第二章-施工排水及地基处理

第二章施工排水及地基处理第二章施工排水及地基处理•第一节明沟排水法•第二节人工降低地下水位法•第三节地基处理学习目标1.掌握明沟排水法的系统组成、系统布置的要求及涌水量计算；2.了解人工降低地下水位常采用的井点排水的方法种类，掌握轻型井点法系统设计，了解各种井点系统的施工和使用；3.了解常用的地基处理的方法，掌握换土垫层方法；•重点和难点1.轻型井点法系统设计•开挖基坑或沟槽时的地下水：A影响正常施工；B造成地基承裁力降低；C边坡坍塌事故。•施工排水内容：地下水、地表水排除。•地表水：筑堤截水，设沟引水•地下水：明沟排水法、人工降低地下水位法•目的：改善槽底施工条件，稳定边坡；稳定槽底；防止地基土承载力下降第一节明沟排水法•明沟排水法是在管沟或基坑开挖时，在沟（坑）底设置集水井（坑），在沟（坑）底周围或中央开挖排水沟，使地下水沿排水沟流入集水井中，然后用水泵抽走的方法。•抽水工作应持续到整个地段管线下沟、回填工序结束后才能停止。基坑上边缘排水沟集水井离心泵1.1排水沟、集水井、水泵的布置1.排水沟的位置：先中间，后侧边；设置在基础以外•排水沟的尺寸：一般底宽及沟深不小于0.3m纵向坡度不小于1%，坡向集水井2.集水井位置：井底距槽底1-2米，一般间隔50-150米•集水井尺寸：直径或宽度为0.7-0.8米，具体应根据土质、地下水量及水泵的抽水能力而定3.水泵的选用•选择水泵的主要参数是：流量、扬程。流量：为管沟、基坑渗水量的1.5～2.0倍。水泵的扬程=高差+摩阻损失（实际扬程的15%～30%估算）（1）离心泵•工作能力：抽水能力大，适用于地下水量较大的基坑，又分为清水泵、混水泵。工作原理：叶轮旋转产生离心力，将轮心处的水甩往轮边，再沿出水管压到高处；叶轮的中心形成部分真空；在大气压作用下，地下水不断地从吸水管内自动上升，进入水泵采用离心泵时，要特别注意吸水管接头不能漏气，且吸水口至少应在水面以下500mm，以防吸入空气。启动离心泵时，必须先向泵体和吸水管内灌满水，排除空气，然后才能开泵抽水。（2）潜水泵–潜水泵工作时要全部浸入水中；–泵小、轻、移动方便、安装简单，开泵时不需引水，在基坑排水中采用较广。综合反映土体渗透能力的指标，又称水力传导系数。在数值上等于水力坡度为1时，通过单位面积的渗流量。渗透系数愈大，透水性越强，反之越弱。1.2涌水量计算1.管沟、基坑处于一般地段或干河床时•Q——总渗水量，m3/昼夜；•K——土壤渗透系数，m／昼夜，见表2-1•S——要求地下水位降深，m；•R——渗水影响半径，m；•R0——沟、坑计算半径，m。2001.33lg()KSQRRR排水沟、集水井断面尺寸和水泵流量选择的依据渗水影响半径R的确定•渗水影响半径R与土壤渗透系数、含水层厚度、水位降落值及抽水时间等因素有关。一般以抽水2～5天后水位降落曲线基本稳定时为计算条件，此时可按经验公式计算。•式中S——要求水位降落值，m；•H——含水层厚度，m；•K——土壤渗透系数，m/昼夜。•当含水层厚度无限大时，R值可从参考表选取KHSR95.1计算半径R0的确定•对管沟和矩形基坑：•圆形基坑：R0为基坑地下水位内的平均半径；•不规则基坑：L、B—基坑的平均长度和平均宽度，m；F—不规则基坑的平均面积，m。04LBR0/RF2.管沟、基坑靠近河边时（）•式中L——管沟基坑离河岸距离，m；2/)(0RRL)/2lg(/366.102RLKSQ明沟排水法的适用范围–开挖基础不深或水量不大的沟槽或基坑–由于设备简单、排水方便，采用较为普遍，适用于粗粒土层（土粒粗不致被水流带走）、渗水量小的粘性土；–当土为细砂和粉砂时，地下水渗出会带走细粒，发生流砂现象，导致边坡坍塌、坑底隆起、施工困难，此时采用井点降水法。第二节人工降低地下水位•人工降低地下水位是在基坑周围布设深于基底的井点进行抽水，使地下水水位局部下降至坑底以下，这样基本消除了地下水对施工的影响。•井点降水按降深不同、抽吸原理和抽吸设备的不同，可分为轻型井点、喷射井点、管井井点、电渗井点和深井泵井点降水等多种，其适用范围见表2-3。2.1轻型井点法•概念：沿管沟或基坑周围把许多小直径的井点管埋入地下含水层内，井点管上端通过弯管和总管连接，下端通过滤水管和地下含水层连通，利用抽水设备把地下水从井点管内不断提出，如下图所示•轻型井点系统适用在粗砂、中砂、细砂、粉砂等土层中降低地下水轻型井点降水全貌图（单层轻型井点）。2.1.1轻型井点系统的组成•管路系统：井点管（包含滤管）、弯管、总管和阀门等•抽水设备及其它附属设备：真空泵、离心水泵、气水分离器等。1—井点管；2—弯联管；3—总管；4—过滤器；5—气水分离器；6—真空表；7—离心泵；8—真空泵1.滤水管•位置：井点管下端，埋入含水层•规格：Φ38—55mm，L=1-2m•材质：无缝钢管•结构：粗钢丝保护网、滤水网（内外两层）、螺旋形细钢丝、钢管（5—12mm孔眼）•进水管面积：A=2mπrdLL避免滤孔淤塞2.井点管•位置：下端与滤水管用管箍连接,上端与总管通•规格：直径与滤水管相同，长度视埋深而定•材质：无缝钢管3.弯联管•位置：连接总管和井点管•规格：Φ38—55mm•材质：加固橡胶管、钢管弯头4.总管•位置：与抽水设备相连•规格：Φ100—150mm，L=4-6m•材质：钢管•结构：管壁上短管5.抽水设备•真空式抽水设备：抽水深度5.5-6.5m，真空泵、离心水泵、气水分离器等•射流式抽水设备：抽水深度9-11m•自引式抽水设备：抽水深度2-4m2.1.2轻型井点设计•轻型井点降水法设计步骤为：1、确定平面布置方案2、确定高程布置方案3、井点系统涌水量计算（Q)4、井点管数量计算(n)5、井距计算(D)6、井距和井点管数量的调整(D、n)7、抽水设备的选择1.确定平面布置方案1）系统形式选择•a.单排：在沟槽上游一侧布置，每侧超出沟槽≮B–用于沟槽宽度B≤6m，降水深度≤5m。•b.双排：在沟槽两侧布置，每侧超出沟槽≮B。–用于沟槽宽度B6m，或土质不良，以便快速将水抽•c.环形布置：在沟槽四周布置，可以封闭，也可以在基坑下游侧留一段不封闭。用于基坑面积较大时。2）井点的布置•井点管要靠近沟坑，但是距沟坑壁不小于1.0～1.5m，防止局部漏气，影响抽吸效果。•井点管间距一般采用0.8～1.6m，应根据土质，设备条件或通过计算确定。靠近河流处井点应适当加密。3）总管的布置•比井点管更靠外一些（1.5米），并以1‰——2‰的坡度（坡向抽水设备），多个抽水设备将总管分段4）抽水设备布置•抽水设备应布置在地下水流的上游，并设在总管中部，以发挥其最大效能。一套抽水设备所能带动的总长度大约在100m左右，5）观察井的布置•为了观察水位降落情况，应在降水范围内设置若干个观测井，•观测井的位置：降低水位不利点，一般在基础中心、总管末端、局部挖深处等控制点，均应设置观测井。•观测井由井点管做成，只是不与总管相接。2、确定高程布置方案•总管的布置标高应接近原有地下水位线，抽水设备的水泵轴心标高与总管拉平。•井点管埋设深度必须将滤管埋入储水层内，可按下式计算：为达到此目的，同时不影响地面交通，通常将总管设置于地面下0.5米处•H——井点管设置深度，m；•H1——从井点管埋设面至管沟底面的距离，m；•h——降水后地下水位至管沟底面的安全距离，0.5～1.0m•i——水力坡度，经验值，单排井点i＝1/4或1/5，双排或环形井点i＝1/10—1/15；•L——井点管中心至管沟（或基坑）控制水位点（线）的水平距离，•l——滤水管长度liLhHH1LhH1700-10002001:iH实际工程中，井点管均为定型的，有一定标准长度。通常根据给定井点管长度验算△h，如△h≥0.5~1ｍ，则可满足。计算公式如下：△h＝Lj－０.２－H１－ｉＬ式中：Lj－井点管长度0.2－井点管露出地面的长度•轻型井点法的降水深度以不超过6米为宜，如求出的H值大于6米，则应降低井点管和抽水设备的埋置面；或采用二级或多级井点系统二层轻型井点降水3.涌水量的计算•涌水量Q即每昼夜需排出地下水的数量。•水井理论将水井根据不同情况分为：完全井；非完全井；承压井；无压并，也称潜井；水井的分类井底到达含水层下的不透水层顶面的井为完整井；否则为非完整井。无压井：地下水表面为自由水压。承压井：含水层处于两个不透水层之间，地下水表面具有一定水压。•管道线路工程多为浅地层作业，一般不出现承压井情况，多数是无压非完整井。1）无压完整井点系统涌水量Q涌水量计算中有关参数的计算•A．渗透系数K•以现场抽水试验取得或参考表2-6选用•当含水层为非均质土层时，K值应取各层土壤渗透系数的加权平均值•式中hi——各土层的分层厚度，m；•Ki——各土层的渗透系数，m/昼夜。/iiiKKhh•B．抽水影响半径R：•井点系统抽水后，地下水受到影响，形成降落曲线，降落曲线稳定时形成以该井为轴心的水位降落漏斗，从漏斗中心到漏斗边缘的水平距离称为该井的抽水影响半径。如图•确定方法：直接观察；经验公式；经验数据•经验公式•经验数据如下：KHSR95.1土的特性极细砂细砂中砂粗砂极细砾小砾中砾大砾粒径（mm）0.05～0.10.1～0.250.25～0.50.5～11～22～33～55～10影响半径（m）25～5050～100100～200200～400400～500500～600600～15001500～3000•C．假想半径X0的确定2）无压非完整井系统涌水量•无压非完整井涌水量计算较复杂，为简化起见，工程上常直接引用无压完整井点系统涌水量计算公式，但要将公式中含水层厚度H换成渗水有效带深度H0S’注意：1、当H0值超过H时，取H0＝H；2、计算R时，也应以H0代入。•指地下水位至滤管顶部的距离，它是根据需要的降深而影响涌水量的主要因素。•s—沟槽或基坑内水位降深;•a1—保险值(0.5—1m);•a2—水力坡降值。•a2=Li，i—水力梯度•a3—井点管局部损失值(取0—0.5m)D．井点管中降水深度s’=s+a1+a2+a34.井点管数量和间距最少井点数量q＝65πdLLK1/3最大间距5.井距和井点管数量的调整(D’、n’)1）实际间距的确定•井距取值必须大于5πd（πd为滤管周长），以防止各个井点之间的干扰较大，出水量显著减少；•井距应与总管上的接头间距相匹配（0.8、1.2、1.6或2.0m）•≤D计算值2)确定井点数n’=L1/D’6.抽水设备选择1）真空泵的选用•干式真空泵常用的型号有W5、W6型，真空度最大可达1.0×105Pa。总管长度小于100m时可选用W5型，总管长度小于120m时可选用W6型。•真空泵在抽水系统中所需最低真空度，根据降水深和水头损失按下式计算：kPa降水深度h△和水头损失△h,单位：米hhHk10•2）水泵的选用•（a）轻型井点，一组系统通常只用一台水泵，其流量为1.1～1.2Q。•（b）水泵吸水扬程程应大于井点管长度。•一般水泵都能满足排水扬程的要求。轻型井点多为配套设备，可按具体情况选用。•3）射流器的选用•射流器常用的型号有QJD-45、QJD-60、JS-45，根据基坑（槽）的涌水量及总管长度、井点管确定射流器的大小和台数。•自学例题2-12.1.3轻型井点施工•施工顺序：放线定位→铺设总管→冲孔→安装井点管→填滤料、上部粘土密封→井点管与总管连接→安抽水机→抽水→在观测井中测量地下水位的变化•轻型井点的正常出水规律是“先大后小，先混后清”。•井点管的埋设：井点管水冲下沉（射水法）；套筒式冲孔法（套管法）；钻孔法（钻孔后再将井点管沉入）1.射水法•主要施工机具：射水式井点管•施工过程：确定井点位置——挖坑、泄水沟——插入射水式井点管——高压水在下端冲刷土体——井点管下沉到设计高度——取下软管，与集水总管连接——填砂——粘土封口2.套筒式冲孔法•主要施工机具：套管水枪•施工过程：确定井点位置——土坑——插入套