現(xiàn)代施工技術(shù)(2)---深基坑降水與土方開(kāi)挖

1、深基坑降水與土方開(kāi)挖碩士生課程碩士生課程-現(xiàn)代施工技術(shù)現(xiàn)代施工技術(shù)l 1 降低地下水降低地下水l降水方法：集水井降水、井點(diǎn)降水降水方法：集水井降水、井點(diǎn)降水l集水井降水：在開(kāi)挖基坑時(shí)沿坑底周?chē)_(kāi)挖排集水井降水：在開(kāi)挖基坑時(shí)沿坑底周?chē)_(kāi)挖排水溝（最小縱向坡度為水溝（最小縱向坡度為0.2%0.5%，每隔一定，每隔一定距離（最大距離（最大3040m）設(shè)集水井，使基坑內(nèi)挖）設(shè)集水井，使基坑內(nèi)挖土?xí)r滲出的水經(jīng)排水溝流向集水井，然后用水土?xí)r滲出的水經(jīng)排水溝流向集水井，然后用水泵排出基坑。排水溝和集水井的截面尺寸取決泵排出基坑。排水溝和集水井的截面尺寸取決于基坑的涌水量。若基坑開(kāi)挖深度較大，地下于基坑的涌水

2、量。若基坑開(kāi)挖深度較大，地下水的動(dòng)水壓力和土的組成有可能引起流砂、管水的動(dòng)水壓力和土的組成有可能引起流砂、管涌、坑底隆起和邊坡失穩(wěn)。涌、坑底隆起和邊坡失穩(wěn)。l1.1地下水流的基本性質(zhì)地下水流的基本性質(zhì)l1.1.1動(dòng)水壓力和流砂動(dòng)水壓力和流砂l(fā)地下水的類型：潛水和層間水（圖1-1）l從水的流動(dòng)方向取一柱狀土體A1A2作為脫離體，其橫截面面積為F、Z1、Z2為A1、A2在基準(zhǔn)面以上的高程。l由于H1H2,存在壓力差,水從A1流向A2,作用于脫離體A1A2上的力有:lwh1F A1 處的總水壓力,其方向與水流方向一致;lwh2F A2處的總水壓力,其方向與水流方向相反;lnwLFcos 水柱重量在水

3、流方向的分力(n為土的孔隙率);l(1-n)wLFcos 土骨架重力在水流方向的分力;lLFT 土骨架對(duì)水流的阻力(T為單位阻力);l由靜力平衡條件:0LFTcosLF)ncosLFnFhFhww2w1wLZZcos210LT)Zh()Zh(2211wILHHTw21wl設(shè)水在土中滲流時(shí)，對(duì)單位土體的壓力為GD，有牛頓第三定律得：l通常工程上將GD稱為動(dòng)水壓力，動(dòng)水壓力GD與水力坡度成正比，即水位差愈大動(dòng)水壓力愈大；滲流路線愈長(zhǎng)，動(dòng)水壓力愈小。動(dòng)水壓力的作用方向與水流方向相同。當(dāng)水流在水位差作用下對(duì)土顆粒產(chǎn)生向上的壓力時(shí)，動(dòng)水壓力不但使土顆粒受到水的浮力，而且還使土顆粒受到向上的壓力，當(dāng)動(dòng)水壓

4、力等于或大于土的浸水重度時(shí)，即：l則土顆粒失去自重，處于懸浮狀態(tài)，土的抗剪強(qiáng)度等于零，土顆粒能隨著滲流的水一起流動(dòng)，此現(xiàn)象被稱為流砂。ITGwDwDGl1.1.2 滲透系數(shù)滲透系數(shù)l達(dá)西定律：v=KIl當(dāng)水力坡度I等于1時(shí)的滲透速度即為滲透系數(shù)K。其常用單位m/d、m/s。l土的滲透性取決于土的形成條件、顆粒級(jí)配、膠體顆粒含量和土的結(jié)構(gòu)等因素。一般用穩(wěn)定流的裘布依（Dupuit)公式計(jì)算滲透系數(shù)。l l 1.2井點(diǎn)降水井點(diǎn)降水l我國(guó)于1952年用于實(shí)際工程，目前技術(shù)手段已較為完善。l井點(diǎn)降水方法有：輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)、深井井點(diǎn)。l管井井點(diǎn)是圍繞開(kāi)挖的基坑每隔一定距離（205

5、0m）設(shè)置一個(gè)管井，每個(gè)管井單獨(dú)用一臺(tái)水泵（離心泵、潛水泵）進(jìn)行抽水，以降低地下水位，適用于滲透系數(shù)較大（K=20200m/d）、地下水量大的土層中。深井井點(diǎn)深井井點(diǎn)是在管井內(nèi)設(shè)置深井泵，可以降水位降是在管井內(nèi)設(shè)置深井泵，可以降水位降低到更深的深度，若采用帶真空設(shè)備的深井泵，低到更深的深度，若采用帶真空設(shè)備的深井泵，在滲透系數(shù)較小的淤泥質(zhì)粘土中亦能使用。在滲透系數(shù)較小的淤泥質(zhì)粘土中亦能使用。降水方法和設(shè)備的選擇，取決于降水深度、土的降水方法和設(shè)備的選擇，取決于降水深度、土的滲透系數(shù)、工程特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。滲透系數(shù)、工程特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。l1.2.1輕型井點(diǎn)輕型井點(diǎn)l（1）輕型井點(diǎn)設(shè)備l輕型

6、井點(diǎn)設(shè)備包括：濾管、井管、集水總管、連接管、水泵和動(dòng)力裝置。l濾管濾管為進(jìn)水設(shè)備，通常采用長(zhǎng)11.5m，直徑38mm或51mm的無(wú)縫鋼管，管壁鉆有直徑為12 19mm的濾孔。骨架外面包以兩層孔徑不同的生絲布或塑料布濾網(wǎng)。在骨架與濾網(wǎng)之間用塑料管或梯形鋼絲隔開(kāi)，塑料管沿骨架繞成螺旋形。濾網(wǎng)外再繞一層粗鋼絲保護(hù)網(wǎng)。l井點(diǎn)管井點(diǎn)管為直徑38mm或51mm、長(zhǎng)57m的無(wú)縫鋼管，井點(diǎn)管上端用彎管與總管相連。l集水總管集水總管為直徑100127mm的無(wú)縫鋼管，每段長(zhǎng)4m，其上裝有與井點(diǎn)管連接的短接頭，間距0.8或1.2m。l抽水設(shè)備抽水設(shè)備根據(jù)水泵及動(dòng)力設(shè)備不同，有干式真空泵、射流泵及隔膜泵等，其抽吸深度

7、與總管負(fù)荷有關(guān)。常用W5、W6型干式真空泵，其抽吸深度為57m，最大負(fù)荷長(zhǎng)度分別為100m和120m。l（2）輕型井點(diǎn)布置與計(jì)算）輕型井點(diǎn)布置與計(jì)算l井點(diǎn)系統(tǒng)布置應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料、工程要求和設(shè)備條件等綜合確定。l布置與計(jì)算的步驟為：平面布置高程布置計(jì)算井點(diǎn)管數(shù)量調(diào)整設(shè)計(jì)。l平面布置平面布置l單排布置：適用于基坑寬度小l于6m，且降水深度不超過(guò)5ml的情況。l雙排布置：適用于基坑寬度大l于6m或土質(zhì)不良的情況。l環(huán)形布置：適用于大面積基坑。lU形布置：便于土方施工機(jī)械l進(jìn)出基坑。l高程布置高程布置l高程布置即確定井點(diǎn)管的埋深。可按下式計(jì)算：l式中 h井點(diǎn)管埋深（m）；l h1總管埋設(shè)面至基底的

8、距離（m）；l h基底至降水后的地下水位線的距離（m）；l i水力坡度；l L井點(diǎn)管至水井中心的距離，當(dāng)井點(diǎn)管為單排布置時(shí)，L為 井點(diǎn)管至邊坡腳的水平距離（m）。iLhhh1l計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足下式：l式中 hpmax抽水設(shè)備的最大抽吸深度。l在上述公式中的有關(guān)參數(shù)按下述取值：l（1） h一般取0.51m。l（2）i的取值：?jiǎn)闻挪贾茫?/41/5；雙排布置，1/7；環(huán)形布置1/10。l（3）L為井點(diǎn)管至基坑中心的水平距離，當(dāng)基坑井點(diǎn)管為環(huán)形布置時(shí)，L取短邊方向的長(zhǎng)度。l（4）井點(diǎn)管布置應(yīng)離坑邊一定距離（0.71m），以防止邊坡塌土而引起局部漏氣。maxphh l井點(diǎn)系統(tǒng)涌水量的計(jì)算井點(diǎn)系統(tǒng)涌水量的

9、計(jì)算l根據(jù)地下水有無(wú)壓力井點(diǎn)系統(tǒng)分為有壓井和無(wú)壓井，根據(jù)井點(diǎn)管是否抵達(dá)不透水層井點(diǎn)系統(tǒng)分為完整井和非完整井。l水井計(jì)算簡(jiǎn)圖水井計(jì)算簡(jiǎn)圖lA 無(wú)壓完整井無(wú)壓完整井l設(shè)不透水層基底為X軸，取井中心軸為Y軸，將距井軸X處水流斷面近似地看作一垂直的圓柱面，其面積為：l由達(dá)西定律得裘布依單井涌水量計(jì)算式：l水位降落曲線在x=r處，y=l；在x=R處，y=H，有：l又l=H-Sl群井涌水量計(jì)算公式為xy2dxdyxyK2KiVQRrHlxdxKQydy2rlnRlnS)SH2(KQ00 xlg)xRlg(S)SH2(K366. 1QlB 無(wú)壓非完整井無(wú)壓非完整井lC 承壓完整井承壓完整井lD 承壓非完整井

10、承壓非完整井00 xlgRlgS)SH2(K366. 1Q0 xlgRlgKMS73. 2QMlM2r5 . 0lMxlgRlgKMS73. 2Q0l上述公式中基本參數(shù)的確定l1）基坑假想圓半徑x0，對(duì)于矩形基坑其長(zhǎng)寬比不大于5時(shí)，l式中 F基坑井點(diǎn)管所包圍的面積。l2）抽水影響半徑Rl式中 K的單位為m/s。l3）抽水影響深度H0Fx0HKS575R l單根井管的抽水能力單根井管的抽水能力l式中 q單根井管的極限涌水量（m3/d）l d濾管的直徑（m）l K土的滲透系數(shù)（m/d）l井管的數(shù)量井管的數(shù)量l井管的平均間距井管的平均間距l(xiāng)式中 L、B矩形井點(diǎn)系統(tǒng)的長(zhǎng)度和寬度3Kdl65qqQn n

11、)BL(2bl1.2.2 噴射井點(diǎn)噴射井點(diǎn)l（1）工作原理l噴射井點(diǎn)為深層降水，其一層井點(diǎn)可把地下水位降低820m，甚至超過(guò)20m。其工作原理如圖所示。l（2）構(gòu)造設(shè)計(jì)）構(gòu)造設(shè)計(jì)l在滲透系數(shù)大于50m/d的土層中，主要解決單井抽水能力增大問(wèn)題；在滲透系數(shù)大于50m/d的土層中，主要解決將地下水從土層中更快的聚集到井點(diǎn)管中的問(wèn)題。l噴射井點(diǎn)管單井的抽水、抽氣能力，主要取決于噴嘴直徑大小、噴嘴直徑與混合室直徑之比、混合室的長(zhǎng)度等。l構(gòu)造設(shè)計(jì)的步驟：l1）首先根據(jù)基坑涌水量計(jì)算結(jié)果和井點(diǎn)的布置，確定噴射井點(diǎn)所需的單井排水量Q0和噴射井點(diǎn)所需的揚(yáng)程H；l2）根據(jù)所需揚(yáng)程，計(jì)算噴射井點(diǎn)的工作水壓力P1；

12、l式中 b 揚(yáng)程與工作水壓力之比，按表取值。H1 . 0P1l3）確定噴射井點(diǎn)的工作水流量Q1;l式中 a 吸入水流量與工作水流量之比，按表取值。l4）確定噴嘴直徑l 其中l(wèi) l5）確定混合室直徑、混合室長(zhǎng)度l M為混合室直徑與噴嘴直徑之比01QQ3600V10Q19d1611gH2V11512rdLMddl6）擴(kuò)散室長(zhǎng)度l式中 d3 噴射井內(nèi)管直徑l d2 混合室直徑l7）確定噴射井點(diǎn)內(nèi)管兩側(cè)進(jìn)水孔的高度L1l式中 a 兩側(cè)進(jìn)水孔寬度，v取1.52m/s。l8）噴嘴頸縮部分長(zhǎng)度L2及噴嘴圓柱形部分長(zhǎng)度L1l L2=2.5d1l L3=(1.01.5)d1l式中 d1 噴嘴直徑)2d2d(5

13、. 8L2363600Va210QL611l9）噴射井點(diǎn)內(nèi)管直徑d3和外管直徑d4l式中 Q0噴射井點(diǎn)的單井排水量（m3/h)l Q1 噴射井點(diǎn)的工作水流量（m3/h)l v 工作水允許的最大流速（m/s)3600v10QQ4d61033600v10Q4d604l（3）使用與布置）使用與布置l1）布置l 當(dāng)基坑寬度小于10m可單排布置，大于10m則雙排布置；當(dāng)基坑面積較大時(shí)，宜環(huán)狀布置。l 井點(diǎn)間距一般為23m，埋設(shè)時(shí)充孔直徑約為400600mm，深度應(yīng)大于濾管底1m以上。l2）使用la 揚(yáng)水裝置的加工質(zhì)量和精度非常重要，否則會(huì)增大工作水流，影響抽水效果；如果噴嘴、混合室和擴(kuò)散室的軸線不重合，

14、則會(huì)降低真空度。lb工作水要干凈，不得含泥砂和其他雜物。lc為防止工作水反灌，應(yīng)在濾管下端增設(shè)逆止水閥。ld主要使用的為2.5型噴射井點(diǎn)。l1.2.3 電滲井點(diǎn)電滲井點(diǎn)l電滲井點(diǎn)是在降水井點(diǎn)管的內(nèi)側(cè)打入金屬棒（鋼筋、鋼管等），連以導(dǎo)線。以便井點(diǎn)管為陰極，金屬棒為陽(yáng)極，通入直流電后，土料自陰極向陽(yáng)極移動(dòng)，稱為電泳現(xiàn)象，使土體固結(jié)；地下水自陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，稱電滲現(xiàn)象，使軟土地基易于排水，如圖示。l電滲井點(diǎn)以輕型井點(diǎn)管或噴射井點(diǎn)管作陰極，2025的鋼筋或 5075的鋼管作為陽(yáng)極，埋設(shè)在井點(diǎn)管的內(nèi)側(cè)，與陰極并列或交錯(cuò)排列。當(dāng)用輕型井點(diǎn)管時(shí)，兩者的距離為0.81.0m；當(dāng)用噴射井點(diǎn)時(shí)則為1.21.5m。

15、陽(yáng)極入土深度應(yīng)比井點(diǎn)管深500mm，露出地面200400mm。工作電壓不宜大于60V，土中通電的電流密度宜為0.51.0A/m2。通電時(shí)，為了消除由于電解作用產(chǎn)生的氣體聚集在電極的附近，使土體電阻增大，加大電能消耗，宜采用間隔通電法，即每通電24h，停電23h。l1.2.4 真空深井井點(diǎn)真空深井井點(diǎn)l每一個(gè)井點(diǎn)由井管和濾管組成，并單獨(dú)配備一臺(tái)電機(jī)和一臺(tái)真空泵。開(kāi)動(dòng)后達(dá)到一定的真空度，則可達(dá)到深層降水的目的。適用于滲透系數(shù)較小的粘性土或淤泥質(zhì)粘性土。l施工程序：鉆孔清孔沉管安裝真空泵及電機(jī)l注意事項(xiàng)：由于井管較長(zhǎng)，挖土至一定深度后，自由端較長(zhǎng)，井管應(yīng)與附近的支護(hù)結(jié)構(gòu)相連，并予以固定。在挖土過(guò)程中

16、，要注意保護(hù)深井泵，避免挖土機(jī)碰撞。l每臺(tái)泵的降水服務(wù)范圍約200 m2 。l1.2.4 井點(diǎn)降水預(yù)防周?chē)孛娉两档拇胧┚c(diǎn)降水預(yù)防周?chē)孛娉两档拇胧﹍因降水引起的地面沉降，在理論上可按下式計(jì)算：l式中 su(x)離降水設(shè)備x距離處的地面沉降值；l Esui 第i層土的壓縮模量；l u(x)i 離降水設(shè)備x處，第i層土內(nèi)降水前后孔隙水壓力的變化量；l hi 第i層土的厚度。l（一）回灌井點(diǎn)技術(shù)，如圖示。l（二）砂溝、砂井回灌l(xiāng)（三）使降水速度減緩l（四）防止將土粒帶出ii )x(n1isui)x(suhuEl基坑開(kāi)挖后，如果邊坡中土體的剪應(yīng)力大于土的抗剪基坑開(kāi)挖后，如果邊坡中土體的剪應(yīng)力大于土

17、的抗剪強(qiáng)度，則邊坡就會(huì)滑動(dòng)失穩(wěn)。強(qiáng)度，則邊坡就會(huì)滑動(dòng)失穩(wěn)。l邊坡穩(wěn)定的研究方法：邊坡穩(wěn)定的研究方法：l第一類方法：第一類方法：利用彈性、塑性或彈塑性理論確定土體利用彈性、塑性或彈塑性理論確定土體的應(yīng)力狀態(tài)。此法對(duì)于邊界條件比較復(fù)雜的土坡難以的應(yīng)力狀態(tài)。此法對(duì)于邊界條件比較復(fù)雜的土坡難以得到精確解。通常采用有限元法求解。得到精確解。通常采用有限元法求解。l第二類方法：第二類方法：假定土體沿著一定的滑動(dòng)面而進(jìn)行極限假定土體沿著一定的滑動(dòng)面而進(jìn)行極限平衡分析。在極限平衡法中，條分法由于能適應(yīng)復(fù)雜平衡分析。在極限平衡法中，條分法由于能適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、各種土質(zhì)和孔隙水壓力，因而成為最常的幾何形狀、各

18、種土質(zhì)和孔隙水壓力，因而成為最常用的方法。用的方法。l2.1 瑞典圓弧滑動(dòng)面條分法（瑞典圓弧滑動(dòng)面條分法（Fellenius法）法）l（一）基本原理l假定滑動(dòng)面以上的土體分成n個(gè)垂直土條，對(duì)作用于各土條上的力進(jìn)行力和力矩平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)。該法忽略了土條之間的相互作用力的影響。l邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)：l式中 滑動(dòng)圓弧的長(zhǎng)度 l 滑動(dòng)面上的平均抗剪強(qiáng)度l R滑動(dòng)圓弧的半徑l W滑動(dòng)土體的重量l d W作用線對(duì)滑動(dòng)圓心O的距離l A滑動(dòng)面積l如K1.0，邊坡穩(wěn)定；K= 1.0，邊坡處于極限平衡狀態(tài)； K1.0，邊坡穩(wěn)定處于不穩(wěn)定狀態(tài)。AdRLWdRLKiiLil確定滑動(dòng)圓

19、心確定滑動(dòng)圓心Ol1.內(nèi)摩擦角f=0的高塑性粘土l（1）由表根據(jù)坡角a查出坡底角b1和坡頂角b2l（2）在坡底和坡頂分別畫(huà)出坡底角和坡頂角，兩線的交點(diǎn)O，即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的滑動(dòng)圓心。l2.內(nèi)摩擦角f0的土l(1)按上述步驟求出O點(diǎn);l(2)由A點(diǎn)垂直向下量一高度,該高度等于邊坡的高度H,得C點(diǎn),由C點(diǎn)水平向右量一距離,使其等于4.5倍H而得D點(diǎn),連接DO;l(3)在DO延長(zhǎng)線上找若干點(diǎn),作為滑動(dòng)圓的圓心,畫(huà)出坡角圓,試算出K值較小的E點(diǎn);l(4)于E點(diǎn)畫(huà)出DO延長(zhǎng)線的垂線,再于此垂線上找出若干點(diǎn)作為滑動(dòng)圓圓心,試算K值,直到找出K值最小的O點(diǎn),則O點(diǎn)即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓心.l（二）圓弧滑動(dòng)面條分

20、法計(jì)算方法（二）圓弧滑動(dòng)面條分法計(jì)算方法lci分條的內(nèi)聚力； bi 分條寬度；lli分條的圓弧長(zhǎng)度； hi 分條高度（平均值）；lfi 分條土的內(nèi)摩擦角； ai 分條的坡角lgi 分條土的重力密度；n1iiiiin1in1iiiiiiiin1iiin1in1iiiiisinhbtgcoshblcsinWRtgNlcK滑動(dòng)力矩抗滑力矩2.2 比肖夫（比肖夫（Bishop）法）法與Fellenius法的不同之處在于考慮了豎面上的法向力和切向力。 有效內(nèi)聚力； 有效法向應(yīng)力； 有效內(nèi)摩擦角 計(jì)算安全系數(shù)應(yīng)采用逐次逼近法；若假定(T1-T2)tgf=0，則計(jì)算簡(jiǎn)化。首先假定一個(gè)K值，然后將其與c、f、

21、u和a值帶入計(jì)算式中，算出一個(gè)K值，若計(jì)算值與假定值相差滿足要求，則計(jì)算終止，否則繼續(xù)計(jì)算。 K/sintgcossinQWtgTTcosulQWcoslcK21cl2.3 泰勒（泰勒（Taylor）法）法l在總應(yīng)力基礎(chǔ)之上，假定內(nèi)聚力不隨深度變化。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果繪制圖表，利用圖表分析簡(jiǎn)單邊坡的穩(wěn)定。l式中 g土的重度（KN/m3）l c 土的內(nèi)聚力（kpa）l Hc 邊坡的臨界高度(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，求安全系數(shù)KcHNcsl2.4 極限分析法極限分析法l兩條定理：l1.如果能斷定平衡外荷的應(yīng)力是均衡分布的,而且不違反包括內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角在內(nèi)的屈服準(zhǔn)則，則土體不會(huì)破壞，或處于瀕臨破壞的瞬間。l2.如果外荷所作的功率超過(guò)了內(nèi)能耗散率而產(chǎn)生任何塑性變形,則土體將破壞。l外功率：l沿破壞面的內(nèi)能耗散率：l保持穩(wěn)定的土坡高度)sin(ctgH21P21wcossincHP2wcos)sin(cosc2Hl3.1 開(kāi)挖前的準(zhǔn)備工作開(kāi)挖前的準(zhǔn)備工作l（1）了解土的種類;l（2）地下設(shè)施埋設(shè)情況;l（3）土方工程的施工工期質(zhì)量條件及施工條件;l（4）土方運(yùn)輸出口;l（5）施工區(qū)域的地形、水文及周?chē)h(huán)境;l（6）場(chǎng)地清理、排除地面水和測(cè)量放線工作。l3.2 開(kāi)挖方法開(kāi)挖方法l多采