土方的准备与辅助改造土木工程施工市公开课一等奖省赛课获奖课件

第一章土方工程

§4土方准备与辅助改造

四、降水

第一章土方工程1土方的准备与辅助改造土木工程施工第1页四、降水

在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，因为土含水层被切断，地下水会不停地渗透坑内。雨期施工时，地面水也会不停流入坑内。不采取降水办法后果——施工条件恶化，易造成塌方，使地基承载力下降。遇有承压含水层时——基底可能被冲溃破坏。第一章土方工程2土方的准备与辅助改造土木工程施工第2页

降低地下水位方法——

集水井降水法

井点降水法第一章土方工程3土方的准备与辅助改造土木工程施工第3页

（一）集水井降水

适用：降水深度较小且土层为粗粒土或渗水量小粘性土。不适用：粉砂土和细砂土，在这类土中易形成流砂。

1．施工过程第一章土方工程4土方的准备与辅助改造土木工程施工第4页集水井降水施工过程第一章土方工程5土方的准备与辅助改造土木工程施工第5页2．设置

排水沟及集水井：设置在基础范围以外；地下水流上游；基坑面积较大时，可在中间设置盲沟排水。集水井水平间距：每隔20~40m设置一个。

图1-28集水井降水1-排水沟;2-集水井;3-水泵第一章土方工程6土方的准备与辅助改造土木工程施工第6页3．构造

集水坑——直径或宽度：0.6~0.8m；开挖：伴随挖土加深而加深，低于挖土面0.7~1.0m；坑壁：可用竹、木材料等加固，也可用砖垒筑；坑底：低于基坑底面1.0~2.0m；铺设滤水层——a）0.3m厚碎石滤水层；b）下部砾石（约0.1m厚）、上部粗砂（约0.1m）第一章土方工程7土方的准备与辅助改造土木工程施工第7页1.井点降水作用a)预防涌水；b)稳定边坡；c)预防管涌；d)降低横向荷载；e)预防流砂图1-29井点降水作用第一章土方工程（二）井点降水8土方的准备与辅助改造土木工程施工第8页

2.流砂成因及预防

基坑挖土至地下水位以下，当土质为细砂土或粉砂土情况下，采取集水坑降低地下水时，坑下土有时会形成流动状态，而伴随地下水流入基坑，这种现象称为流砂现象。流砂危害：土体完全丧失承载力，土体边挖边冒流砂，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度。严重时会引发基坑边坡塌方、临近建筑因流砂而出现地基被掏空现象，引发建筑开裂、沉降、甚至坍毁。第一章土方工程9土方的准备与辅助改造土木工程施工第9页

动水压力——地下水渗流对单位土体内骨架产生压力，用GD

表示。

GD与单位土体内渗流水受到土骨架阻力T

大小相等，方向相反。

产生流砂现象原因

流砂现象产生原因，是水在土中渗流所产生动水压力对土体作用结果。第一章土方工程10土方的准备与辅助改造土木工程施工第10页

产生流砂现象原因

水在土体内从A

向B流动，

AB柱体：长度为L，横断面积为F，

A、B之间水头差为HA-HB。图1-30饱和土体中动水压力计算

第一章土方工程11土方的准备与辅助改造土木工程施工第11页

产生流砂现象原因图1-30饱和土体中动水压力计算

第一章土方工程

作用土柱体中水力有：

A，B两端静水压力，分别为：rwhAF

和rwhBF；柱体内孔隙水重量和土骨架浮力反力：rw

LF； 柱体中土骨架对渗流水总阻力：TLF。

12土方的准备与辅助改造土木工程施工第12页产生流砂现象原因

计算动水压力时，考虑到地下水渗流加速度很小（a≈0），因而忽略惯性力。图1-30饱和土体中动水压力计算

第一章土方工程13土方的准备与辅助改造土木工程施工第13页由∑X=0得：

rwhAF-rwhBF-TLF+rwLFcosα=0将 代入上式可得：第一章土方工程14土方的准备与辅助改造土木工程施工第14页

为水头差与渗透路径之比，称为水力坡度，用i

表示。

式中，负号表示GD与所设水渗流时受到总阻力T

方向相反，与水渗流方向一致。（1-36）第一章土方工程15土方的准备与辅助改造土木工程施工第15页

由上式可知，动水压力GD

大小与水力坡度成正比，即水位差HA-HB

愈大，则GD

愈大；而渗透旅程L

愈长，则GD

愈小。当水流在动水压力作用下对土颗粒产生向上压力，假如动水压力大于土浮重度'时（GD≥'），便产生流砂。（1-36）第一章土方工程16土方的准备与辅助改造土木工程施工第16页

流砂防治

因为在细颗粒、涣散、饱和非粘性土中发生流砂现象主要条件是动水压力大小和方向。当动水压力方向向上且足够大时，土颗粒发生流动，成为流砂，而动水压力方向向下时，又可将流砂转化成稳定土。防治流砂基本标准——“治流砂必先治水”。

第一章土方工程17土方的准备与辅助改造土木工程施工第17页

流砂防治防治流砂主要路径有：降低或平衡动水压力；设法使动水压力方向向下；截断地下水流。第一章土方工程18土方的准备与辅助改造土木工程施工第18页流砂防治详细办法：

1．枯水期施工法枯水期地下水位较低，基坑内外水位差小，动水压力小，就不易产生流砂。

2．抢挖并抛大石块法分段抢挖土方，使挖土速度超出冒砂速度，在挖至标高后马上铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适合用于治理局部或轻微流砂。第一章土方工程19土方的准备与辅助改造土木工程施工第19页

3．设止水帷幕法将连续止水支护结构（如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌注桩等）打入基坑底面以下一定深度，形成封闭止水帷幕，使土渗流路径延长、减小水力坡度，从而减小动水压力，预防流砂产生。

4．人工降低地下水位法即采取井点降水法（如轻型井点、管井井点、喷射井点等），使动水压力方向向下，从而能有效地预防和根治流砂。所以，此法应用广泛且较为可靠。第一章土方工程20土方的准备与辅助改造土木工程施工第20页3.井点降水种类井点降水原理

井点降水就是在基坑开挖前，预先在基坑四面埋设一定数量滤水管（井）。在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理，不停抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下（图1-31）。图1-31轻型井点法降低地下水位全貌图1－自然地面;2－水泵;3－总管;4－井点管;5－滤管;6－降水后水位;7－原地下水水位;8－基坑地面.第一章土方工程21土方的准备与辅助改造土木工程施工第21页第一章土方工程22土方的准备与辅助改造土木工程施工第22页

3.井点降水类型

井点有两大类：轻型井点和管井类。普通依据土渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等原因确定，可参考表1-12选择。第一章土方工程23土方的准备与辅助改造土木工程施工第23页井点类别土渗透性(m/d)降水深度(m)

轻型井点一级轻型井点0.1~503~6多级轻型井点0.1~50视井点级数而定喷射井点0.1~508~20电渗井点<0.1视选取井点而定管井类

管井井点20~2003~5深井井点10~250>15各种井点适用范围表1-12第一章土方工程m/d=1.16E-3cm/s24土方的准备与辅助改造土木工程施工第24页

4.普通轻型井点

(1)普通轻型井点

轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成（图1-31）图1-31轻型井点法降低地下水位全貌图1－自然地面;2－水泵;3－总管;4－井点管;5－滤管;6－降水后水位;7－原地下水水位;8－基坑地面.第一章土方工程25土方的准备与辅助改造土木工程施工第25页第一章土方工程26土方的准备与辅助改造土木工程施工第26页 管路系统包含：

滤管、井点管、弯联管及总管。第一章土方工程27土方的准备与辅助改造土木工程施工第27页

滤管（图1-32）——钢管

长度1.0~1.5m、直径38mm或51mm；滤孔———管壁钻孔Φ12~19mm；滤网——骨架管外面包以两层孔径不同生丝布或塑料布。塑料管或铅丝——在骨架管与滤网之间放置，使流水通畅；粗铁丝保护网——滤网外面；铸铁塞——滤管下端设置；与井点管连接——滤管上端。1—钢管；2—管壁上小孔；3—缠绕塑料管；4—细滤网；5—粗滤网；6—粗铁丝保护网；7—井点管；8—铸铁头图1-32滤管结构第一章土方工程28土方的准备与辅助改造土木工程施工第28页井点管——直径38mm和51mm、长5~7m钢管。井点管上端用弯联管与总管相连。

集水总管——直径100~127mm无缝钢管，每段长4m，其上端有井点管联结短接头，间距0.8m或1.2m。第一章土方工程29土方的准备与辅助改造土木工程施工第29页

抽水设备——由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成。一套抽水设备负荷长度（即集水总管长度）为100~120m。第一章土方工程30土方的准备与辅助改造土木工程施工第30页

（2）轻型井点布置与计算

a.平面布置a）单排布置；b）双排布置；c）环形布置；d）U形布置图1-34轻型井点平面布置第一章土方工程31土方的准备与辅助改造土木工程施工第31页

（2）轻型井点布置与计算

a．平面布置

单排布置——适用基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超出5m情况。双排布置——适合用于基坑宽度大于6m或土质不良情况。环形及U形布置——适合用于大面积基坑，如采取U形布置，则井点管不封闭一段应在地下水下游方向。第一章土方工程32土方的准备与辅助改造土木工程施工第32页b.高程布置

高程布置系确定井点管埋深，即滤管上口至总管埋设面距离，可按式1-39计算（图1-35）。a)单排井点；b)双排、U形或环形布置图1-35高程布置计算（1-39）第一章土方工程33土方的准备与辅助改造土木工程施工第33页

式中h——井点管埋深（m）； h1——总管埋设面至基底距离（m）； Δh——基底至降低后地下水位距离（m）；i——水力坡度； L——井点管至水井中心水平距离，当井点管为单排布置时，L为井点管至对边坡角水平距离（m）。第一章土方工程34土方的准备与辅助改造土木工程施工第34页

c.总管及井点管数量计算（a）涌水量计算

▲水井分类

井点管系统涌水量依据水井理论进行计算。依据地下水有没有压力，水井分为无压井和承压井。

各类井涌水量计算方法都不一样。

第一章土方工程35土方的准备与辅助改造土木工程施工第35页图1-36水井分类1—承压完整井；2—承压非完整井；3—无压完整井；4—无压非完整井第一章土方工程无压井——水井布置在含有潜水自由面含水层中（即地下水面为自由面）；承压井——当水井布置在承压含水层中。完整井——当水井底部到达不透水层；非完整井——当水井底部未到达不透水层。36土方的准备与辅助改造土木工程施工第36页图1-37无压完整井水位降落曲线和流线网1—流线；2—过水断面H——含水层厚度（m）；S——水井处水位降落高度（m）；R——水井（单井）半径（m）。第一章土方工程▲无压完整井涌水量计算

单井37土方的准备与辅助改造土木工程施工第37页

▲无压完整井涌水量计算单井

或

（m3/d）（1-46）

式中K——土渗透系数（m/d）；

H——含水层厚度（m）；

S——水井处水位降落高度（m）；

r——水井（单井）半径（m）。第一章土方工程38土方的准备与辅助改造土木工程施工第38页

▲无压完整井涌水量计算

无压完整井涌水量（单井）推导第一章土方工程39土方的准备与辅助改造土木工程施工第39页

在井点系统中，各井点管是布置在基坑周围，许多井点同时抽水，即群井共同工作。 群井计算，可把由各井点管组成群井系统，视为一口大单井，得到群井涌水量计算公式。第一章土方工程40土方的准备与辅助改造土木工程施工第40页群井涌水量计算公式（1-48）或

（m3/d）

（1-48）

式中S——井点管处水位降落高度（m）；

x0——井点管围成水井半径（m）；其它符号意义同前。

第一章土方工程41土方的准备与辅助改造土木工程施工第41页（3）无压非完整井涌水量计算

在实际工程中往往会碰到无压完整井井点系统，这时地下水不但从井面流入，还从井底渗透。所以涌水量要比完整井大。为了简化计算，仍可采取公式（1-48）。此时式中H换成有效含水深度H0，即或

（m3/d）（1-49）

第一章土方工程42土方的准备与辅助改造土木工程施工第42页（3）无压非完整井涌水量计算

或

H0可查表1-13。当算得H0大于实际含水层厚度H时，取H0=H。第一章土方工程S/(S+l)0.20.30.50.8H01.3(S+l)1.5(S+l)1.7(S+l)1.84(S+l)表中，S为井点管内水位降落值（m）；

l

为滤管长度（m）。43土方的准备与辅助改造土木工程施工第43页有效含水深度H0意义是，抽水是在H0范围内受到抽水影响，而假定在H0以下水不受抽水影响，因而也可将H0视为抽水影响深度。第一章土方工程H0——抽水影响深度44土方的准备与辅助改造土木工程施工第44页假想半径x0确实定——因为基坑大多不是圆形，因而不能直接得到x0。当矩形基坑长宽比小于5时，环形布置井点可近似作为圆形井来处理，并用面积相等标准确定，此时快要似圆半径作为矩形水井假想半径：

式中x0——环形井点系统假想半径（m）；F——环形井点所包围面积（m2）。（1-49）▲x0、R、K确定：第一章土方工程45土方的准备与辅助改造土木工程施工第45页抽水影响半径R确实定——R与土渗透系数、含水层厚度、水位降低值及抽水时间等原因相关可近似地按式（1-50）计算： （m）式中S，H单位为m；K单位为m/d。 渗透系数K值对计算结果影响较大。

（1-50）

第一章土方工程46土方的准备与辅助改造土木工程施工第46页渗透系数K值确定——

可用现场抽水试验或实验室测定。对重大工程，宜采用现场抽水试验确定。第一章土方工程47土方的准备与辅助改造土木工程施工第47页（4）井点管数量计算

井点管最少数量由下式确定：

（根）式中q为单根井管最大出水量，由下式确定：