基坑工程中土、水问题的基本认识

基坑工程中土、水问题的基本认识2015年6月目录•一、概述•二、土的物理性质•三、土的力学性质•四、水的问题•五、基坑岩土工程勘察•六、岩土工程勘察报告的理解与认识•七、总结一、概述•土→分类体系和标准不尽相同。国内建筑基坑工程应以《岩土工程勘察规范》GB50021和建筑工程方面的地方标准为准。•水→各种形式的水，分为液态水、气态水、固态水。土的三相组成•水的作用•土的性质特别是黏性土性质的多变性，主要就是由于土中水含量的变化及其固体颗粒相互作用的结果。•①土中水通过物理及化学的作用改变了土体结构，影响了土体状态和物理力学性质参数；②通过土体孔隙水压力作用，使土体有效应力减小、抗剪强度值降低；③土体孔隙内地下水的渗流也会改变固体颗粒的应力状态，影响土的工程性状。•外界条件的改变，如基坑开挖会使基坑周围土体的原有水土应力平衡受到破坏、暴雨或地下水管漏水引起的地下水位突升易造成基坑失稳、卸荷诱发的负孔压消散对坑底回弹的影响、基坑降水引起的周围地面沉降等都是明显的例子。昆明北市区圆砾•与我们有关的常见的土滇池湖沼相、冲湖积相地层嵩明灰岩地区地层蒙自盆地泥灰岩玄武岩定义结构构造微观意义——由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征宏观意义——在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的位置与充填空间关系的特征基本类型单粒蜂窝状絮状层状散粒状裂隙结核状可能土类砂土、碎石土粉土、黏性土黏性土砂土、黏性土均可能砂土、碎石土粉土、黏性土砂土、黏性土颗粒：大—小特点及对工程性质的可能影响散粒体，自重堆积，粒间联结弱，分为疏松和紧密。疏松：孔隙大、不稳定、变形大；密实：稳定、强度大，良好地基粒间引力大于自重，颗粒依靠引力联结，孔隙大，变形大自重不起作用，长期悬浮或絮状沉积。孔隙大，又多封闭，透水性差，固结慢，强度低，灵敏度高各向异性，如Eh≥EvKh≥kv各向同性土层无整体性，裂隙面是软弱结构面力学性状主要取决于细粒土部分；取样代表性受结核数量影响：结核富集时工程性质较好及具有良好的透水性土的结构与构造•小结：碎石土和砂土的物理状态主要受控于其密实程度，而黏性土的软硬状态受含水率的影响更大。二、土的物理性质相体固相液相气相构成物质无机矿物颗粒、有机质、盐类结晶结晶水、冰、结合水、自由水空气或其它气体作用构成土体骨架，是有效应力的物质基础充填于土骨架的孔隙中形成饱和土或非饱和土，是孔隙水压力和孔隙气压力的传递介质土的固相固相组成颗粒大小特点及对工程性质的可能影响依风化作用的深入程度（物理→化学→生物）而发展原生矿物（石英、长石、云母）粗大，呈块状或粒状（碎石、砾石与砂土主要成分）性质稳定，硬度高，具有强或较强的抗水性和抗风化能力，亲水性弱，视颗粒大小、形状与硬度不同对土体工程性质的影响不同次生矿物溶于水的如方解石、石膏等颗粒细小，粒径多在0.005mm以下，呈针状或片状，是黏性土固相的主要成分高度的分散性，呈胶体性状，它的含量的变化对黏性土工程性质影响很大，巨大的比表面使其具有很强的与水相互作用的能力不溶于水的如高岭石、伊利石、蒙脱石等有机质（腐殖质和非腐殖质）颗粒极细，粒径多小于0.1μm，呈凝胶状高度的分散性，性质易变，吸附性和亲水性强，对土的工程性质影响巨大盐类视盐类的溶解于水的不同而对土质产生影响。钠、钾的盐酸盐或钙、镁的硫酸盐和碳酸盐，前者易溶于水，无法加强土性；后者易结晶，加强土性土的三相构成与特性•基坑施工与土的物理性质的变化•基坑施工→影响土体的物理力学性质及其指标。如：•基坑开挖→坑底和坑周土体回弹→改变部分土体的孔隙比和密度等指标；•基坑降水→土体含水率和饱和度的降低及软硬物理状态的改变；•基坑局部渗漏或意外水体作用→浸润湿化作用→改变土体的含水率等宏观物理指标→诱发黏性土微结构失稳等微观结构特性发生变化；•基坑开挖和降水→土体内渗流和负孔隙水压力的消散→改变土体的物理性质指标，随开挖和降水作用强度的不同而不同。•小结：在基坑工程中，应该重视基坑开挖对土体物理性质的影响。但是，目前有关这方面的定量研究还很少，还处于定性评价阶段。三、土的力学性质•1、有效应力原理：总应力→①孔隙水压力②有效应力，它们构成了饱和土体内部的受力和传力机制，在总应力不变的条件下，二者共同承担又相互转换。土体的强度变化和变形→有效应力变化，与土体内的孔隙水压力无直接关系。有效应力原理在基坑工程中的应用①土体固结理论；②有效应力指标的应用；③负孔隙水压理论。特别指出：在软基坑中，基坑开挖在坑底和周围土体中产生超静孔隙水压力，基坑开挖到设计标高时坑底的隆起变形并不随之同时完成，另外，超静孔隙水压力的消散也会减小土的有效应力，影响支护结构受力和基坑的稳定性。小结：在实际基坑开挖施工时，应尽量减少扰动以保护坑底土体，并在开挖完成后及时浇筑基坑底板，另外，也可以根据实际需要加固坑底土体。2、土的渗透性•土的渗透性和渗流对基坑工程的影响主要表现在两方面：•（1）对土的物理和力学性质变化的影响，如黏性土状态、土的重度、对土体抗剪强度指标和变形指标的影响等；•（2）与基坑工程设计与施工的安全稳定和对周围环境的影响程度密切相关，如施工排水、隔水或降水等。更多关切：渗流力对基坑稳定和变形的影响及其控制措施。引起的问题：流砂、管涌和突涌。（1）流砂水头差大→渗流力大→使松散颗粒产生悬浮流动的现象。多发生在基坑底部或侧壁。（2）管涌细颗粒移动或被带走→土孔隙增大→渗流通道→掏空土体变形、失稳。可能发生在渗流逸出处，也可能在土体内部，是一种渐进性的破坏。（3）突涌承压含水层→开挖减小上覆压力→临界值→顶裂或冲毁基坑底板失稳。通常过程很快，来不及补救，危害极大。3、土的变形特性•土的基本变形特性：（1）非线性（2）弹塑性（3）剪胀（缩）性（4）压硬性（5）各向异性（6）应力路径和应力史的影响•土的压缩和固结土在压力作用下体积变化（压缩和膨胀）非常复杂，一部分土立即完成（粗颗粒土），一部分随时间逐步发展（细颗粒土），最总→固结和流变。小结：土体具体的压缩（固结）和流变特性是地基沉降发生的内在原因。4、土的强度特性•抗剪强度理论：如主要使用摩尔-库伦理论。•抗剪强度指标选择方法：行业规程（住建部）行业规程（冶金部）上海规程深圳规程武汉指南合算使用条件粉土、黏性土黏性土（有经验时）不透水黏土层水泥土围护结构黏性土黏性土合算计算指标天然重度总应力指标1饱和重度总应力指标2天然重度、固结快剪峰值指标或经验土压力系数饱和重度、总应力指标1饱和重度总应力指标1分算适用条件碎石土、砂土普遍适用砂土、粉土、粉质粘土碎石土、砂土、粉土砂类土分算计算指标天然重度总应力指标1浮重度有效应力指标3水下重度总应力指标4有效重度有效应力指标浮重度有效应力指标水压力计算小于静水压力区别有无渗流区别有无渗流静水压力考虑坑内外水头差1、一般宜采用三轴固结不排水剪试验，有可靠经验时，也可采用直剪固结快剪试验；2、一般取三轴固结不排水剪试验的总应力强度指标，并应乘以0.70的折减系数；3、当无法获得有效应力强度指标时，也可采用三轴固结不排水剪试验的总应力强度指标；4、一般可采用三轴固结不排水试验或直剪固结快剪试验峰值指标，一级基坑宜采用三轴固结不排水剪有效应力指标或直剪慢剪指标。5、土的流变特性•（1）土的流变性及其影响因素土的流变性是指土体在外力作用下发生变形和流动的性质→蠕变和应力松弛。蠕变→应力不变，应变增长；应力松弛→应变不变，应力变小。•（2）基坑工程中土流变性的影响无论是无黏性土和黏性土都存在着流变问题，在软黏土中尤甚。①对土压力的影响基坑开挖→土应力松弛→抗剪强度衰减→主动土压力增加→被动土压力减小。通常，应力松弛占优势：主动区土压力＞主动土压力，而被动区土压力＜被动土压力。（可能导致与设计工况不一致）②对基坑变形的影响：对于深大基坑，开挖后土的应力水平较高，此时如果不及时进行支撑或者坑底暴露时间过长，由于土的流变性影响，作用在围护结构上的土压力会随时间变化，导致基坑围护结构和坑底土体会产生明显的位移和变形，也会促使墙后土体沉降持续发展，进而影响到基坑本身和周围设施的变形和稳定。开挖深度越深，开挖面积越大，流变对基坑围护结构变形和周围环境的影响就越大。小结：基坑开挖过程中，应及时进行支护结构的施工，不然会形成一个变形和受力向不利方向发展不可逆的过程。四、水的问题•1、地下水勘察的问题•有许多基坑工程施工中的事故都直接或间接地与地下水有关系，场地水文地质勘察主要查清场地及其周边区域的水文地质条件，获取与施工降水有关的各含水层的水文地质参数，了解地表水体与地下水之间的关系等，为施工降水方案设计提供准确的水文地质资料。（1）地下水勘察的工作内容和要求①岩土工程勘察：深度不大，水文地质简单，资料丰富②专门水文地质勘察：深度较深，水文地质复杂，资料不丰富（2）地下水勘察工作量的布置（3）含水层的确定和划分①与供水含水层差异②含水层与隔水层互层③二（多）元结构含水层④含水透镜体（4）地下水的量测和动态分析①遇地下水时应量测水位②稳定水位的量测：砂土和碎石土0.5h，粉土和黏性土≥8h③多层含水层的量测：止水措施，被测含水层隔开•（5）勘察工作注意事项•水文地质勘察孔应统一对地层划分及描述；•水文地质勘察孔钻探在穿过第一层地下水后宜先跟进套管，后进行取土，以保证闭水效果；•钻孔垂直度为每百米小于1°；•钻探完成后应进行回填，当钻孔穿过多个含水层，回填要保证上下层水不会连通；•与预测条件对比分析，判断是否需要及如何进行水文地质勘察方案的调整与补充。小结：基坑工程一定要重视“水”的问题，而“无水不滑，十滑九水”更是体现了水对基坑边坡的“重要贡献”。一份对“水”分析完善的基坑勘察资料，是确保设计和施工安全的重要前提！2、地下水对基坑工程的危害•增加支护结构上的水土压力作用•引起土的抗剪强度降低•抽（排）水引起地层不均匀沉降与地面沉陷•基坑涌水•渗透破坏：流土、管涌、坑底突涌砂层达二十多米，采用钻孔灌注桩，水泥搅拌桩止水，结果发生大面积管涌管涌流土坑底钻孔漏水突涌•3、基坑工程降排水作用•目的：①保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响；•②防止坑壁土体坍塌；•③避免产生流砂、管涌、坑底突涌。•具体作用：①防止基坑底面与坡面渗水，保证坑底干燥，便于施工；•②增加边坡和坑底的稳定性，防止边坡或坑底的土层颗粒流失，防止流砂发生；•③减少被开挖土体含水量，便于机械挖土、土方外运、坑内施工作业；•④有效提高土体的抗剪强度与基坑稳定性。放坡→提高边坡稳定性；支护开挖→增加被动区土抗力，减少主动区土体侧压力，从而提高支护体系的稳定性和强度保证，减少支护体系的变形。•⑤减少承压水头对基坑底板的顶托力，防止坑底突涌。适用范围降水方法降水深度（m）渗透系数（cm/s）适用地层集水明排＜51×10-7～2×10-4含薄层粉砂的粉质黏土，黏质粉土，砂质粉土，粉细砂轻型井点＜6多级轻型井点6～10喷射井点8～20砂（砾）渗井按下卧导水层性质确定＞5×10-7电渗井点根据选定的井点确定＜1×10-7黏土，淤泥质黏土，粉质黏土管井（深井）＞6＞1×10-6含薄层粉砂的粉质黏土，砂质粉土，各类砂土，卵石小结：基坑降排水效果是保证基坑安全的关键之一，施工要求需细化。4、减小与控制降水引起地面沉降的措施（1）减小与控制降水引起地面沉降的措施①在降水前认真做好对周围环境的调研工作；②合理使用井点降水，尽可能减少对周围环境的影响；③降水场地外侧设置隔水帷幕，减小降水影响范围；④降水场地外缘设置回灌水系统。（2）地下会回灌技术①回灌井点②回灌砂沟、砂井③回灌管井五、基坑岩土工程勘察•《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012)•3.2.1基坑工程的岩土勘察应符合下列规定：（1）勘探点范围应根据基坑开挖深度及场地的岩土工程条件确定；基坑外宜布置勘探点，其范围不宜小于基坑深度的1倍；当需要采用锚杆时，基坑外勘探点的范围不宜小于基坑深度的2倍；当基坑外无法布置勘探点时，应通过调查取得相关勘察资料并结合场地内的勘察资料