第二章 施工排水及地基處理

第二章施工排水及

地基處理

第二章施工排水及地基處理

第一節(jié)明溝排水法第二節(jié)人工降低地下水位法第三節(jié)地基處理學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握明溝排水法的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)布置的要求及涌水量計(jì)算；2.了解人工降低地下水位常采用的井點(diǎn)排水的方法種類，掌握輕型井點(diǎn)法系統(tǒng)設(shè)計(jì)，了解各種井點(diǎn)系統(tǒng)的施工和使用；3.了解常用的地基處理的方法，掌握換土墊層方法；重點(diǎn)和難點(diǎn)1.輕型井點(diǎn)法系統(tǒng)設(shè)計(jì)開挖基坑或溝槽時(shí)的地下水：A影響正常施工；B造成地基承裁力降低；C邊坡坍塌事故。施工排水內(nèi)容：地下水、地表水排除。地表水：筑堤截水，設(shè)溝引水地下水：明溝排水法、人工降低地下水位法目的：改善槽底施工條件，穩(wěn)定邊坡；穩(wěn)定槽底；防止地基土承載力下降第一節(jié)明溝排水法

明溝排水法是在管溝或基坑開挖時(shí)，在溝（坑）底設(shè)置集水井（坑），在溝（坑）底周圍或中央開挖排水溝，使地下水沿排水溝流入集水井中，然后用水泵抽走的方法。抽水工作應(yīng)持續(xù)到整個(gè)地段管線下溝、回填工序結(jié)束后才能停止。1.1排水溝、集水井、水泵的布置1.排水溝的位置：先中間，后側(cè)邊；設(shè)置在基礎(chǔ)以外排水溝的尺寸：一般底寬及溝深不小于0.3m縱向坡度不小于1%，坡向集水井2.集水井位置：井底距槽底1-2米，一般間隔50-150米集水井尺寸：直徑或?qū)挾葹?.7-0.8米，具體應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、地下水量及水泵的抽水能力而定3.水泵的選用選擇水泵的主要參數(shù)是：流量、揚(yáng)程。流量：為管溝、基坑滲水量的1.5～2.0倍。水泵的揚(yáng)程=高差+摩阻損失（實(shí)際揚(yáng)程的15%～30%估算）（1）離心泵工作能力：抽水能力大，適用于地下水量較大的基坑，又分為清水泵、混水泵。工作原理：葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將輪心處的水甩往輪邊，再沿出水管壓到高處；葉輪的中心形成部分真空；在大氣壓作用下，地下水不斷地從吸水管內(nèi)自動上升，進(jìn)入水泵采用離心泵時(shí)，要特別注意吸水管接頭不能漏氣，且吸水口至少應(yīng)在水面以下500mm，以防吸入空氣。啟動離心泵時(shí)，必須先向泵體和吸水管內(nèi)灌滿水，排除空氣，然后才能開泵抽水。（2）潛水泵潛水泵工作時(shí)要全部浸入水中；泵小、輕、移動方便、安裝簡單，開泵時(shí)不需引水，在基坑排水中采用較廣。綜合反映土體滲透能力的指標(biāo)，又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)。在數(shù)值上等于水力坡度為1時(shí)，通過單位面積的滲流量。滲透系數(shù)愈大，透水性越強(qiáng)，反之越弱。

1.2涌水量計(jì)算1.管溝、基坑處于一般地段或干河床時(shí)Q——總滲水量，m3/晝夜；K——土壤滲透系數(shù)，m／晝夜，見表2-1S——要求地下水位降深，m；R——滲水影響半徑，m；R0——溝、坑計(jì)算半徑，m。排水溝、集水井?dāng)嗝娉叽绾退昧髁窟x擇的依據(jù)滲水影響半徑R的確定滲水影響半徑R與土壤滲透系數(shù)、含水層厚度、水位降落值及抽水時(shí)間等因素有關(guān)。一般以抽水2～5天后水位降落曲線基本穩(wěn)定時(shí)為計(jì)算條件，此時(shí)可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。式中S——要求水位降落值，m；H——含水層厚度，m；K——土壤滲透系數(shù)，m/晝夜。當(dāng)含水層厚度無限大時(shí)，R值可從參考表選取計(jì)算半徑R0的確定對管溝和矩形基坑：圓形基坑：R0為基坑地下水位內(nèi)的平均半徑；不規(guī)則基坑：

L、B—基坑的平均長度和平均寬度，m；

F—不規(guī)則基坑的平均面積，m。2.管溝、基坑靠近河邊時(shí)（）

式中L——管溝基坑離河岸距離，m；明溝排水法的適用范圍開挖基礎(chǔ)不深或水量不大的溝槽或基坑由于設(shè)備簡單、排水方便，采用較為普遍，適用于粗粒土層（土粒粗不致被水流帶走）、滲水量小的粘性土；當(dāng)土為細(xì)砂和粉砂時(shí)，地下水滲出會帶走細(xì)粒，發(fā)生流砂現(xiàn)象，導(dǎo)致邊坡坍塌、坑底隆起、施工困難，此時(shí)采用井點(diǎn)降水法。第二節(jié)人工降低地下水位人工降低地下水位是在基坑周圍布設(shè)深于基底的井點(diǎn)進(jìn)行抽水，使地下水水位局部下降至坑底以下，這樣基本消除了地下水對施工的影響。井點(diǎn)降水按降深不同、抽吸原理和抽吸設(shè)備的不同，可分為輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、管井井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)和深井泵井點(diǎn)降水等多種，其適用范圍見表2-3。

2.1輕型井點(diǎn)法

概念：沿管溝或基坑周圍把許多小直徑的井點(diǎn)管埋入地下含水層內(nèi)，井點(diǎn)管上端通過彎管和總管連接，下端通過濾水管和地下含水層連通，利用抽水設(shè)備把地下水從井點(diǎn)管內(nèi)不斷提出，如下圖所示輕型井點(diǎn)系統(tǒng)適用在粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂等土層中降低地下水輕型井點(diǎn)降水全貌圖（單層輕型井點(diǎn)）

。2.1.1輕型井點(diǎn)系統(tǒng)的組成管路系統(tǒng)：井點(diǎn)管（包含濾管）、彎管、總管和閥門等抽水設(shè)備及其它附屬設(shè)備：真空泵、離心水泵、氣水分離器等。1—井點(diǎn)管；2—彎聯(lián)管；3—總管；4—過濾器；5—?dú)馑蛛x器；6—真空表；7—離心泵；8—真空泵1.濾水管位置：井點(diǎn)管下端，埋入含水層規(guī)格：Φ38—55mm，L=1-2m材質(zhì)：無縫鋼管結(jié)構(gòu)：粗鋼絲保護(hù)網(wǎng)、濾水網(wǎng)（內(nèi)外兩層）、螺旋形細(xì)鋼絲、鋼管（5—12mm孔眼）進(jìn)水管面積：A=2mπrdLL避免濾孔淤塞2.井點(diǎn)管位置：下端與濾水管用管箍連接,上端與總管通規(guī)格：直徑與濾水管相同，長度視埋深而定材質(zhì)：無縫鋼管3.彎聯(lián)管位置：連接總管和井點(diǎn)管規(guī)格：Φ38—55mm材質(zhì)：加固橡膠管、鋼管彎頭4.總管位置：與抽水設(shè)備相連規(guī)格：Φ100—150mm，L=4-6m材質(zhì)：鋼管結(jié)構(gòu)：管壁上短管5.抽水設(shè)備真空式抽水設(shè)備：抽水深度5.5-6.5m，真空泵、離心水泵、氣水分離器等射流式抽水設(shè)備：抽水深度9-11m自引式抽水設(shè)備：抽水深度2-4m2.1.2輕型井點(diǎn)設(shè)計(jì)輕型井點(diǎn)降水法設(shè)計(jì)步驟為：1、確定平面布置方案2、確定高程布置方案3、井點(diǎn)系統(tǒng)涌水量計(jì)算（Q)4、井點(diǎn)管數(shù)量計(jì)算(n)5、井距計(jì)算(D)6、井距和井點(diǎn)管數(shù)量的調(diào)整(D、n)7、抽水設(shè)備的選擇1.確定平面布置方案1）系統(tǒng)形式選擇a.單排：在溝槽上游一側(cè)布置，每側(cè)超出溝槽≮B用于溝槽寬度B≤6m，降水深度≤5m。b.雙排：在溝槽兩側(cè)布置，每側(cè)超出溝槽≮B。用于溝槽寬度B>6m，或土質(zhì)不良，以便快速將水抽c.環(huán)形布置：在溝槽四周布置，可以封閉，也可以在基坑下游側(cè)留一段不封閉。用于基坑面積較大時(shí)。2）井點(diǎn)的布置井點(diǎn)管要靠近溝坑，但是距溝坑壁不小于1.0～1.5m，防止局部漏氣，影響抽吸效果。井點(diǎn)管間距一般采用0.8～1.6m，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)，設(shè)備條件或通過計(jì)算確定?？拷恿魈幘c(diǎn)應(yīng)適當(dāng)加密。3）總管的布置比井點(diǎn)管更靠外一些（1.5米），并以1‰——2‰的坡度（坡向抽水設(shè)備），多個(gè)抽水設(shè)備將總管分段4）抽水設(shè)備布置抽水設(shè)備應(yīng)布置在地下水流的上游，并設(shè)在總管中部，以發(fā)揮其最大效能。一套抽水設(shè)備所能帶動的總長度大約在100m左右，5）觀察井的布置為了觀察水位降落情況，應(yīng)在降水范圍內(nèi)設(shè)置若干個(gè)觀測井，觀測井的位置：降低水位不利點(diǎn)，一般在基礎(chǔ)中心、總管末端、局部挖深處等控制點(diǎn)，均應(yīng)設(shè)置觀測井。觀測井由井點(diǎn)管做成，只是不與總管相接。2、確定高程布置方案總管的布置標(biāo)高應(yīng)接近原有地下水位線，抽水設(shè)備的水泵軸心標(biāo)高與總管拉平。井點(diǎn)管埋設(shè)深度必須將濾管埋入儲水層內(nèi)，可按下式計(jì)算：為達(dá)到此目的，同時(shí)不影響地面交通，通常將總管設(shè)置于地面下0.5米處H——井點(diǎn)管設(shè)置深度，m；H1——從井點(diǎn)管埋設(shè)面至管溝底面的距離，m；h——降水后地下水位至管溝底面的安全距離，0.5～1.0mi——水力坡度，經(jīng)驗(yàn)值，單排井點(diǎn)i＝1/4或1/5，雙排或環(huán)形井點(diǎn)i＝1/10—1/15；L——井點(diǎn)管中心至管溝（或基坑）控制水位點(diǎn)（線）的水平距離，l——濾水管長度圖井點(diǎn)管中心至管溝控制水位點(diǎn)的水平距離實(shí)際工程中，井點(diǎn)管均為定型的，有一定標(biāo)準(zhǔn)長度。通常根據(jù)給定井點(diǎn)管長度驗(yàn)算△h，如△h≥0.5~1ｍ，則可滿足。

計(jì)算公式如下：

△h＝Lj－０.２－H１－ｉＬ式中：Lj－井點(diǎn)管長度0.2－井點(diǎn)管露出地面的長度輕型井點(diǎn)法的降水深度以不超過6米為宜，如求出的H值大于6米，則應(yīng)降低井點(diǎn)管和抽水設(shè)備的埋置面；或采用二級或多級井點(diǎn)系統(tǒng)二層輕型井點(diǎn)降水3.涌水量的計(jì)算

涌水量Q即每晝夜需排出地下水的數(shù)量。水井理論將水井根據(jù)不同情況分為：完全井；非完全井；承壓井；無壓并，也稱潛井；水井的分類井底到達(dá)含水層下的不透水層頂面的井為完整井；否則為非完整井。無壓井：地下水表面為自由水壓。承壓井：含水層處于兩個(gè)不透水層之間，地下水表面具有一定水壓。管道線路工程多為淺地層作業(yè)，一般不出現(xiàn)承壓井情況，多數(shù)是無壓非完整井。

井底到達(dá)含水層下的不透水層頂面的井為完整井；否則為非完整井。無壓井：地下水表面為自由水壓。承壓井：含水層處于兩個(gè)不透水層之間，地下水表面具有一定水壓。不透水的黏土層1）無壓完整井點(diǎn)系統(tǒng)涌水量Q涌水量計(jì)算中有關(guān)參數(shù)的計(jì)算

A．滲透系數(shù)K以現(xiàn)場抽水試驗(yàn)取得或參考表2-6選用當(dāng)含水層為非均質(zhì)土層時(shí)，K值應(yīng)取各層土壤滲透系數(shù)的加權(quán)平均值式中hi——各土層的分層厚度，m；Ki——各土層的滲透系數(shù)，m/晝夜。

B．抽水影響半徑R：井點(diǎn)系統(tǒng)抽水后，地下水受到影響，形成降落曲線，降落曲線穩(wěn)定時(shí)形成以該井為軸心的水位降落漏斗，從漏斗中心到漏斗邊緣的水平距離稱為該井的抽水影響半徑。如圖確定方法：直接觀察；經(jīng)驗(yàn)公式；經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：C．假想半徑X0的確定

2）無壓非完整井系統(tǒng)涌水量

無壓非完整井涌水量計(jì)算較復(fù)雜，為簡化起見，工程上常直接引用無壓完整井點(diǎn)系統(tǒng)涌水量計(jì)算公式，但要將公式中含水層厚度H換成滲水有效帶深度H0S’注意：1、當(dāng)H0值超過H時(shí)，取H0＝H；

2、計(jì)算R時(shí)，也應(yīng)以H0代入。指地下水位至濾管頂部的距離，它是根據(jù)需要的降深而影響涌水量的主要因素。s—溝槽或基坑內(nèi)水位降深;a1—保險(xiǎn)值(0.5—1m);a2—水力坡降值。a2=Li，i—水力梯度a3—井點(diǎn)管局部損失值(取0—0.5m)D．井點(diǎn)管中降水深度s’=s+a1+a2+a34.井點(diǎn)管數(shù)量和間距

最少井點(diǎn)數(shù)量q＝65πdLLK1/3最大間距5.井距和井點(diǎn)管數(shù)量的調(diào)整(D’、n’)1）實(shí)際間距的確定井距取值必須大于5πd（πd為濾管周長），以防止各個(gè)井點(diǎn)之間的干擾較大，出水量顯著減少；井距應(yīng)與總管上的接頭間距相匹配（0.8、1.2、1.6或2.0m）≤D計(jì)算值2)確定井點(diǎn)數(shù)n’=L1/D’6.抽水設(shè)備選擇1）真空泵的選用干式真空泵常用的型號有W5、W6型，真空度最大可達(dá)1.0×105Pa?？偣荛L度小于100m時(shí)可選用W5型，總管長度小于120m時(shí)可選用W6型。真空泵在抽水系統(tǒng)中所需最低真空度，根據(jù)降水深和水頭損失按下式計(jì)算：kPa降水深度h△和水頭損失△h,單位：米2）水泵的選用（a）輕型井點(diǎn)，一組系統(tǒng)通常只用一臺水泵，其流量為1.1～1.2Q。（b）水泵吸水揚(yáng)程程應(yīng)大于井點(diǎn)管長度。一般水泵都能滿足排水揚(yáng)程的要求。輕型井點(diǎn)多為配套設(shè)備，可按具體情況選用。3）射流器的選用射流器常用的型號有QJD-45、QJD-60、JS-45，根據(jù)基坑（槽）的涌水量及總管長度、井點(diǎn)管確定射流器的大小和臺數(shù)。自學(xué)例題2-12.1.3輕型井點(diǎn)施工

施工順序：放線定位→鋪設(shè)總管→沖孔→安裝井點(diǎn)管→填濾料、上部粘土密封→井點(diǎn)管與總管連接→安抽水機(jī)→抽水→在觀測井中測量地下水位的變化輕型井點(diǎn)的正常出水規(guī)律是“先大后小，先混后清”。井點(diǎn)管的埋設(shè)：井點(diǎn)管水沖下沉（射水法）；套筒式?jīng)_孔法（套管法）；鉆孔法（鉆孔后再將井點(diǎn)管沉入）1.射水法主要施工機(jī)具：射水式井點(diǎn)管施工過程：確定井點(diǎn)位置——挖坑、泄水溝——插入射水式井點(diǎn)管——高壓水在下端沖刷土體——井點(diǎn)管下沉到設(shè)計(jì)高度——取下軟管，與集水總管連接——填砂——粘土封口2.套筒式?jīng)_孔法主要施工機(jī)具：套管水槍施工過程：確定井點(diǎn)位置——土坑——插入套管水槍——高壓水射流沖擊和套管沖切作用下套管下沉到設(shè)計(jì)高度——插入井點(diǎn)管——套管與井點(diǎn)管之間填砂——拔出套管——粘土封口3.鉆孔法確定井點(diǎn)位置——挖坑、泄水溝——插入沖管——高壓水在下端沖刷土體——下沉到設(shè)計(jì)高度——拔出沖管——井點(diǎn)管埋入——填砂——粘土封口沖孔

埋管

填砂

封口

井點(diǎn)管施工主要注意事項(xiàng)沖孔直徑不小于300mm；深度比過濾管深0.5—1m，；井點(diǎn)管與孔壁間用粗砂（以防止堵塞濾管的網(wǎng)眼）灌實(shí)；井點(diǎn)填砂后，須用粘土封口，以防漏氣井點(diǎn)管埋設(shè)后，即可接通總管和抽水系統(tǒng)，進(jìn)行試抽，檢查降水效果，檢查有無淤塞現(xiàn)象。井點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，整個(gè)施工期不能停止工作。2.2噴射井點(diǎn)降水

2.3電滲井點(diǎn)降水2.4深井井點(diǎn)降水2.5管井井點(diǎn)降水自學(xué)第三節(jié)地基處理3.1地基處理及其目的3.1.1地基容許承載力的概念地基容許承載力：在保證地基穩(wěn)定性的前提下，構(gòu)筑物不產(chǎn)生超過所允許的下沉量，不會因地基產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過土的抗剪強(qiáng)度而導(dǎo)致地基和構(gòu)筑物破壞的承載力。3.1.2地基處理1.軟弱地基或不良地基無法滿足構(gòu)筑物對地基強(qiáng)度和變形條件的要求2.原來的地基承載力滿足要求，但施工中原狀土被擾動而降低了其承載力地基處理主要對象1.軟弱地基在附加應(yīng)力影響范圍內(nèi)主要受力層由軟弱土組成，則為軟弱地基。淤泥及淤泥質(zhì)土沖填土雜（人工）填土高壓縮性土1）淤泥和淤泥質(zhì)土。是在靜水或緩慢流水的環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用而形成，是具有特殊性質(zhì)的粘性土。具有高含水率，高孔隙比，高壓縮性、抗剪強(qiáng)度低和流變性等不良特征。2）沖填土沖填土是在疏浚河流或港口航道時(shí)，人為地由水力沖填泥砂形成的填土。其顆粒組成隨泥砂來源而變，多為粘粒和粉粒，其次為砂粒。沖填土強(qiáng)度和壓縮性都比天然沉積的同類土差。3）雜填土主要是人類在生產(chǎn)和生活活動中，堆填建筑垃圾、工業(yè)廢料、生活垃圾等雜物形成的填土。雜填土性質(zhì)與堆填年齡有關(guān)，一般填齡達(dá)到五年左右的雜填土，性質(zhì)才逐漸趨于穩(wěn)定。雜填土大多疏松且不均勻，在同一場地的不同位置，其承載力和壓縮性往往有較大差異。4）其他高壓縮性土飽和松散粉細(xì)砂(包括部分粉土)也應(yīng)屬于軟弱地基范疇。其在動力荷載(機(jī)械振動、地震等)重復(fù)作用下將產(chǎn)生液化；基坑開挖時(shí)也會產(chǎn)生管涌。2.不良地基1）濕陷性黃土天然黃土遇水后，由于水膜增厚和顆粒間鹽類膠結(jié)物質(zhì)溶于水而使土的結(jié)構(gòu)破壞，從而突然發(fā)生顯著的沉陷，強(qiáng)度也迅速降低。2）膨脹土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，脹縮性顯著，吸水膨脹失水收縮，反復(fù)作用強(qiáng)度降低，不均勻變形較大，引起上部建筑物開裂。3.2地基處理的方法3.2.1換土墊層處理方法：1.概念和原理是將基礎(chǔ)底面下一定深度范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后分層回填強(qiáng)度較大的砂、碎石、素土或灰土等材料，并加以夯實(shí)或振密的一種地基處理方法。此法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、雜填土地基及暗溝、暗塘等的淺層地基處理素土是天然沉積形成的土層中沒有摻雜白灰、河流帶來的砂石的土，密度均勻，有一定粘稠度。2.換土墊層的種類1）素土墊層適用條件：濕陷性黃土和雜土地基土料要求：素土在最佳含水率范圍內(nèi)，誤差不大于2%,不得使用含淤泥、耕土、凍土、垃圾、膨脹土以及有機(jī)物含量大于8%的土施工要點(diǎn)：挖去軟土、分層回填、分層夯實(shí)墊層厚度：根據(jù)土層承載力決定，不大于3米2）砂墊層適用條件：含水量較大的黏土性地基材料要求：粒徑級配好（<50mm）、質(zhì)地堅(jiān)硬施工要點(diǎn)：P61自己看3）灰土墊層適用條件：一般黏性土地基加固、挖深超15cm，地基擾動深度小于1.0米，無地下水地基材料要求：石灰：土=2：8或3：7，不含生石灰塊，粒徑不超過15mm施工要點(diǎn)：施工前驗(yàn)槽（邊坡、排水、清淤），干燥分層回填、分層夯實(shí)3.墊層的設(shè)計(jì)墊層的設(shè)計(jì)要在滿足強(qiáng)度、變形兩個(gè)方面的要求下，確定合理的厚度和墊層寬度。如圖1）墊層厚度一般根據(jù)墊層底面處土的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和不超過同一標(biāo)高處軟弱土層（經(jīng)深度修正后）的承載力特征值確定.即

－墊層底面軟弱土層的地基承載力的特征值，KPa

－墊層底面處的附加應(yīng)力，KPa；－墊層底面處的自重應(yīng)力，KPa

；可按應(yīng)力擴(kuò)散角法計(jì)算，即：對條形基礎(chǔ)：

對矩形基礎(chǔ)：

P0――基底附加應(yīng)力，KPa；

L、b――分別為矩形基礎(chǔ)長度和寬度，m；

h――基礎(chǔ)底面至軟弱土層頂面的距離，m；

θ——應(yīng)力擴(kuò)散角，常見的墊層應(yīng)力擴(kuò)散角換填材料2330≥0.5306200.25灰土粉質(zhì)粘土和粉土中、粗、礫砂、碎石土、石屑h/b

注：①當(dāng)h/b<0.25時(shí),除灰土外,均取θ=0°。②當(dāng)0.25<h/b<0.5時(shí),

可用內(nèi)插法求得。換土墊層厚度一般為1～2米左右，超過3米，導(dǎo)致施工困難且不經(jīng)濟(jì)，小于0.5米，則墊層作用不顯著。墊層厚度宜控制在0.5～3.0m。

應(yīng)力擴(kuò)散角

2）墊層寬度墊層寬度的確定，應(yīng)滿足兩條原則：（1）滿足應(yīng)力擴(kuò)散的要求（2）防止墊層向兩邊擠出按應(yīng)力擴(kuò)散的要求，墊層底面寬度b′應(yīng)滿足

b′≥b+2htanθ

l′≥l+2htgθ

墊層頂面每邊宜比基礎(chǔ)底邊b大0.3m。3.2.2擠密樁法1.概念與原理擠密法主要是先將套管打入或振入地基成孔，再將砂、碎石等土料灌入孔中而形成擠密樁，對軟土產(chǎn)生橫向擠密作用，從而使土的壓縮性減小，抗剪強(qiáng)度提高。又因?yàn)闃扼w有較高的承載