深基坑工程——第十章基坑降水设计.ppt

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地下水的不良作用与防范措施,地下水的不良作用与防范措施,不良作用,潜蚀,流砂,管涌,基坑突涌,11,潜蚀,分类,机械潜蚀：动水作用下，土粒受到冲刷、冲走，导致土体结构破坏,化学潜蚀：水的溶解作用导致土颗粒之间胶结作用的破坏，结合力减弱,产生的条件,适宜土层和足够的水动力条件,土层的不均匀系数（,d,60,/d,10,）,愈大，愈易产生潜蚀；当,d,60,/d,10,大于10时，易产生潜蚀,两种相互接触的土层，当二者的渗透系数之比,k,1,/k,2,大于2时，易产生潜蚀,当渗流水流的水力坡度大于5时，水呈紊流，易产生潜蚀,.,12,潜蚀,潜蚀的预防措施,加固土体,人工降低地下水的水力坡度,设置反滤层,13,反滤层构造,14,定义,指土的松散颗粒被地下水饱和后，在渗透力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象,发生地层,粉细砂地层,工程意义,突发性、工程危害大,流砂,15,用抽水机在基坑底明排水,粉细沙随地下水流入基坑，产生流沙,在基坑开挖和地下结构施工中，必须防止流沙，以免支护失效发生重大基坑坍塌事故。,16,上海、广东、江苏、山东、浙江等地均有多雨季节，地下水充沛，基坑土方开挖时排水或降水不当，均有可能造成支护结构失效坍塌事故。,基坑支护结构外侧因泥沙随水渗流进入基坑，造成局部沉陷坍塌事故,17,流砂的形成原因,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,流砂形成的条件,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,流砂,18,砂土孔隙度大,砂土渗透系数愈小排水性能差，愈易形成流砂,砂土中含有较多的片状矿物，易形成流砂,流砂的防止措施,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,流砂,19,井点降水防止流砂,20,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,d,60,/d,10,大于10,两种相互接触土层渗透系数比,k,1,/k,2,大于2,渗透的水力坡度大于临界水力坡度,管涌,21,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,22,23,水库副坝产生管涌,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,突涌产生条件与防治措施,承压水层顶板厚度：,减压井,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,24,基坑突涌,25,26,第三节 降低地下水的方法,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,27,引渗法,管井法,大口井法,辐射井法,降水技术的发展,降水技术有一百多年的历史,最早采用明排或竖井降水,1896年，柏林地铁施工第一次用深井降水,19251930年，真空泵井点,1939年，德国在,Salzg-itter,铁路一段长距离挖方中采用电渗稳定边坡,1950年以来：多级井点、喷射井点、辐射井点,28,井点类型及适用范围,井点类型,渗透系数,降水深度,最大井距,主要原理,单级轻型井点,0.120,m/d,3,6,m,1.62,m,地上真空泵或喷射嘴真空吸水,多级轻型井点,6,20,喷射井点,0.120,8,20,2,3m,地下喷射嘴真空吸水,电渗井点,0.1,5,6,极距,1m,钢筋阳极加速渗流,管井井点,20200,3,5,2050,单井真空泵、离心泵,深管井井点,10250,25,30,3050,单井潜水泵排水,水平辐射井点,大面积降水,平管引水至大口井排出,引渗井点,不透水层下有渗存水层,打穿不透水层，引至下一存水层,29,降水方法,明排法,原理,30,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2.0,m,渗透系数小于0.5,m/d，,降水深度小于2.0,m,单独使用或联合使用,31,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0.4,m,以外，排水沟离开坡脚不小于0.3,m，,在基坑四角或每隔3040,m,设置1个集水井（坑）,排水沟底面应比挖土面低0.30.4,m，,集水井（坑）,比沟底低0.5,m,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,32,1-,排水明沟；,2-,集水井；,3-,离心式水泵；,4-,设备基础或建筑物基础边线；,5-,原地下水位线；,6-,降低后地下水位线,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,36,降水方法,轻型井点,原理,适用条件,k=0.120m/d,单级降深：小于6,m,二级降深：,612m,37,在地下水丰富地区，当土的渗透系数为,0.1,1m/d,时，常采用轻型井点降水。,38,39,轻型井点全貌图,40,二级轻型井点,41,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,0.71.2m,井点间距0.82.40,m,主要设备：,井点管：直径38 55,mm，,长度5 7,m，,下端1 1.7,m,为滤管，孔眼直径12 18,mm，,包滤,连接管：胶皮管、钢管、塑料管，直径38 55,mm,42,线状布置,43,封闭状布置,44,45,轻型井点降水一般适用于粉、细砂，粉土，粘质粉土和粉质粘土等渗透系数较小（,0.120m/d,）的弱含水层中降水，降水深度单层不大于,6m,，双层不大于,12m,。,降水方法,轻型井点,主要设备：,集水管：直径100 127,mm，,分节连接，长度5,m，,法兰盘连接，每隔0.8 1.6,m,设一连接井点管的接头,抽水设备：,真空泵,射流泵,46,轻型井点降水系统构成,总管,井点管,弯连管,47,真空泵,48,轻型井点降水,喷射混凝土坡面保护,49,滤管构造,50,真空泵原理,51,射流泵原理,集水总管,射流器,离心泵,压力表,循环水箱,真空表,52,53,喷射井点,适用条件,土层渗透系数,K=0.120m/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,1.53m,成孔直径,400600mm,54,电渗井点,原理,55,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,0.1m/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,56,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,57,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,210m,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,400600mm,58,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,1.0m/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,59,管井井点构造,60,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,61,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,62,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,63,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,20,200m/d,。,64,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,65,钢管深管井井点,井孔,粘土封口,50,出水管,电缆,砾石滤,水层,375,钢井管,潜水电泵,滤水管,滤网,导向段,开孔底板,中粗砂,75,总管,钢板井盖,50,出水管,无砂混凝土管深管井井点,井孔,潜水电泵,砾石滤水层,沉砂管,无砂混凝土滤水管,沉砂管,粘土封口,66,67,-,16,4,68,69,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,70,大口径井构造,71,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,72,73,第四节 降水的设计计算,有关降水的基本概念,地下水的种类,按埋藏条件分：上层滞水、潜水、层间水,上层滞水：局部性、多层、在潜水之上,潜水：第一个连续分布隔水层上部的水，受雨水和地表水影响，潜水层面标高即为水位标高,层间水：埋藏于两个隔水层之间的水，包括,承压水和非承压水,74,各种地下水的垂直分布,75,降水的基本概念,降水井的类型,76,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,潜水完整井,潜水非完整井,承压完整井,承压非完整井,水井的分类,77,地下水向井的运动特征,(1),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,H,0,(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=H,0,(x,y,0)-H(x,y,t),将,S,称为水位降深，简称,降深,。,(2),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；,(3),影响半径,是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,降水设计的资料,水文地质资料,含水层的性质、厚度、渗透系数、地下水补给条件、水流方向及水力坡度、地下水埋藏深度、水位高度和动态水位变化资料、井的类型等,建筑工程对降水的要求,建筑平面布置、范围及周边建筑物分布和结构；基础埋深、设计要求的水位降深；抽水引起土层压缩变形的允许范围和大小；支护形式和开挖方式；相关工程经验资料,79,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,80,某基坑及井群平面布置图,81,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,82,常规降水方法适用条件,83,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：,降水工程设计,基坑涌水量计算,均质含水层潜水完整井,Q,基坑涌水量,K,渗透系数,S,水位降深,H,含水层厚度,R,降水影响半径,r,0,基坑等效半径,88,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：,降水工程设计,基坑涌水量计算,基坑等效半径,圆形基坑：,非圆形基坑：,矩形：,不规则：,92,降水工程设计,基坑涌水量计算,降水影响半径,潜水层,承压水层,93,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：1.52.5,m,3,/h,计算公式：,单井,出水能力（,m,3,/h,）,滤管直径（,m,）,滤管长度（,m,）,渗透系数（,m/d,）,94,降水工程设计,单井涌水量计算,喷射井点出水能力,规范推荐值：4.2230.0,m,3,/h,计算公式：,管井出水能力,单井,出水能力（,m,3,/h,）,滤管直径（,m,）,滤管长度（,m,）,滤管淹没长度（,m,）,渗透系数（,m/d,）,与渗透系数有关经验系数,95,经验系数 取值,96,降水工程设计,井距、井数、井深,井数,井距,97,降水工程设计,井距、井数、井深,98,降水工程设计,井距、井数、井深,99,式中,S,基坑水位降深，,m,；,h,1,地下水位至集水总管的距离，,m,；,i,水力梯度，一般可取,0.1,；,l,1,管井中心至基坑中心的距离,l,1,=r,0,；,m,；,l,2,滤管长度，,m,，通常取,1.21.5m,。,100,连续墙入土深度与降水井深度,工程项目,连续墙入土深度（,m,）,降水井,布设,降水井,深度,（,m,）,井中水位深度（,m,）,基坑内地下水位深度（,m,）,1,外环越江隧道浦西岸边段连接井与风井降水工程,44,46,坑内,降水,50,45,31.00,33.00,2,上海复兴东路高压电缆隧道工程工作井降水工程,44.30,坑内,降水,60,50,34.39,3,上海吴、闵污水外排工程,3.1,标工作井降水工程,47.80,坑内,降水,62,52,36.00,案例,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,）,101,102,第五节 降水施工,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,103,降水施工,104,降水施工,105,降水施工,106,107,第六节 工程降水对环境影响及其防范措施,工程降水对环境影响及其防范措施,分层总合法,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,108,降水引起地面沉降防范措施,降水前认真做好调查,合理使用井点,减少细颗粒流失,减缓降水漏斗坡度,合理控制井点运行,设置回灌系统,设置隔水帷幕,冻结法的应用,109,回灌系统布置,110,回灌井点水位图,111,112,第七节 工程实例,工程降水设计计算实例,工程条件：,某工程基坑开挖下口线尺寸为19,m,10m，,基坑开挖深度为4.1,m，,采用1:0.5放坡开挖。工程,0.00,为自然地面标高，地下水位为-0.6,m。,根据岩土工程勘察报告，场地地面下0.7,m,为杂填土，以下为6.6,m,的细砂层，其渗透系数,K=5m/d，,再往下为不透水的粘土层。试用单级轻型完整井点对该工程进行降水设计。,113,工程降水设计计算实例,过程,降水方法的选择,单级轻型井点,含水层渗透系数,K=5m/d,降水深度：,S=4.1-0.6+0.5=4.0m,相关参数的确定,井点轴线：距基坑开挖上口线0.8,m,基坑开挖上口线尺寸：按1:0.5放坡计，23,m,14m,基坑降水面积：24.6,m,15.6m,井点深度：按完整井考虑，取7.3,m,114,工程降水设计计算实例,过程,绘制计算图,115,工程降水设计计算实例,过程,基坑涌水量计算,含水层厚度,：,H=7.3-0.6=6.7m,降水深度：,S=4.1-0.6+0.5=4.0m,基坑等效半径：,抽水影响半径：,基坑总涌水量：,116,工程降水设计计算实例,过程,计算单井出水量、井点数和井点距,单井出水量：,井点管数：,考虑边角加密，增加8根，共30根,井点距：,实际井点数,117,工程降水设计计算实例,过程,绘制井点分布图,118,工程降水设计计算实例,过程,降低水位预测,119,工程实例设计,降水设计计算,工程条件：,某工程基坑开挖下口线尺寸为32,m,18m，,基坑开挖深度为8.0,m，,采用1:0.5放坡开挖。工程,0.00,为自然地面标高，地下水位为-2.6,m。,根据岩土工程勘察报告，场地地面下1.5,m,为杂填土，以下为,10m,的粗砂层，其渗透系数,K=10m/d，,再往下为不透水的粘土层。试采用单级轻型完整井点对该工程进行降水设计（井管直径取,50mm,）。,120,工程降水设计计算实例,过程,降水方法的选择,单级轻型井点,含水层渗透系数,K=10m/d,降水深度：,S=8+0.5-2.6=5.9m,相关参数的确定,井点轴线：距基坑开挖上口线0.8,m,基坑开挖上口线尺寸：按1:0.5放坡计，,40m,26m,基坑降水面积：,41,.6,m,27.6m,井点深度：按完整井考虑，取,11.5m,121,工程降水设计计算实例,过程,基坑涌水量计算,含水层厚度,：,H=11.5-2.6=8.9m,降水深度：,S=8+0.5-2.6=5.9m,基坑等效半径：,抽水影响半径：,基坑总涌水量：,122,工程降水设计计算实例,过程,计算单井出水量、井点数和井点距,单井出水量：,井点管数：,考虑边角加密，增加8根，共,53,根,井点距：,实际井点数,123,