现代施工技术(2)---深基坑降水与土方开挖

深基坑降水与土方开挖硕士生课程----现代施工技术1降低地下水降水方法：集水井降水、井点降水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0.2%~0.5%，每隔一定距离（最大30~40m）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。1.1地下水流的基本性质1.1.1动水压力和流砂地下水的类型：潜水和层间水（图1-1）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。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:γw·h1·FA1处的总水压力,其方向与水流方向一致;γw·h2·FA2处的总水压力,其方向与水流方向相反;n·γw·L·F·cosα水柱重量在水流方向的分力(n为土的孔隙率);(1-n)·γw·L·F·cosα土骨架重力在水流方向的分力;L·F·T土骨架对水流的阻力(T为单位阻力);由静力平衡条件:0LFTcosLF)ncosLFnFhFhww2w1wLZZcos210LT)Zh()Zh(2211wILHHTw21w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：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，当动水压力等于或大于土的浸水重度时，即：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。ITGwDwDG1.1.2渗透系数达西定律：v=KI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。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。1.2井点降水我国于1952年用于实际工程，目前技术手段已较为完善。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。管井井点是围绕开挖的基坑每隔一定距离（20~50m）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=20~200m/d）、地下水量大的土层中。深井井点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，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、土的渗透系数、工程特点和技术经济指标。1.2.1轻型井点（1）轻型井点设备轻型井点设备包括：滤管、井管、集水总管、连接管、水泵和动力装置。滤管为进水设备，通常采用长1~1.5m，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。井点管为直径38mm或51mm、长5~7m的无缝钢管，井点管上端用弯管与总管相连。集水总管为直径100~127mm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。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，其抽吸深度与总管负荷有关。常用W5、W6型干式真空泵，其抽吸深度为5~7m，最大负荷长度分别为100m和120m。（2）轻型井点布置与计算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。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。①平面布置单排布置：适用于基坑宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况。双排布置：适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。环形布置：适用于大面积基坑。U形布置：便于土方施工机械进出基坑。②高程布置高程布置即确定井点管的埋深。可按下式计算：式中h—井点管埋深（m）；h1—总管埋设面至基底的距离（m）；Δh—基底至降水后的地下水位线的距离（m）；i—水力坡度；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）。iLhhh1计算结果应满足下式：式中hpmax—抽水设备的最大抽吸深度。在上述公式中的有关参数按下述取值：（1）Δh一般取0.5~1m。（2）i的取值：单排布置，1/4~1/5；双排布置，1/7；环形布置1/10。（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。（4）井点管布置应离坑边一定距离（0.7~1m），以防止边坡塌土而引起局部漏气。maxphh③井点系统涌水量的计算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。水井计算简图A无压完整井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：由达西定律得裘布依单井涌水量计算式：水位降落曲线在x=r处，y=l；在x=R处，y=H，有：又l=H-S群井涌水量计算公式为xy2dxdyxyK2KiVQRrHlxdxKQydy2rlnRlnS)SH2(KQ00xlg)xRlg(S)SH2(K366.1QB无压非完整井C承压完整井D承压非完整井00xlgRlgS)SH2(K366.1Q0xlgRlgKMS73.2QMlM2r5.0lMxlgRlgKMS73.2Q0上述公式中基本参数的确定1）基坑假想圆半径x0，对于矩形基坑其长宽比不大于5时，式中F—基坑井点管所包围的面积。2）抽水影响半径R式中K的单位为m/s。3）抽水影响深度H0Fx0HKS575R④单根井管的抽水能力式中q—单根井管的极限涌水量（m3/d）d—滤管的直径（m）K—土的渗透系数（m/d）⑤井管的数量⑥井管的平均间距式中L、B—矩形井点系统的长度和宽度3Kdl65qqQnn)BL(2b1.2.2喷射井点（1）工作原理喷射井点为深层降水，其一层井点可把地下水位降低8~20m，甚至超过20m。其工作原理如图所示。（2）构造设计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。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。构造设计的步骤：1）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；2）根据所需扬程，计算喷射井点的工作水压力P1；式中b—扬程与工作水压力之比，按表取值。bH1.0P13）确定喷射井点的工作水流量Q1;式中—吸入水流量与工作水流量之比，按表取值。4）确定喷嘴直径其中5）确定混合室直径、混合室长度M为混合室直径与喷嘴直径之比01QQ3600V10Q19d1611gH2V11512rdLMdd6）扩散室长度式中d3—喷射井内管直径d2—混合室直径7）确定喷射井点内管两侧进水孔的高度L1式中a—两侧进水孔宽度，v′取1.5~2m/s。8）喷嘴颈缩部分长度L2及喷嘴圆柱形部分长度L1L2=2.5d1L3=(1.0~1.5)d1式中d1—喷嘴直径)2d2d(5.8L2363600Va210QL6119）喷射井点内管直径d3和外管直径d4式中Q0—喷射井点的单井排水量（m3/h)Q1—喷射井点的工作水流量（m3/h)v′—工作水允许的最大流速（m/s)3600v10QQ4d61033600v10Q4d604（3）使用与布置1）布置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。井点间距一般为2~3m，埋设时充孔直径约为400~600mm，深度应大于滤管底1m以上。2）使用a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，则会降低真空度。b工作水要干净，不得含泥砂和其他杂物。c为防止工作水反灌，应在滤管下端增设逆止水阀。d主要使用的为2.5型喷射井点。1.2.3电渗井点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。电渗井点以轻型井点管或喷射井点管作阴极，φ20~25的钢筋或φ50~75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0.8~1.0m；当用喷射井点时则为1.2~1.5m。阳极入土深度应比井点管深500mm，露出地面200~400mm。工作电压不宜大于60V，土中通电的电流密度宜为0.5~1.0A/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2~3h。1.2.4真空深井井点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。施工程序：钻孔→清孔→沉管→安装真空泵及电机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，要注意保护深井泵，避免挖土机碰撞。每台泵的降水服务范围约200m2。1.2.4井点降水预防周围地面沉降的措施因降水引起的地面沉降，在理论上可按下式计算：式中δsu(x)—离降水设备x距离处的地面沉降值；Esui—第i层土的压缩模量；Δu(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；Δhi—第i层土的厚度。（一）回灌井点技术，如图示。（二）砂沟、砂井回灌（三）使降水速度减缓（四）防止将土粒带出ii)x(n1isui)x(suhuE2边坡稳定基坑开挖后，如果边坡中土体的剪应力大于土的抗剪强度，则边坡就会滑动失稳。边坡稳定的研究方法：第一类方法：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得到精确解。通常采用有限元法求解。第二类方法：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的几何形状、各种土质和孔隙水压力，因而成为最常用的方法。2.1瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）（一）基本原理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。边坡稳定安全系数：式中—滑动圆弧的长度—滑动面上的平均抗剪强度R—滑动圆弧的半径W—滑动土体的重量d—W作用线对滑动圆心O的距离A—滑动面积如K﹥1.0，边坡稳定；K=1.0，边坡处于极限平衡状态；K﹤1.0，边坡稳定处于不稳定状态。AdRLWdRLKiiLi确定滑动圆心O1.内摩擦角f=0的高塑性粘土（1）由表根据坡角a查出坡底角b1和坡顶角b2（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