室长度l式中 d3 喷射井内管直径l d2 混合室直径l7）确定喷射井点内管两侧进水孔的高度L1l式中 a 两侧进水孔宽度，v取1.52m/s。l8）喷嘴颈缩部分长度L2及喷嘴圆柱形部分长度L1l L2=2.5d1l L3=(1.01.5)d1l式中 d1 喷嘴直径)2d2d(5

13、. 8L2363600Va210QL611l9）喷射井点内管直径d3和外管直径d4l式中 Q0喷射井点的单井排水量（m3/h)l Q1 喷射井点的工作水流量（m3/h)l v 工作水允许的最大流速（m/s)3600v10QQ4d61033600v10Q4d604l（3）使用与布置）使用与布置l1）布置l 当基坑宽度小于10m可单排布置，大于10m则双排布置；当基坑面积较大时，宜环状布置。l 井点间距一般为23m，埋设时充孔直径约为400600mm，深度应大于滤管底1m以上。l2）使用la 扬水装置的加工质量和精度非常重要，否则会增大工作水流，影响抽水效果；如果喷嘴、混合室和扩散室的轴线不重合，

14、则会降低真空度。lb工作水要干净，不得含泥砂和其他杂物。lc为防止工作水反灌，应在滤管下端增设逆止水阀。ld主要使用的为2.5型喷射井点。l1.2.3 电渗井点电渗井点l电渗井点是在降水井点管的内侧打入金属棒（钢筋、钢管等），连以导线。以便井点管为阴极，金属棒为阳极，通入直流电后，土料自阴极向阳极移动，称为电泳现象，使土体固结；地下水自阳极向阴极移动，称电渗现象，使软土地基易于排水，如图示。l电渗井点以轻型井点管或喷射井点管作阴极，2025的钢筋或 5075的钢管作为阳极，埋设在井点管的内侧，与阴极并列或交错排列。当用轻型井点管时，两者的距离为0.81.0m；当用喷射井点时则为1.21.5m。

15、阳极入土深度应比井点管深500mm，露出地面200400mm。工作电压不宜大于60V，土中通电的电流密度宜为0.51.0A/m2。通电时，为了消除由于电解作用产生的气体聚集在电极的附近，使土体电阻增大，加大电能消耗，宜采用间隔通电法，即每通电24h，停电23h。l1.2.4 真空深井井点真空深井井点l每一个井点由井管和滤管组成，并单独配备一台电机和一台真空泵。开动后达到一定的真空度，则可达到深层降水的目的。适用于渗透系数较小的粘性土或淤泥质粘性土。l施工程序：钻孔清孔沉管安装真空泵及电机l注意事项：由于井管较长，挖土至一定深度后，自由端较长，井管应与附近的支护结构相连，并予以固定。在挖土过程中

16、，要注意保护深井泵，避免挖土机碰撞。l每台泵的降水服务范围约200 m2 。l1.2.4 井点降水预防周围地面沉降的措施井点降水预防周围地面沉降的措施l因降水引起的地面沉降，在理论上可按下式计算：l式中 su(x)离降水设备x距离处的地面沉降值；l Esui 第i层土的压缩模量；l u(x)i 离降水设备x处，第i层土内降水前后孔隙水压力的变化量；l hi 第i层土的厚度。l（一）回灌井点技术，如图示。l（二）砂沟、砂井回灌l（三）使降水速度减缓l（四）防止将土粒带出ii )x(n1isui)x(suhuEl基坑开挖后，如果边坡中土体的剪应力大于土的抗剪基坑开挖后，如果边坡中土体的剪应力大于土

17、的抗剪强度，则边坡就会滑动失稳。强度，则边坡就会滑动失稳。l边坡稳定的研究方法：边坡稳定的研究方法：l第一类方法：第一类方法：利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体的应力状态。此法对于边界条件比较复杂的土坡难以的应力状态。此法对于边界条件比较复杂的土坡难以得到精确解。通常采用有限元法求解。得到精确解。通常采用有限元法求解。l第二类方法：第二类方法：假定土体沿着一定的滑动面而进行极限假定土体沿着一定的滑动面而进行极限平衡分析。在极限平衡法中，条分法由于能适应复杂平衡分析。在极限平衡法中，条分法由于能适应复杂的几何形状、各种土质和孔隙水压力，因而成为最常的几何形状、各

18、种土质和孔隙水压力，因而成为最常用的方法。用的方法。l2.1 瑞典圆弧滑动面条分法（瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）法）l（一）基本原理l假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法忽略了土条之间的相互作用力的影响。l边坡稳定安全系数：l式中 滑动圆弧的长度 l 滑动面上的平均抗剪强度l R滑动圆弧的半径l W滑动土体的重量l d W作用线对滑动圆心O的距离l A滑动面积l如K1.0，边坡稳定；K= 1.0，边坡处于极限平衡状态； K1.0，边坡稳定处于不稳定状态。AdRLWdRLKiiLil确定滑动圆

19、心确定滑动圆心Ol1.内摩擦角f=0的高塑性粘土l（1）由表根据坡角a查出坡底角b1和坡顶角b2l（2）在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角，两线的交点O，即为最危险滑动圆弧的滑动圆心。l2.内摩擦角f0的土l(1)按上述步骤求出O点;l(2)由A点垂直向下量一高度,该高度等于边坡的高度H,得C点,由C点水平向右量一距离,使其等于4.5倍H而得D点,连接DO;l(3)在DO延长线上找若干点,作为滑动圆的圆心,画出坡角圆,试算出K值较小的E点;l(4)于E点画出DO延长线的垂线,再于此垂线上找出若干点作为滑动圆圆心,试算K值,直到找出K值最小的O点,则O点即为最危险滑动圆心.l（二）圆弧滑动面条分

20、法计算方法（二）圆弧滑动面条分法计算方法lci分条的内聚力； bi 分条宽度；lli分条的圆弧长度； hi 分条高度（平均值）；lfi 分条土的内摩擦角； ai 分条的坡角lgi 分条土的重力密度；n1iiiiin1in1iiiiiiiin1iiin1in1iiiiisinhbtgcoshblcsinWRtgNlcK滑动力矩抗滑力矩2.2 比肖夫（比肖夫（Bishop）法）法与Fellenius法的不同之处在于考虑了竖面上的法向力和切向力。 有效内聚力； 有效法向应力； 有效内摩擦角 计算安全系数应采用逐次逼近法；若假定(T1-T2)tgf=0，则计算简化。首先假定一个K值，然后将其与c、f、

21、u和a值带入计算式中，算出一个K值，若计算值与假定值相差满足要求，则计算终止，否则继续计算。 K/sintgcossinQWtgTTcosulQWcoslcK21cl2.3 泰勒（泰勒（Taylor）法）法l在总应力基础之上，假定内聚力不随深度变化。根据理论计算结果绘制图表，利用图表分析简单边坡的稳定。l式中 g土的重度（KN/m3）l c 土的内聚力（kpa）l Hc 边坡的临界高度(m)l已知b及土的c、f、g，求Hl已知H及土的c、f、g，求bl已知H、b及土的c、f、g，求安全系数KcHNcsl2.4 极限分析法极限分析法l两条定理：l1.如果能断定平衡外荷的应力是均衡分布的,而且不违反包括内聚力和内摩擦角在内的屈服准则，则土体不会破坏，或处于濒临破坏的瞬间。l2.如果外荷所作的功率超过了内能耗散率而产生任何塑性变形,则土体将破坏。l外功率：l沿破坏面的内能耗散率：l保持稳定的土坡高度)sin(ctgH21P21wcossincHP2wcos)sin(cosc2Hl3.1 开挖前的准备工作开挖前的准备工作l（1）了解土的种类;l（2）地下设施埋设情况;l（3）土方工程的施工工期质量条件及施工条件;l（4）土方运输出口;l（5）施工区域的地形、水文及周围环境;l（6）场地清理、排除地面水和测量放线工作。l3.2 开挖方法开挖方法l多采