透水层深基坑降水技术

1、透水层深基坑降水技术1引言近 20 年是我国高层建筑的发展高峰期，多数高层建筑都有一至 三层地下室，基坑工程成为中要组成部分，深基坑围护结构和降水 方案的 365JT 设计与 365JT 施工直接关系到工程成本和工期，关系 到能否保证形成地下施工空间及施工安全，顺利保证基坑空间内地 基及桩基的安全，保证空间外围安全。但岩土工程还是不够成熟的 一门技术，经典理论都在某些简化假定的前提下确定的，具有一定 的局限性，一些权威专著规定的应用条件及采用的系数不尽合理， 无法正确指导实际施工需要，我们结合中铁十八局职工培训中心工 程基坑施工，考虑各种施工荷载及相关因素，根据以往经验进行深 入研究分析，对建

2、筑施工手册，地基与基础等专著中规定界限有较 大的突破，成功的在高水位，弱透水性深基坑降水围护进行应用， 以最低的投入取得很好的实际效果 .二.工程概况兰州化工厂 306 循环水改造位于兰州市西固区，主要包括半地 下式泵房、地下式水池、冷却塔和变配电三层楼房等。其中，地下 水池部分槽地标高-0.8m，挖深5.45m，其地层为第四系全新统及更 新统地层属软弱场地土，地下水位埋深 1m 左右，土层分述如下 :1. 素填土:以粘性黄土为主，含有少量砖渣，厚度为 2.5m，强度 低且不均匀。2. 粉制黏土 :灰黄色，饱和，可塑状态，大量锈染，顶部少量黑 褐色粉制黏土，土质不均夹灰色软芯 .厚度为 3.2

3、6m ，土层底板埋深 5.12m 左右。3. 粉制黏土 :灰色，饱和，软塑状态，有较多锈染，夹有机物厚 度为 4.57m ，土层底板埋深 9.69m 左右。4.粉土:灰色，饱和，中密状态，土质不均，夹黏土斑，本土层 厚度为 7.5m ，底板埋深 12.5m 。基坑施工必须采取边坡支护及降水，特别是主楼东西两侧是附 楼施工的主要通道 .由于场地的狭窄，无法放坡大开挖，更需重点加 强。三.支护及降水设计(一)地质报告建议支护方式 经天津市地址工程勘察院研究和计算，建议基坑开挖时，采用 砼灌注桩长度 12.5m.1. 基坑边坡防护设计根据拟建物基坑开挖深度 H=5.0m ，假设护坡桩总长度为 11.

4、0m.按规定的统计方法及地区经验，对11.0m范围内土层的C, ©值 及容重 r 值进行厚度加权平均值计算，其统计结果见下表 .埋深(米)C(Kpa)(O)R(KN/m3)根据朗金土压力理论，护坡桩所受土压力如图所示其主动土压力参数 :Ka二tg2(450 -/2)=0.51被动土压力参数 :Kp=tg2(450 /2)=1.66临界深度 :Z0=2Cr(Ka)1/2单宽主动土压力为 :Ea=1/2r(Ht)2Ka -2C(Ht)Ka1/22C/r=442.2(KN/m)单宽被动土压力为 :Ep=Ep1Ep2=1/2rt2KP2C(Ht)Kp1/2=884.25(KN/m)现将主动土

5、压力Ea，被动土压力Ep分别对桩端e点取矩，要 求被动土压力Ep对e点产生的力矩安全系数K=1.5，则Ea, Ep 对 e 点取矩的平衡条件为 :1/3(Ht-Z0)Ea=1/K(1/3tEp11/2tEp2)经计算得 t=6.21(m)则仁 11.21(m)经计算求得 t=6.25m ，护坡桩实际入土深度一般要比计算值增加20%则护坡桩长度：L=H1.2t12.5(m)2. 基坑开挖施工及降水 根据勘察结果，基坑开挖后，基坑下为粉土，为确保基坑不受 扰动，并保证干场作业，需做好降水工作，建议采用砼桩围护，桩 长 12.5m. 本场地地下水位埋深约 1.0m ，水位降幅较大，根据场地 条件及地

6、区经验，建议采用井点降水方案，且先降水，后开挖，以 保证干场作业 .3. 基坑开挖砼桩围护方案工程造价为 256 万元 .（ 二）. 现场支护方案选择 .为了采用最简单便捷的方法，最少的投入形成安全，稳定的空 间，使地下结构的施工得以顺利完成，我们选择了土层锚杆，砼灌 注桩壁（结合支护壁 ），钢板桩，水泥深层搅拌桩等几种深基础方案 进行比较，认为水泥深层搅拌桩围护结构 :1. 经济技术指标比其他方案具有明显的优势 .2.由于深层搅拌帷幕墙改善了边坡土层的物理力学指标，较大 幅度降低实际弯矩值 Ma.3. 改善了施工条件，保证了工程质量 .4. 起到围护，防水方案统一的效应 .5. 速度快，工期

7、短，一个台班可成桩 400m.6. 施工时无震动，无噪音，无污染 .7. 早期桩体强度增长快 .（三）.深层搅拌桩围护结构设计1. 技术原理本工程水泥搅拌桩围护结构是以水泥作为固化剂，水泥掺入量为 15%，水灰比 0.55，用高压将其输送到软弱地层中 .通过 GZB -600 型双头深层搅拌机的钻头，在原位强制均匀搅拌，使水泥颗粒， 土颗粒与土中孔隙水等物质相互作用的三相化学反应，在土颗粒或 团粒周围包络，并逐渐凝结硬化，凝结成具有整体性，水稳定和一 定强度的桩状水泥土骨架结构，从而提高其受弯受剪承载力，达到 土体稳定，基坑围护安全的目的 .2.设计与计算 在目前的基坑工程设计中，无论是悬臂支

8、护结构，还是支撑的 围护结构，土压力的计算多沿用于挡土墙的 Rankine 土压力理论， 但水泥搅拌桩围护基坑工程中的土压力明显区别与刚性挡土墙的土 压力 .对于刚性挡土墙，是先筑墙，后填土 .而在基坑工程中，是先在 土中成桩，再开挖卸载，墙背后是原状土 .特别是在墙后土压力作用 下，基坑支护结构将产生不同于刚性土墙的水平位移形成.这时作用在结构上的土压力将由静止逐渐变为主动土压力减小，被动土压力 增大，并引起土压力重新分布 .因此，影响基坑工程中的土压力的因 素更为复杂 .我们依据新的情况深入研究，全面分析影响因素，科学 的利用土体自身控制土层位移的潜力 .根据公式 :ezjk二(T zjk

9、Kai2Cik(Kai)1/2(T zjk= (T rk(T ok ik(T rk= y mhZj(T ok=q0(T 1k二q1b0/(b02b1)Kai二tg2(450 - © ik/2)Kpj二tg2(450 - © ik/2)计算得到:e0ajk=10.44e1.45ajk=24.43& Eai=181.11 & E=218.77墙体厚度设计值 b>Kn2(1.2 y 0ha£ Eipe Epi) 丫 cs(hh得 b> 1.4 6m 为了达到极限应力状态，准确描述施工状况，最大限度降低造价 ，考虑软土的流变性及土体的粘，弹，塑

10、性及包括施工因素在内的 各种影响系数，制订与开挖方式，空间，地层 ,土性条件，加固条件 及环境有关的函数，为了便于工程应用，采用一等效的水平抗力系 数 Kn 来综合反应土体抵抗变形的能力 ,Kn=0.4796 ，得 b=0.7m经验验算压应力:1.25 丫 0 y csMM fcs拉应力:MW- y csz< 0.06fcs剪应力:(Ea-W1u)2b v( ° tg C)K满足要求.滑动稳定验算：KHL=(wtg © 0C02bEb)EQ 1.2倾覆稳定性验算：Kq=(wbEphp)EAhA1.1(四)降水设计及计算 :现场地下水位在地表下0.8m，基坑深度开挖为4

11、.45m，降水深度约为地表下 5.00m 左右.为了改善坑壁的土性，减小土的流变变形，比较多种降水方案，选择无砂管井点降水方案 .水位降低值 S=4.45m土壤渗透系数 K=2.3X 104cm/s=0.2m/db/a=(1003.6)/27.6=3.7510井深 H=H1hiL1=11m抽水影响半径 R=1.95S(HK)1/2=12.87m井点管间距 取井间矩 14m共设无砂管井18 口，孔径700,管径400,深度11m，布 置位置详图所示 .四. 基坑支护及降水的施工 . 水泥搅拌桩围护及降水井布置如下图 (略).(一)围护桩施工1 .施工工艺:桩位放样t就位对中t制备水泥浆t预拌下沉

12、t喷浆搅拌提升 T复搅下沉T复搅喷浆提升至孔口 T关闭搅拌机T清洗T移至下一一 根桩.2. 施工参数:桩径 700mm,咬合200mm，有效桩长5.5m(两 山墙处 6.5m).425 号普通硅酸盐水泥,掺量 15%,用量 73.5Kg/m 水灰比0.55，水泥浆量1.15m/根，灰浆经输浆管到达喷浆口的时间45s，注浆压力0.45Mpa，提升速度0.5m/min，下钻速度0.8m/min ，转速60r/min，钻杆垂直度 1%桩长，桩位偏差 50mm3质量控制:水泥搅拌桩成孔 喷浆搅拌三道工序均在地下隐蔽完成，其质量状态在目前设备上无直观的随机放映，因此，施工过程中要抓 住工序管理管理中的质

13、量控制点 :(1) 施工人员必须即时准确的做好原始记录，工地技术负责人必 须逐日检查，确保设计要求和具体措施真正落实；(2) 水泥质量应符合设计要求，在采购，进厂和使用时有人把关(3) 在喷浆搅拌过程中，要保证送粉系统运转的连续性，以确保 成桩质量，若遇到较硬土层，可采取使钻杆缓慢打入硬土层，在下 钻过程中直接进行喷浆；(4) 打桩过程中应避免移机，以免影响围护桩的垂直度；(5) 尽量避免爆管，断桩现象，喷浆口球阀的间隙应适中，不得 堵塞，及时清洗 .(6) 采用水泥土侧限抗压强度实验，或轻型触探实验，水泥土取 芯抗压强度实验，小应变动测实验，对工程桩的整体性，均匀性及 各个龄期的强度进行了检

14、测，各项指标均符合设计和规范要求；(7) 进行桩位变形量测，及时反映变形速度，一边采取应急措施(8) 相临柱体搭接 200m ，每一施工段宜连续施工，相临柱体施 工间隙不得超过 24 小时。(二)井点降水施工1. 施工工艺:泥浆护壁冲击式钻成孔，孔径 700mm，孔深11仆注入清水，开启离心式泥浆清孔-移钻机-从井底开始往上设置无砂大孔透 水管(每米一节)透水管周围用麻布包裹-井底填50cm烁砂，管孔间 填土石屑-将75潜水泵送入井底即可抽水-在开槽前十天昼夜降 水至基础施工完毕；2. 施工时注意事项 :(1) 昼夜进行降水；(2) 每周一次进行沉降观测，发现周围建筑物沉降数大时及时通 知设计

15、单位共同协商解决；(3) 防止雨季大量的地面水流入槽内；(4) 基坑开挖时，防止土块掉入井中；五. 实际效果与评价 .地下水池工程于 1998 年 2 月 16 日破土动工，约完成 2.6 万土 石方，在基坑支护及降水上，做到因地制宜，科学创新，监测预控 ，比勘察报告建议的节省约 200 万元，于 11 月20日成功完成 200 0m3 地下室砼施工，受到有关方面和专家的高度评价。六. 结论1. 土的非线性抗剪强度Rankine 土压力理论以 Mohr -Coulomb 抗剪强度为基础，内摩 擦角和内聚力是它的两个重要土性力学指标 .可是粘性土压力计算中 ，人们发现当压力水平较小时计算结果会出

16、现负的恻向土压力，而 土体事实上并不能承受拉应力 .这表明在应力水平较小时 Mohr -Coul omb 准则是不合适的 .考察 Mohr -Coulomb 准则可以发现，该准只适 合较小一段应力 ,水平范围 .在应力水平较大时 Mohr -Coulomb 准则 都过高的估计了土体的抗剪能力，这对工程应用是不利的 .对主动土 压力情况是这样，对被动土压力情况也是如此 .在深基坑开挖工程中 ，不仅要涉及计算应力水平较小的浅层压力，而且设计计算应力水 平较高的深层土压力，因此必要研究不同应力水平下的土压力计算 问题.2. 支护结构水平位移土压力的影响经典的 Rankine 土压力理论存在着两个明显

17、的弱点 ,:一是要求 土体变形达到极限状态的临界值条件 .但在基坑过程中，过大的位移 量尤其是被动状态的位移量是很难实现也不允许出现的 .二是 Rankin e 土压力理论本身是在挡土墙条件下得出来的 . 挡土墙刚性很大，只 允许产生平移或转动，不允许产生变形 .而广泛用于基坑支护的连续 墙，挖孔桩属于一种轻型的挡土结构，在荷载作用下，其工作状态 一般为弹性嵌固 .它与刚性墙的特点不同，由于内支撑系统及入土段 土体的约束，在墙后土体的压力下，墙体产生挠曲变形，引起土压 力重新分布 .针对这两个弱点，在考虑支护结构水平位移因素时，需 着重解决以下两个问题 :(1)悬臂式支护体系的基坑工程中的土压

18、力与支护结构的位移之 间的关系.(2) 悬臂式支护体系的基坑工程的土压力沿深度方向的分布形式 .3. 基坑支护的空间效应对土压力的影响基坑本身是一个具有长，宽和深的三维空间结构，因而其支护 系统的设计是一个复杂的三维空间受力问题 .大量的工程实践证明， 基坑坑壁中央范围土压力和位移均大于两坑壁一定范围的土压力和 位移值.这是因为在基坑两端壁处存显著的空间效应，抑制了其临近 区域的土压力和位移的发展 .在不同的部位处于不同的状态，因此有 必要考虑非极限状态 .目前，基坑支护问题常忽略其空间效应带来的影响，视其为一 个二维的平面问题，多借助传统的 Rankine 土压力理论进行支护系 统的设计 .

19、虽然这偏于安全，但同时也造成了很大的浪费 .4. 土的性质和土压力的影响(1)软土具有流变性质，它的变形和强度都随时间而变化，在相 对小的减切应力作用下，虽不增加应力，变形可长期发展，是其蠕 变特性，变形速度是应力的函数，是其流动的特性或粘滞特性，变 形恒定，应力随时间减小，是其应力松弛特性，在长期受荷条件下 ，强度随时间而变化，是其长期强度特性 .在软土地区的基坑设计和 施工中，如果忽视它的流变性，仅用一般方法计算，就可能发生工 程事故，或造成很大的浪费 .(2)土具有结构性，这一特点对土的工程型号子有极其重要的影 响.结构受到扰动将降低内聚力，降低的程度取决于受扰动的程度， 对内摩擦角也有

20、响应的影响 ,.所以，土的灵敏度也会影响土压力的大 小.5. 地下水对土压力的影响目前，在基坑开挖过程中，一般要采用一些降水措施 .，降低地 下水位，以防止基坑开挖过程中产生流砂或管涌等现象，保证基坑 干燥，便于施工 .基坑降水会引起基坑内外地下水渗流，地下水状态 随之改变，同时，也会引起土的物理，力学性质的改变，直接影响 着土压力的大小 .另外，传统的水土合算和水土分算是两种极端的处理方式，研 究与含水量，饱和度相关的土压力计算方法将具有实际意义 .从以上讨论可以看出 :基坑工程中土压力计算的影响因素十分复 杂，经典土压力理论面临着严峻的挑战 .国内外诸多学者对此作了大 量的理论和实验研究，

21、对经典土压力理论所存在的缺陷和基坑工程 中土压力计算的主要影响因素目前已有一定的共识，但还没有一个 简单，实用的理论公式能真正用于实践 .本工程的实践成功，对土压 力及支护理论的研究与发展，将产生重要影响对多层建筑深基坑施 工具有重要指导意义 .透水层的分析研究有些建筑物或构筑物如公路、贮油罐、堆场以及一些摆放振动 机器的地基经常承受着变载的作用，这些变载与静载相比有明显的 区别。在处理这种软弱饱和土层时，常常在软土层顶面铺上垫层以 加快其排水速度，在求解固结问题时，将该垫层作为透水边界，然 而当垫层透水性不是很理想时，边界条件必须处理为半透水边界。因此，研究半透水边界的层状土在周期荷载作用下

22、的固结问题是一 个与工程实际密切相关的问题。Terzaghi1 建立了饱和软土层在骤加恒载作用下的一维固结理 论，用以求解土体在固结过程中任意时间的沉降。此后， Schiffman 2求得了荷载随时间呈线性增长情况下该问题的解， Wilson3 等研 究了矩形荷载作用下的饱和粘土一维固结问题并得到了解答， Alons o4等分析了随机荷载作用下弹性粘土层的沉降，Baligh5等基于Terzaghi 的一维固结理论，对迭加原理作了非线性分析，吴世明6等推导了以积分形式表达的任意荷载的一维固结方程的通解，谢康和 7,8研究了双层及任意层地基在简单变化荷载作用下的固结问题， 蔡袁强9等得到了成层饱和

23、地基在周期荷载下的有效应力的数值解 ， Rahal10 对因筒仓加载和卸载而产生的循环荷载下的沉降和孔隙 水压进行了分析， G.ZHU11 研究了双层土在随深度变化的荷载下 的固结问题。对于边界条件为半透水的固结问题，已有一些学者如 Gray12 ， Schiffman2 ，谢康和 13，王奎华 14等对静载情况进 行了研究。但对于半透水边界和循环荷载同时存在的软粘土的固结 问题还很少见之于诸文献。作者对该问题进行了研究，利用 Laplac e 变换，得到时域内的通解，通过数值 Laplace 逆变换，结合算例 进行讨论，得出了一些有用的结论，可用以指导工程实践。1 固结方程及其通解图 1 为

24、本文拟求解的层状土在半透水边界条件下的一维固结问 题计算模型的简图。在图中， 2H、kv、Cv、Es 分别为饱和软粘土层的厚度、渗透系数、固结系数和压缩模量。 L1、 L2、k1、k2 分别为上下半透水层的厚度和渗透系数，q(t)为随时间而变化的外加荷载 。采用 Terzaghi 一维固结理论中的全部假设，得到的一维固结方 程可表示为图 1 地基模型计算简图(1)式中：(z,t)是z处t时刻相对于初始有效应力的有效应力增量( 简称有效应力)；Cv=(kvx Es)/ Y,其中YW为水的重度。对式 (1)进行 Laplace 变换可得s 1(z,s)1(z,0)=Cv(2)式中：(z,s)是(z

25、,t)的 Laplace 变换。式 (2) 的解为1(z,s)=c1e B z+c2ep z+1*(z,s)(3)式中：1*(z,s)是式的一个特解；B =对于双面半透水地基，设孔隙水压力呈线性分布，问题的初值 条件和边界条件为(z,O)=O|z|< H(4)z= -H ； t>0(5)z=H;t>0(6)式中：R=k1 2H/kv L1 R =k2 2H/kv L2在任意时刻，外加应力都等于孔隙水压力与有效应力之和，即u(z,t)=q(t) -(z,t)，故式(5)和式(6)又可表示为以下形式：z=-H； t>0(7)z=H； t>0(8)将式、式、式(8)作L

26、aplace变换后代入式 可得1*(z,s)=0 , C1=Q(s)/2H a 1R +a 4R/ a 2a1a； C2=Q(s)/2Ha 1R + a 3R/ a- 2 a 3 4.式中：Q(s)为荷载q(t)的Laplace变换式，a仁e p H-R/2H;a 2=e p H p +R/2；a 3=e p H p +R ；Ha 4二e p H伊/2H. 将以上结果代入式 (3)，可得有效应力的 Laplace 表达式为 1(z,s)=Q(s)e p H( p +R/2H)R- -R /2H)Re p z+暉 H( -R/ 2H)R +e p H( p +R /2H>R(z/e2 p

27、H( p +R/2H)( p +FRe-£2HHI( -R/ 2H)(/2H) X 2H(9)对式(9)求 Laplace 逆变换即可得所求得的有效应力 (z,t)：(z,t)=(10)式中：i=。当1(z,s)的表达式比较复杂时，解析解往往很难求得 ，对于数值 Laplace 逆变换问题， Durbin15 进行了深入而细致的研 究。在以下的叙述中，因为有效应力的解析式难以求出，采用 Durbi n 所提出的数值 Laplace 逆变换方法。利用自编的程序，结合算例，讨论了各种参数对土体中有效应力比变化的影响。2 常见的循环荷载及 Laplace 变换2.1 骤加恒载作用下的情况所

28、加荷载如图 2(a) 所示，q(t)二(T, t >0(11)Laplace 变换为 Q(s)= o 0/s(12)图 2 常见循环荷载及 Laplace 变换当R、R'-c时，意味着此时是完全透水的边界条件。式(9)退 化为1(z,s)=Q(s)(e B z+e p z)/e p H+H=sh p (z+H)sh p (zH)/sh(2 pH)Q(s)(13)将上式进行 Laplace 逆变换便可得骤加恒载作用下一维固结方 程的解：(z,t)= o 01+4/ n =sinn n /2cosn n Z/2HSV4H2n2n 2t)(14)U(z,t)=1+4/n sinn n

29、/2cosn n z/2HeXp(/4H2n2n 2t)(15)土层的平均固结度(t)为：(t)=1 -exp(-M2Tv),M=n /2(2m+1),Tv=Cvt/4H2(16)可见，此情况下本文方法导出的解答与 Terzaghi 的理论解完全3.2正弦波形荷载作用下的情况所加荷载如图2(b)所示，q(t)二(T0(1+sin gt)t >0(17)Laplace 变换式为：Q(s)= (T 0(1/s+ 3 /s2+ 3 2)(18)3.3三角形荷载作用下的情况所加荷载如图2(c)所示，(19)q(t+2T)=q(t)Laplace 变换式为：Q(s)= ° 0fs2thT

30、s/2(20)3.4矩形荷载作用下的情况所加荷载如图2(d)所示，(21)q(t+2T)=q(t)Laplace 变换式为：Q(s)= °0/2s(1+thTs/2)(22)3 算例分析某地基 H=2.5m , L仁L2=0.5m , k仁k2=2x 10-8m/s , kv=5X 10-10m/s , Es=6MPa , T=20d，考察图(3)所示荷载作用下有效应力比° esr(=(z,t)/ 随°时0间) 的变化曲线。从图 (3)可以看出：当地基的各种参数相同，对于各种循环荷载，只要加载时间足 够长，土体中的有效应力最终全部达到一个稳定状态，每一个加载 卸载

31、循环下有效应力比幅值的变化趋近于零，这是普遍的规律。由 于饱和土是由两相介质 (水、土 )组成，土体中有效应力的变化相对 外加荷载有滞后现象。循环荷载下土体的有效应力比曲线都近似以 恒载(T 0/2曲线为中心线来回振荡，变化幅度不随时间的发展而减少 。其中以矩形荷载下地基土中的有效应力变化幅值最大，三角形荷 载次之。图 3 不同波形的周期荷载下有效应力比变化曲线 (z=2m)图 4 骤加恒载下不同压缩模量有效应力比变化曲线 (z=2m) 图 5Es 对有效应力比的影响 (z=2m) 图(4)表示骤加荷载下不同压缩模量的地基土在 z=2m 处的有效 应力比增长曲线。可以看出：在其它条件相同的情况

32、下，当土的压 缩模量不同时，有效应力比的增长速度不同。压缩模量越大，有效 应力比增长的速度越大，但是随着压缩模量值的增大，其对有效应 力比变化的影响逐渐减小。图 5 表示 200d 时不同压缩模量时有效应力比的变化。当 Es从1.5MPa变化至4.5MPa时，° esr从0.38增长至0.46，变化了 0.08;当 Es 从 4.5MPa 变化至 7.5MPa 时，° esi从 0.46 增长至 0.487，仅变化了 0.027，可见随着压缩模量的增加，有效应力比的增长 速度变缓。图(6)、图(7)表示的是不同压缩模量的地基土在三角形荷载下两米深处和中心处有效应力比 ° esr随时间的变化曲线。可以看出：在相同深度的情况下，压缩模量越小时，地基土中(T esr的变化对荷载变化的滞后时间越长，即压缩模量较小的土对荷载变化不敏感；并 且压缩模量越大，固结速度越快，有效应力比的变化幅值也越大， 土体对外加荷载的变化反应越强烈。结合图 (6)、图(7)可以看出：在 不同的深度，当压缩模量相同时，有效应力的变化幅值也不相同， 当地基中某一点离边界距离越大时，有效应力的变化幅值越小。在 地基中心处，有效应力比近似呈直线变化。图(8)表示的是地基在三角形荷载下， z=2m 处，垫层渗透系数 不同时(T esr随时间的变化曲线。可以看出：垫层的渗透系