现代施工技术深基坑降水与土方开挖

深基坑降水与土方开挖硕士生课程----现代施工技术1降低地下水降水方法：集水井降水、井点降水集水井降水：在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟（最小纵向坡度为0.2%~0.5%，每隔一定距离（最大30~40m）设集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵排出基坑。排水沟和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。若基坑开挖深度较大，地下水的动水压力和土的组成有可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳。1.1地下水流的基本性质1.1.1动水压力和流砂地下水的类型：潜水和层间水（图1-1）从水的流动方向取一柱状土体A1A2作为脱离体，其横截面面积为F、Z1、Z2为A1、A2在基准面以上的高程。由于H1>H2,存在压力差,水从A1流向A2,作用于脱离体A1A2上的力有:γw·h1·FA1

处的总水压力,其方向与水流方向一致;γw·h2·FA2处的总水压力,其方向与水流方向相反;n·γw·L·F·cosα水柱重量在水流方向的分力(n为土的孔隙率);(1-n)·γw·L·F·cosα土骨架重力在水流方向的分力;L·F·T土骨架对水流的阻力(T为单位阻力);由静力平衡条件:设水在土中渗流时，对单位土体的压力为GD，有牛顿第三定律得：通常工程上将GD称为动水压力，动水压力GD与水力坡度成正比，即水位差愈大动水压力愈大；渗流路线愈长，动水压力愈小。动水压力的作用方向与水流方向相同。当水流在水位差作用下对土颗粒产生向上的压力时，动水压力不但使土颗粒受到水的浮力，而且还使土颗粒受到向上的压力，当动水压力等于或大于土的浸水重度时，即：则土颗粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒能随着渗流的水一起流动，此现象被称为流砂。1.1.2渗透系数达西定律：v=KI当水力坡度I等于1时的渗透速度即为渗透系数K。其常用单位m/d、m/s。土的渗透性取决于土的形成条件、颗粒级配、胶体颗粒含量和土的结构等因素。一般用稳定流的裘布依（Dupuit)公式计算渗透系数。

1.2井点降水我国于1952年用于实际工程，目前技术手段已较为完善。井点降水方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点。管井井点是围绕开挖的基坑每隔一定距离（20~50m）设置一个管井，每个管井单独用一台水泵（离心泵、潜水泵）进行抽水，以降低地下水位，适用于渗透系数较大（K=20~200m/d）、地下水量大的土层中。深井井点是在管井内设置深井泵，可以降水位降低到更深的深度，若采用带真空设备的深井泵，在渗透系数较小的淤泥质粘土中亦能使用。降水方法和设备的选择，取决于降水深度、土的渗透系数、工程特点和技术经济指标。1.2.1轻型井点（1）轻型井点设备轻型井点设备包括：滤管、井管、集水总管、连接管、水泵和动力装置。滤管为进水设备备，通常采采用长1~1.5m，直径38mm或51mm的无缝钢管管，管壁钻钻有直径为为12~19mm的滤孔。骨骨架外面包包以两层孔孔径不同的的生丝布或或塑料布滤滤网。在骨骨架与滤网网之间用塑塑料管或梯梯形钢丝隔隔开，塑料料管沿骨架架绕成螺旋旋形。滤网网外再绕一一层粗钢丝丝保护网。。井点管为直径38mm或51mm、长5~7m的无缝钢管管，井点管管上端用弯弯管与总管管相连。集水总管为直径100~127mm的无缝钢管管，每段长长4m，其上装有有与井点管管连接的短短接头，间间距0.8或1.2m。抽水设备根据水泵及及动力设备备不同，有有干式真空空泵、射流流泵及隔膜膜泵等，其其抽吸深度度与总管负负荷有关。。常用W5、W6型干式真空空泵，其抽抽吸深度为为5~7m，最大负荷荷长度分别别为100m和120m。（2）轻型井点点布置与计计算井点系统布布置应根据据水文地质质资料、工工程要求和和设备条件件等综合确确定。布置与计算算的步骤为为：平面布布置→高程程布置→计计算井点管管数量→调调整设计。。①平面布置置单排布置：适用于基基坑宽度小小于6m，且降水深深度不超过过5m的情况。双排布置：适用于基基坑宽度大大于6m或土质不良良的情况。。环形布置：适用于大大面积基坑坑。U形布置：便于土方方施工机械械进出基坑。。②高程布置置高程布置即即确定井点点管的埋深深。可按下下式计算：：式中h—井点管埋深深（m）；h1—总管埋设面面至基底的的距离（m）；Δh—基底至降水水后的地下下水位线的的距离（m）；i—水力坡度；；L—井点管至水水井中心的的距离，当当井点管为为单排布置置时，L为井点管管至边坡脚脚的水平距距离（m）。计算结果应应满足下式式：式中hpmax—抽水设备的的最大抽吸吸深度。在上述公式式中的有关关参数按下下述取值：：（1）Δh一般取0.5~1m。（2）i的取值：单单排布置，，1/4~1/5；双排布置置，1/7；环形布置置1/10。（3）L为井点管至至基坑中心心的水平距距离，当基基坑井点管管为环形布布置时，L取短边方向向的长度。。（4）井点管布布置应离坑坑边一定距距离（0.7~1m），以防止止边坡塌土土而引起局局部漏气。。③井点系统涌涌水量的计计算根据地下水水有无压力力井点系统统分为有压压井和无压压井，根据据井点管是是否抵达不不透水层井井点系统分分为完整井井和非完整整井。水井计算简简图A无压完整井井设不透水层层基底为X轴，取井中中心轴为Y轴，将距井井轴X处水流断面面近似地看看作一垂直直的圆柱面面，其面积积为：由达西定律律得裘布依依单井涌水水量计算式式：水位降落曲曲线在x=r处，y=l；在x=R处，y=H，有：又l=H-S群井涌水量量计算公式式为B无压非完整整井C承压完整井井D承压非完整整井上述公式中中基本参数数的确定1）基坑假想想圆半径x0，对于矩形形基坑其长长宽比不大大于5时，式中F—基坑井点管管所包围的的面积。2）抽水影响响半径R式中K的单位为m/s。3）抽水影响响深度H0④单根井管的的抽水能力力式中q—单根井管的的极限涌水水量（m3/d）d—滤管的直径径（m）K—土的渗透系系数（m/d）⑤井管的数数量⑥井管的平均均间距式中L、B—矩形井点系系统的长度度和宽度1.2.2喷射井点（1）工作原理理喷射井点为为深层降水水，其一层层井点可把把地下水位位降低8~20m，甚至超过过20m。其工作原原理如图所所示。（2）构造设计计在渗透系数数大于50m/d的土层中，，主要解决决单井抽水水能力增大大问题；在在渗透系数数大于50m/d的土层中，，主要解决决将地下水水从土层中中更快的聚聚集到井点点管中的问问题。喷射井点管管单井的抽抽水、抽气气能力，主主要取决于于喷嘴直径径大小、喷喷嘴直径与与混合室直直径之比、、混合室的的长度等。。构造设计的的步骤：1）首先根据据基坑涌水水量计算结结果和井点点的布置，，确定喷射射井点所需需的单井排排水量Q0和喷射井点点所需的扬扬程H；2）根据所需需扬程，计计算喷射井井点的工作作水压力P1；式中b—扬程与工作作水压力之之比，按表表取值。3）确确定定喷喷射射井井点点的的工工作作水水流流量量Q1;式中中a—吸入入水水流流量量与与工工作作水水流流量量之之比比，，按按表表取取值值。。4）确确定定喷喷嘴嘴直直径径其中中5）确确定定混混合合室室直直径径、、混混合合室室长长度度M为混混合合室室直直径径与与喷喷嘴嘴直直径径之之比比6）扩扩散散室室长长度度式中中d3—喷射射井井内内管管直直径径d2—混合合室室直直径径7）确确定定喷喷射射井井点点内内管管两两侧侧进进水水孔孔的的高高度度L1式中中a——两侧侧进进水水孔孔宽宽度度，，v′′取1.5~2m/s。8）喷喷嘴嘴颈颈缩缩部部分分长长度度L2及喷喷嘴嘴圆圆柱柱形形部部分分长长度度L1L2=2.5d1L3=(1.0~1.5)d1式中中d1—喷嘴嘴直直径径9）喷喷射射井井点点内内管管直直径径d3和外外管管直直径径d4式中中Q0—喷射射井井点点的的单单井井排排水水量量（（m3/h)Q1—喷射射井井点点的的工工作作水水流流量量（（m3/h)v′′——工作作水水允允许许的的最最大大流流速速（（m/s)（3）使使用用与与布布置置1）布布置置当基基坑坑宽宽度度小小于于10m可单单排排布布置置，，大大于于10m则双双排排布布置置；；当当基基坑坑面面积积较较大大时时，，宜宜环环状状布布置置。。井点点间间距距一一般般为为2~3m，埋埋设设时时充充孔孔直直径径约约为为400~600mm，深深度度应应大大于于滤滤管管底底1m以上上。。2）使使用用a扬水水装装置置的的加加工工质质量量和和精精度度非非常常重重要要，，否否则则会会增增大大工工作作水水流流，，影影响响抽抽水水效效果果；；如如果果喷喷嘴嘴、、混混合合室室和和扩扩散散室室的的轴轴线线不不重重合合，，则则会会降降低低真真空空度度。。b工作作水水要要干干净净，，不不得得含含泥泥砂砂和和其其他他杂杂物物。。c为防防止止工工作作水水反反灌灌，，应应在在滤滤管管下下端端增增设设逆逆止止水水阀阀。。d主要要使使用用的的为为2.5型喷喷射射井井点点。。1.2.3电渗渗井井点点电渗渗井井点点是是在在降降水水井井点点管管的的内内侧侧打打入入金金属属棒棒（（钢钢筋筋、、钢钢管管等等）），，连连以以导导线线。。以以便便井井点点管管为为阴阴极极，，金金属属棒棒为为阳阳极极，，通通入入直直流流电电后后，，土土料料自自阴阴极极向向阳阳极极移移动动，，称称为为电泳泳现现象象，使使土土体体固固结结；；地地下下水水自自阳阳极极向向阴阴极极移移动动，，称称电渗渗现现象象，使使软软土土地地基基易易于于排排水水，，如如图图示示。。电渗渗井井点点以以轻轻型型井井点点管管或或喷喷射射井井点点管管作作阴阴极极，，φ20~25的钢钢筋筋或或φ50~75的钢钢管管作作为为阳阳极极，，埋埋设设在在井井点点管管的的内内侧侧，，与与阴阴极极并并列列或或交交错错排排列列。。当当用用轻轻型型井井点点管管时时，，两两者者的的距距离离为为0.8~1.0m；当当用用喷喷射射井井点点时时则则为为1.2~1.5m。阳阳极极入入土土深深度度应应比比井井点点管管深深500mm，露露出出地地面面200~400mm。工工作作电电压压不不宜宜大大于于60V，土土中中通通电电的的电电流流密密度度宜宜为为0.5~1.0A/m2。通通电电时时，，为为了了消消除除由由于于电电解解作作用用产产生生的的气气体体聚聚集集在在电电极极的的附附近近，，使使土土体体电电阻阻增增大大，，加加大大电电能能消消耗耗，，宜宜采采用用间间隔隔通通电电法法，，即即每每通通电电24h，停停电电2~3h。1.2.4真空空深深井井井井点点每一一个个井井点点由由井井管管和和滤滤管管组组成成，，并并单单独独配配备备一一台台电电机机和和一一台台真真空空泵泵。。开开动动后后达达到到一一定定的的真真空空度度，，则则可可达达到到深深层层降降水水的的目目的的。。适适用用于于渗渗透透系系数数较较小小的的粘粘性性土土或或淤淤泥泥质质粘粘性性土土。。施工工程程序序：：钻孔孔→→清清孔孔→→沉沉管管→→安安装装真真空空泵泵及及电电机机注意意事事项项：：由于于井井管管较较长长，，挖挖土土至至一一定定深深度度后后，，自自由由端端较较长长，，井井管管应应与与附附近近的的支支护护结结构构相相连连，，并并予予以以固固定定。。在在挖挖土土过过程程中中，，要要注注意意保保护护深深井井泵泵，，避避免免挖挖土土机机碰碰撞撞。。每台台泵泵的的降降水水服服务务范范围围约约200m2。1.2.4井点点降降水水预预防防周周围围地地面面沉沉降降的的措措施施因降降水水引引起起的的地地面面沉沉降降，，在在理理论论上上可可按按下下式式计计算算：：式中中δsu(x)—离降降水水设设备备x距离离处处的的地地面面沉沉降降值值；；Esui—第i层土的的压缩缩模量量；Δu(x)i—离降水水设备备x处，第第i层土内内降水水前后后孔隙隙水压压力的的变化化量；；Δhi—第i层土的的厚度度。（一））回灌灌井点点技术术，如如图示示。（二））砂沟沟、砂砂井回回灌（三））使降降水速速度减减缓（四））防止止将土土粒带带出2边坡稳稳定基坑开开挖后后，如如果边边坡中中土体体的剪剪应力力大于于土的的抗剪剪强度度，则则边坡坡就会会滑动动失稳稳。边坡稳稳定的的研究究方法法：第一类类方法法：利用弹弹性、、塑性性或弹弹塑性性理论论确定定土体体的应应力状状态。。此法法对于于边界界条件件比较较复杂杂的土土坡难难以得得到精精确解解。通通常采采用有有限元元法求求解。。第二类类方法法：假定土土体沿沿着一一定的的滑动动面而而进行行极限限平衡衡分析析。在在极限限平衡衡法中中，条条分法法由于于能适适应复复杂的的几何何形状状、各各种土土质和和孔隙隙水压压力，，因而而成为为最常常用的的方法法。2.1瑞典圆圆弧滑滑动面面条分分法（（Fellenius法）（一））基本本原理理假定滑滑动面面以上上的土土体分分成n个垂直直土条条，对对作用用于各各土条条上的的力进进行力力和力力矩平平衡分分析，，求出出在极极限平平衡状状态下下土体体稳定定的安安全系系数。。该法法忽略略了土土条之之间的的相互互作用用力的的影响响。边坡稳稳定安安全系系数：：式中—滑动圆圆弧的的长度度—滑动面面上的的平均均抗剪剪强度度R—滑动圆圆弧的的半径径W—滑动土土体的的重量量d——W作用线线对滑滑动圆圆心O的距离离A—滑动面面积如K﹥1.0，边坡坡稳定定；K=1.0，边坡坡处于于极限限平衡衡状态态；K﹤1.0，边坡坡稳定定处于于不稳稳定状状态。。确定滑滑动圆圆心O1.内摩擦擦角f=0的高塑塑性粘粘土（1）由表表根据据坡角角a查出坡坡底角角b1和坡顶顶角b2（2）在坡底底和坡坡顶分分别画画出坡坡底角角和坡坡顶角角，两两线的的交点点O，即为为最危危险滑滑动圆圆弧的的滑动动圆心心。2.内摩擦擦角f﹥0的土(1)按上述述步骤骤求出出O点;(2)由A点垂直直向下下量一一高度度,该高度度等于于边坡坡的高高度H,得C点,由C点水平平向右右量一一距离离,使其等等于4.5倍H而得D点,连接DO;(3)在DO延长线线上找找若干干点,作为滑滑动圆圆的圆圆心,画出坡坡角圆圆,试算出出K值较小小的E点;(4)于E点画出出DO延长线线的垂垂线,再于此此垂线线上找找出若若干点点作为为滑动动圆圆圆心,试算K值,直到找找出K值最小小的O′点,则O′点即为为最危危险滑滑动圆圆心.（二））圆弧弧滑动动面条条分法法计算算方法法ci—分条的的内聚聚力；；bi—分条宽宽度；；li—分条的的圆弧弧长度度；hi—分条高高度（（平均均值））；fi—分条土土的内内摩擦擦角；；ai—分条的的坡角角gi—分条土土的重重力密密度；；2.2比肖夫夫（Bishop）法与Fellenius法的不不同之之处在在于考考虑了了竖面面上的的法向向力和和切向向力。。—有效内内聚力力；—有效法法向应应力；；—有效内内摩擦擦角计算安安全系系数应应采用用逐次次逼近近法；；若假假定Σ(T1-T2)tgf′=0，则计算算简化化。首首先假假定一一个K值，然然后将将其与与c、f′、u和a值带入入计算算式中中，算算出一一个K值，若若计算算值与与假定定值相相差满满足要要求，，则计计算终终止，，否则则继续续计算算。2.3泰勒（Taylor）法在总应力基基础之上，，假定内聚聚力不随深深度变化。。根据理论论计算结果果绘制图表表，利用图图表分析简简单边坡的的稳定。式中g—土的重度（（KN/m3）c—土的内聚力力（kpa）Hc—边坡的临界界高度(m)已知b及土的c、f、g，求H已知H及土的c、f、g，求b已知H、b及土的c、f、g，求安全系系数K2.4极限分析法法两条定理：：1.如果能断定定平衡外荷荷的应力是是均衡分布布的,而且不违反反包括内聚聚力和内摩摩擦角在内内的屈服准准则，则土土体不会破破坏，或处处于濒临破破坏的瞬间间。2.如果外荷所所作的功率率超过了内内能耗散率率而产生任任何塑性变变形,则土体将破破坏。外功率：沿破坏面的的内能耗散散率：保持稳定的的土坡高度度3基坑土方开开挖3.1开挖前的准准备工作（1）了解土的的种类;（2）地下设施施埋设情况况;（3）土方工程程