高层建筑施第1章课件

第一章地下水控制与基坑开挖地下水控制边坡稳定基坑土方开挖1第一章地下水控制与基坑开挖地下水控制12.1地下水控制为什么必须进行地下水控制?补偿性基础地下水位较高的软土地区流砂边坡失稳地基承载力下降降水:集水明排和井点降水截水回灌22.1地下水控制为什么必须进行地下水控制?2补偿性基础(compensatedfoundation)又称浮基础。在结构设计中使建筑物的重量约等于建筑位置挖去土重（包括水重）的基础。当建筑物的重量等于挖去的土重时，称“全补偿性基础”，此时土中的应力无变化；如挖去的土重只相当于建筑物的部分重量时，称“部分补偿性基础”。可减少建筑物的沉降，充分利用地下空间。由于开挖较深，施工较困难，需考虑基坑的支护结构、降低地下水、防止坑底隆起和管涌等问题。高层建筑中常用。3补偿性基础(compensatedfoundation)水在土中渗流的基本规律达西定律：v=Q/A=k(ΔH/L)=ki一维渗流情况（图2-1）Q=k(ΔH/L)A渗透系数:k(m/d,cm/s)渗流/流线/层流/紊流/物理意义/透水性渗流速度v（m/d,cm/s）:v=Q/A=k(ΔH/L)或v=ki水力梯度:i=ΔH/L两个问题:A、L、v适用于砂及其他较细颗粒的土中，孔隙较大时产生紊流；Ip特别大的粘土：v=k(i-i’)一、地下水的基本特性

4水在土中渗流的基本规律一、地下水的基本特性

4等压流线与流网水在土中稳定渗流（水流情况不随时间而变，土的孔隙比和饱和度不变，流入任意单元体的水量等于自单元体流出的水量以保持平衡），地下水头值相等的点连成的面,称为“等水头面”，在平面或剖面上表现为“等水头线”（等势线，等压流线）。由等压流线与流线所组成的网称为“流网”。等压流线与流线正交。潜水与层间水（图2-4）P9潜水：从地表至第一层不透水层之间含水层中所含的水。水无压力，重力水。层间水：夹于两不透水层之间含水层中所含的水。无压层间水和承压层间水5等压流线与流网5二、动水压力和流砂动水压力单位体积土中土颗粒骨架所受到的压力总和。(kN/m3)GD=-T=-γWi(图2-5动水压力原理图P10)流砂产生条件:GD≥γ’W多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中。粘土和粉质粘土、砾石均不易发生流砂。危害：基坑泥泞、坍塌、基础滑移防止措施：降水和防水帷幕6二、动水压力和流砂动水压力6三、降低地下水的方法轻型井点：一层降水深度不超过6m确定井点系统的布置方式确定基坑的计算图形面积计算涌水量：单井涌水量：无压完整井：群井涌水量无压完整井：7三、降低地下水的方法轻型井点：一层降水深度不超过6m7无压非完整井：承压完整井：承压非完整井：基坑的假想半径x0：对于矩形基坑a/b≤5时,抽水影响半径R:抽水影响半径深度H0:查表8无压非完整井：8井管数量:n’=Q/q井管平均间距:校核y0:9井管数量:n’=Q/q9喷射井点：8~20mk=0.1~20m/d主要设备：喷射井管、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统。工作原理：图2-6、2-7P12井点布置：b<10m单排布置；b>10m双排布置；环状布置。井点间距2~3.5m。井点系统的安装与使用：施工工艺程序：注意事项：井点堵塞：原因、预防喷射扬水器失效、井点倒灌：原因、预防工作水压力升不高：原因、预防10喷射井点：8~20mk=0.1~20m/d10电渗井点在降水井点管的内侧打入金属棒（钢筋、钢管等），连以导线。以井点管为阴极，金属棒为阳极，通入直流电后，土颗粒自阴极向阳极移动，称电泳现象，使土体固结；地下水自阳极向阴极移动，称电渗现象，使软土地基易于排水。用于k<0.1m/d的土层。深井井点在深基坑周围埋置深于基底的井管，依靠深井泵或深井潜水泵将地下水从深井内扬升到地面排出，使地下水位降至坑底以下。适用于k较大（10~250m/d）；土质为砂土、碎石土；地下水丰富、降水深（10~50m）、面积大的情况。11电渗井点11真空深井泵：设备：井管、滤头、电动机和真空泵。也适用于低渗透性的粉砂、粉土和淤泥质粘土。降水深度达8~18m，降水服务范围达200m2左右。深井井点系统设备：深井、井管、深井泵和集水井等。深井井点布置：200~250m2深井井点埋设与使用施工工艺程序：井点埋设与使用阶段的注意事项：12真空深井泵：12四、截水截水帷幕：在基坑开挖前沿基坑四周设置隔水围护壁（亦称隔水帷幕）。类型：水泥土搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙、地下连续墙。作用：挡水和档土厚度：满足防渗要求，k<1.0*10-6cm/s插入深度：l=0.2h-0.5b侧向截水与坑内井点降水结合或侧向截水与水平封底结合。水平封底采用化学注浆或旋喷注浆法。13四、截水截水帷幕：在基坑开挖前沿基坑四周设置隔水围护壁（亦称五、回灌回灌措施包括回灌井点、回灌砂井、回灌砂沟等。回灌井点：在降水井点与要保护的已有建（构）筑物之间打一排井点，在井点降水的同时，向土层中灌入一定数量的水，形成一道隔水帷幕，使井点降水的影响半径不超过回灌井点的范围，从而阻止回灌井点外侧的建（构）筑物下的地下水的流失。14五、回灌回灌措施包括回灌井点、回灌砂井、回灌砂沟等。14回灌井点（砂井、砂沟）布置与降水井点的距离不宜小于6m间距：降水井点的间距和被保护物的平面布置回灌井点（砂井）宜进入稳定降水曲线面下1m，且位于渗透性好的土层中，过滤管的长度应大于降水井点过滤管的长度。设置水位观测井回灌井点（砂井、砂沟）施工要点：埋设方法与质量要求抽灌平衡设置高位回灌水箱宜采用清水回灌井点与降水井点应协调控制15回灌井点（砂井、砂沟）布置15工程实例上海友谊商店工程上海友谊商店平面尺寸为68m*36m，筏基，基坑挖深近5m，相距10m处有30年代建造的5层电台大楼，亦为筏基。该处表层为厚2~3的褐黄色砂质粉土。施工时为防止产生流砂采用井点降水，为防止电台大楼产生过大的沉降，在电台大楼与友谊商店之间埋设了一排8m长的产生回灌井管，注水压力约0.05Mpa。结果在降水开挖基坑到基础工程完成的136d中，实测电台大楼的平均沉降只3~4mm，最大沉降为7mm，最小处为零，友谊商店在降水施工过程中未对电台大楼产生有害的影响，证明回灌井点是有效的。16工程实例上海友谊商店工程162.2边坡稳定边坡滑动失稳：边坡土体中的剪应力大于土的抗剪强度。影响因素：研究土体边坡稳定的两类方法：利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体的应力状态；（极限分析法）假定土体沿着一定的滑动面滑动而进行极限平衡分析。172.2边坡稳定边坡滑动失稳：边坡土体中的剪应力大于土的抗剪强瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各个土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。K=抗滑力矩/滑动力矩（K>1.0边坡稳定，K=1.0极限平衡状态，K<1.0边坡失稳。）ONiTiWiαβ18瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）ONiTiWiαBishop法考虑竖面上的法向力和切向力。Taylor法该法建立在总应力基础上，并假定内聚力不随深度变化。根据理论计算结果绘制成图表（稳定系数Ns、坡角β），利用该图表可以分析简单边坡的稳定。Ns=γHc/cHc-边坡的临界高度19Bishop法192.3深基坑土方开挖土方开挖方案无支护结构的基坑开挖：放坡开挖特点：面积大，四周空旷上海市标准《基坑工程设计规程》规定：开挖深度不超过4.0m的基坑，当场地允许、经验算能保证土坡稳定时，可采用放坡开挖；开挖深度不超过4.0m的基坑，有条件采用放坡开挖时，宜设置多级平台分层开挖，每级平台的宽度不宜小于1.5m。地下水位在坑底以上，开挖前采用井点法坑外降水。护面措施202.3深基坑土方开挖土方开挖方案20有支护结构的基坑开挖：垂直开挖盆式开挖：先挖除基坑中间部分的土方，后挖除挡墙四周土方的开挖方式。优点：挡墙的无支撑暴露时间短，利用挡墙四周所留土堤阻止挡墙的变形。缺点：挖土及土方外运速度较岛式开挖慢。多用于较密支撑下的开挖。工程实例：上海香港广场基坑开挖图2-93岛式开挖：保留基坑中心土体，先挖除挡墙四周土方的开挖方式。优缺点常用于无内撑围护开挖（如土层锚杆）或采用边桁架等大空间支撑系统的基坑开挖。挖土机械及土方外运21有支护结构的基坑开挖：垂直开挖21土方开挖注意事项基坑开挖的时空效应先撑后挖，严禁超挖防止坑底隆起变形过大防止边坡失稳防止桩位移和倾斜对邻近建（构）筑物及地下设施的保护积极保护法工程保护法地基加固、结构补强、基础托换、隔断法、开挖期跟踪注浆、施加支撑预应力、协调施工进度22土方开挖注意事项22安全技术基坑工程安全管理基坑开挖安全技术23安全技术23第一章地下水控制与基坑开挖地下水控制边坡稳定基坑土方开挖24第一章地下水控制与基坑开挖地下水控制12.1地下水控制为什么必须进行地下水控制?补偿性基础地下水位较高的软土地区流砂边坡失稳地基承载力下降降水:集水明排和井点降水截水回灌252.1地下水控制为什么必须进行地下水控制?2补偿性基础(compensatedfoundation)又称浮基础。在结构设计中使建筑物的重量约等于建筑位置挖去土重（包括水重）的基础。当建筑物的重量等于挖去的土重时，称“全补偿性基础”，此时土中的应力无变化；如挖去的土重只相当于建筑物的部分重量时，称“部分补偿性基础”。可减少建筑物的沉降，充分利用地下空间。由于开挖较深，施工较困难，需考虑基坑的支护结构、降低地下水、防止坑底隆起和管涌等问题。高层建筑中常用。26补偿性基础(compensatedfoundation)水在土中渗流的基本规律达西定律：v=Q/A=k(ΔH/L)=ki一维渗流情况（图2-1）Q=k(ΔH/L)A渗透系数:k(m/d,cm/s)渗流/流线/层流/紊流/物理意义/透水性渗流速度v（m/d,cm/s）:v=Q/A=k(ΔH/L)或v=ki水力梯度:i=ΔH/L两个问题:A、L、v适用于砂及其他较细颗粒的土中，孔隙较大时产生紊流；Ip特别大的粘土：v=k(i-i’)一、地下水的基本特性

27水在土中渗流的基本规律一、地下水的基本特性

4等压流线与流网水在土中稳定渗流（水流情况不随时间而变，土的孔隙比和饱和度不变，流入任意单元体的水量等于自单元体流出的水量以保持平衡），地下水头值相等的点连成的面,称为“等水头面”，在平面或剖面上表现为“等水头线”（等势线，等压流线）。由等压流线与流线所组成的网称为“流网”。等压流线与流线正交。潜水与层间水（图2-4）P9潜水：从地表至第一层不透水层之间含水层中所含的水。水无压力，重力水。层间水：夹于两不透水层之间含水层中所含的水。无压层间水和承压层间水28等压流线与流网5二、动水压力和流砂动水压力单位体积土中土颗粒骨架所受到的压力总和。(kN/m3)GD=-T=-γWi(图2-5动水压力原理图P10)流砂产生条件:GD≥γ’W多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中。粘土和粉质粘土、砾石均不易发生流砂。危害：基坑泥泞、坍塌、基础滑移防止措施：降水和防水帷幕29二、动水压力和流砂动水压力6三、降低地下水的方法轻型井点：一层降水深度不超过6m确定井点系统的布置方式确定基坑的计算图形面积计算涌水量：单井涌水量：无压完整井：群井涌水量无压完整井：30三、降低地下水的方法轻型井点：一层降水深度不超过6m7无压非完整井：承压完整井：承压非完整井：基坑的假想半径x0：对于矩形基坑a/b≤5时,抽水影响半径R:抽水影响半径深度H0:查表31无压非完整井：8井管数量:n’=Q/q井管平均间距:校核y0:32井管数量:n’=Q/q9喷射井点：8~20mk=0.1~20m/d主要设备：喷射井管、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统。工作原理：图2-6、2-7P12井点布置：b<10m单排布置；b>10m双排布置；环状布置。井点间距2~3.5m。井点系统的安装与使用：施工工艺程序：注意事项：井点堵塞：原因、预防喷射扬水器失效、井点倒灌：原因、预防工作水压力升不高：原因、预防33喷射井点：8~20mk=0.1~20m/d10电渗井点在降水井点管的内侧打入金属棒（钢筋、钢管等），连以导线。以井点管为阴极，金属棒为阳极，通入直流电后，土颗粒自阴极向阳极移动，称电泳现象，使土体固结；地下水自阳极向阴极移动，称电渗现象，使软土地基易于排水。用于k<0.1m/d的土层。深井井点在深基坑周围埋置深于基底的井管，依靠深井泵或深井潜水泵将地下水从深井内扬升到地面排出，使地下水位降至坑底以下。适用于k较大（10~250m/d）；土质为砂土、碎石土；地下水丰富、降水深（10~50m）、面积大的情况。34电渗井点11真空深井泵：设备：井管、滤头、电动机和真空泵。也适用于低渗透性的粉砂、粉土和淤泥质粘土。降水深度达8~18m，降水服务范围达200m2左右。深井井点系统设备：深井、井管、深井泵和集水井等。深井井点布置：200~250m2深井井点埋设与使用施工工艺程序：井点埋设与使用阶段的注意事项：35真空深井泵：12四、截水截水帷幕：在基坑开挖前沿基坑四周设置隔水围护壁（亦称隔水帷幕）。类型：水泥土搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙、地下连续墙。作用：挡水和档土厚度：满足防渗要求，k<1.0*10-6cm/s插入深度：l=0.2h-0.5b侧向截水与坑内井点降水结合或侧向截水与水平封底结合。水平封底采用化学注浆或旋喷注浆法。36四、截水截水帷幕：在基坑开挖前沿基坑四周设置隔水围护壁（亦称五、回灌回灌措施包括回灌井点、回灌砂井、回灌砂沟等。回灌井点：在降水井点与要保护的已有建（构）筑物之间打一排井点，在井点降水的同时，向土层中灌入一定数量的水，形成一道隔水帷幕，使井点降水的影响半径不超过回灌井点的范围，从而阻止回灌井点外侧的建（构）筑物下的地下水的流失。37五、回灌回灌措施包括回灌井点、回灌砂井、回灌砂沟等。14回灌井点（砂井、砂沟）布置与降水井点的距离不宜小于6m间距：降水井点的间距和被保护物的平面布置回灌井点（砂井）宜进入稳定降水曲线面下1m，且位于渗透性好的土层中，过滤管的长度应大于降水井点过滤管的长度。设置水位观测井回灌井点（砂井、砂沟）施工要点：埋设方法与质量要求抽灌平衡设置高位回灌水箱宜采用清水回灌井点与降水井点应协调控制38回灌井点（砂井、砂沟）布置15工程实例上海友谊商店工程上海友谊商店平面尺寸为68m*36m，筏基，基坑挖深近5m，相距10m处有30年代建造的5层电台大楼，亦为筏基。该处表层为厚2~3的褐黄色砂质粉土。施工时为防止产生流砂采用井点降水，为防止电台大楼产生过大的沉降，在电台大楼与友谊商店之间埋设了一排8m长的产生回灌井管，注水压力约0.05Mpa。结果在降水开挖基坑到基础工程完成的136d中，实测电台大楼的平均沉降只3~4mm，最大沉降为7mm，最小处为零，友谊商店在降水施工过程中未对电台大楼产生有害的影响，证明回灌井点是有效的。39工程实例上海友谊商店工程162.2边坡稳定边坡滑动失稳：边坡土体中的剪应力大于土的抗剪强度。影响因素：研究土体边坡稳定的两类方法：利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体的应力状态；（极限分析法）假定土体沿着一定的滑动面滑动而进行极限平衡分析。402.2边坡稳定边坡滑动失稳：边坡土体中的剪应力大于土的抗剪强瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各个土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。K=抗滑力矩/滑动力矩（K>1.0边坡稳定，K=1.0极限平衡状态，K<1.0边坡失稳。）ONiTiWiαβ41瑞典圆弧滑动面条分法（Fellenius法）O