工程降水及类型与围护结构设计关系.docx

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工程降水及类型与围护结构设计关系

工程降水及类型与围护结构设计关系

一、工程降水目的及相关概念

（一）、基坑工程降水目的、意义

当深基坑工程开挖场地内的天然地下水位较高时，为了便于挖土作业，避免产生流砂、管涌、防止坑壁土体坍塌，保证施工安全和工程质量，实现干作业，需要进行深基坑疏干或减压降水。

1、基坑降水作用

（1）防止深基坑侧向和开挖底面渗水，保证基坑在干爽条件下施工作业。

（2）减小基坑内及周边土体的含水率，提高土体物理力学特性。

（3）降低水力梯度，防止侧向和坑底土层颗粒随地下水渗流产生流砂。

（4）对坑内土体固结加固，增加侧向抗倾覆能力及坑底抗隆起稳定性。

（二）降水工程相关概念

1、地下水类型

按埋深条件分类

（1）上层滞水：

包气带存在局部隔水层时，在局部隔水层上积聚具有自由水面的重力水，这便是上层滞水。

当基坑有围护结构，可不考虑对工程影响，基坑放坡开挖且在雨季时，应考虑处理保证安全。

（2）潜水：

饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水称潜水，潜水设隔水顶板，或只有局部的隔水顶板。

潜水的面为自由水，称潜水面。

潜水面不承压，通常在重力作用下由水位高流向水位低的地方。

（3）承压水：

充满于两隔水层之间的含水层中的水叫承压水，具承压性特征。

承压水对工程建设安全性影响很大，须进行降水处理以保证安全。

验证承压水的承压性可用钻孔揭露含水层，水位将上升到含水层顶板以上一定高度再静止下来。

静止水位高出含水层顶板的距离叫承压水头。

降压的方法是根据计算安全确定降承压水头高度。

（4）孔隙水、裂隙水及岩溶水是按含水介质分类的，均可具有承压性。

2、降水方式分类

（1）疏干降水：

疏干基坑内水，便于基坑挖土及施工。

（2）减压降水：

通过降低承压含水层压力，保证基坑施工安全进行的降水。

（3）、减压+疏干降水：

多数基坑降水为减压与疏干共同进行。

3、地下水的不良作用

有潜蚀作用，渗流作用，浮作用和孔隙水压力作用。

二、地下水对工程建筑的危害

1、潜蚀问题

潜蚀作用是由于地下水的流动引起土壤颗粒被冲蚀搬运而导致土层下部被掏空而形成空洞，这种现象称为潜蚀。

潜蚀作用降低了地基土的强度，甚至在地下形成洞穴，以影响产生地面塌陷，影响建筑物的稳定。

潜蚀产生的条件：

一是适宜的土组成，二是足够的水动力条件。

潜蚀防治措施：

一是加固土层（注浆）；二是人工降低地下水承力梯度；三室设置反滤层等。

2、流砂问题

流砂是指含水饱和的细、粉砂在动水压力即水头差的作用下，产生流动现象，多发生在细粉砂层中，有时发生在粉土中，表现形式是所有颗粒同时从一近似管状通道中被渗透水流冲走。

发生结果使基础发生滑移和不均匀下沉，基坑坍塌，基础悬浮等。

这种发生一般是突然的，对工程危害大。

（1）、流砂产生原因

由于水力坡度大，流速快，冲动土的细颗粒使之悬浮而造成的；土颗粒周围附着亲水胶体颗粒，饱和时胶体颗粒吸水膨胀，使土粒度减小，在水冲力作用下悬浮流动；砂土在振动作用下结构被破坏，体积缩小，是土颗粒悬浮于水流动。

（2）、实际工程案例

某开槽埋管工程在地下水位以下，开挖基坑未采取降水，向下挖进3.0米时发生地下水带泥砂一起涌冒现象，此时发生翻砂或涌砂问题，愈挖涌砂愈严重，伴有坑壁土体从板桩缝流出。

流砂造成施工困难，破坏地基强度，危及临近房屋安全，最终停工处理。

流砂还容易发生在基坑坑底和沉井内井底流砂等部位。

（3）、流砂防治措施

人工降低地下水位，使地下水位降到可能产生流砂的地层以下，然后再挖。

打板桩：

一方面加固坑壁，另一方面延长了地下水的渗流路程减小水力坡度。

冻结法：

用冻结方法使地下水冻结，然后开挖。

水下开挖：

在基坑或沉井中，用机械在水下开挖，避免因排水而造成的流砂的水头差，增加砂稳定性，从而避免产生。

3、砂土液化问题危害

饱和松散的砂（包括粉土）受到振动时，如果固结水来不及排出，体积减小的趋势将孔隙水压力不断提高，有效应力逐渐减小。

当有效应力降低为零时，土便丧失抗剪强度成为液体状态，这就是液化现象。

饱和砂层发生液化时，通常可在地面上看到喷水冒砂或沿地裂缝涌水现象。

喷水可高达数米，随水流上冒的砂粒则可在冒口周围形成“火山口”状堆积物，这种喷水冒砂现象在强震后数秒内发生。

震害调查统计表明，平原地震震害中有半数以上是由于液化造成的。

以我国海城、唐山大地震为例，由于基地液化造成破坏的建筑物数目占54%。

抗液化技术措施

（1）、将可液化土层全部或部分处理（加密或挖除换土），或者采用桩基础或深基础将建筑物荷载穿越液化层直到下面非液化层。

采用振冲法、强夯加密可液化饱和砂层可取得良好效果。

南京纬七路长江隧道江心洲出口段明挖隧道下部采取抗拔桩，并选用振冲碎石桩处理饱和砂层抗地震液化措施。

（2）、不做地基处理，增加上部结构整体刚度和均衡对称性以及加强地基的整体性和刚性，以减少地基液化造成的危害。

总之，选择合理地抗液化措施十分重要，既保证必要的安全度，又防止造成浪费，结合具体工程情况综合考虑。

4、管涌问题及措施

（1）、当基坑底面一下或周围的土层为疏松的砂土层时，基坑土在具有一定渗透速度（或水力坡度）的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的空隙逐渐正大，慢慢形成一种穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使之变形、失稳，此种现象即为管涌。

南京地铁10号线过长江隧道风井始发井围护结构渗流曾发生管涌事故两次，后采用堵漏结合降水方案对事故处理。

当符合下列条件时，基坑是稳定的，不会发生管涌现象。

其中，为动水坡度

为围护墙体内外面的水头差

为产生水头损失的最短流线长度

为极限动水坡度

为土粒比重

e为土的空隙比

即：

为不发生管涌、基坑稳定条件。

（2）、管涌发生的条件

管涌多发生在砂性土中，砂性土的特征是颗粒大小差异较大，往往缺少某种粒径，空隙直径大且相互连通；其颗粒多由重度较小的矿物组成，容易随水流移动，有较大和良好的渗流出路。

具有包括以下条件：

土中粗细颗粒粒径比D/d>10

土的不均匀系数大于10

两种相互接触土层渗透系数之比>2~3

渗流的水力坡度大于水的临界水力坡度

（3）、工程设计管涌的防止发生处理措施

一是增加基坑围护结构的入土深度，使地下水流绕流线路长度增加，降低动水坡度，对防止管涌有力。

一是设置降水井，人为降低地下水位，改变地下水的渗流方向。

通过以上两点工程设计中处理防止基坑管涌的发生。

5、基坑坑底突涌事故及防治措施

（1）、地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水称为承压水。

（2）、基坑突涌：

当基坑之下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆盖不透水层的厚度，当他减小到一定程度时，承压水的水头压力就成顶裂或冲毁基坑底板造成坑底突涌事故。

（3）、突涌发生的形式

形式之一是：

基底顶裂，出现网状或树根状裂缝，地下水从裂缝中涌出，并带出下部的泥土颗粒。

形式之二是：

基坑底发生流砂现象，从而造成基坑失稳和地基悬浮流动。

形式之三是：

基地发生类似于“沸腾”的喷水现象，基坑积水扰动，情况严重发生基坑失稳坍塌。

事故处理：

当基坑发生重大突涌水事故回填无效时，为确保基坑安全应采取向基坑回灌水平衡方式，得以保证基坑安全。

很多突涌事故处理都是采用这种方法。

（4）、基坑突涌产生条件

由基坑开挖后不透水层的厚度H与承压水头压差的平衡条件知：

（）

（不发生突涌）

（可能发生突涌）

式子中：

H：

基坑开挖后不透水层厚度，m

：

覆土的浮重度，

：

水的重度，

h：

承压水头高与含水层顶板的高度，m

（5）、突涌的防治措施

当时，则应用减压井降低基坑下部承压水头，防止由于承压水压力引起基坑突涌。

在减压降水过程中，应对承压水头高度进行监测，为减少将承压水引起的不利影响，则应按需降水，满足安全为目的。

三、基坑抗承压水层的稳定性分析

如果基坑底下的不透水层较厚，而且在不透水层下面具有较大水压的承压含水层时，当上覆土重不足以抵挡下部的水压时，基底就会隆起被破坏，基坑整体系统就会失稳。

在地下护围结构设计、施工前必须查明地层水文地质情况及承压含水层情况，底鼓稳定性验算。

（见下图）

（1）、抗基地承压水稳定性系数为K取值1.1~1.3（上覆土重量与承压水压力平衡）

K取值1.1为正常地层稳定性系数；当地层为砂层或承压水头较高时，工程安全级别较高时K取值为1.3。

（2）、对于不能满足基坑稳定条件，应采取以下措施防止基坑的失稳。

第一勇隔水挡墙隔离或隔断含水层方法进行处理；

第二勇深井井点降低承压水头方法，使基坑抗承压水稳定性系数提高，达到基坑稳定效果。

四、治理坑底突涌的技术措施

当遇到基坑突涌问题时，应优选采取降水方法进行处理，具体如下优先采取降水措施；因环境条件限制，不能采取降水处理时，则可采取加固地基的方法解决。

1、优先采取降水方法进行处理加固，降排水措施也是对地基土加固的一种方法，已经应用在盾构换刀加固方法中。

降水迅速快捷，施工安全方便。

2、地基加固方法，对于可能引起突发性灾害性事故的部位和范围进行预加固处理。

对于加固方法的选择，应该进行深入调查和加固。

加固的原则是选择方法与地层加固的适应性和确保加固效果。

坑底被承压水顶破发生涌砂、隆起是基坑工程最大危险事故之一。

当坑底地基不能满足抗承压水安全要求且又不能采取降水措施时，可采取如下地基处理加固措施。

（1）、化学注浆法：

包括压密注浆、双液注浆和劈裂（袖阀）注浆等。

注浆加固参加必须通过实验和监测确定合理参数，保护环境和确保加固效果。

原理为加固土体上土重平衡承压水压力。

h：

坑底至加固底面高度；

：

加固层底面以上土层平均重度；

：

承压水压力。

加固的方法选择一定要结合当地区域水文地质条件和效果进行选择。

（2）、双轴搅拌桩、三轴搅拌桩、双重旋喷和三重旋喷等方法。

三轴搅拌桩加固强制搅拌力度大，加固相对均匀后质量稳定。

旋喷桩对加固土体进行劈裂加固扰动性大，且加固造价也区别很大，对地层和地下水位及含水量适应性也不同，应试验确定。

（3）、对坑内加固范围有满堂加固、抽条加固等，根据需要选择。

（4）、基坑外设防水帷幕

在基坑地下水位以下的松散沙、砾或渗透性较大的地层中，进行基坑开挖前，在排桩挡墙或围护结构质量存在严重问题、密水性较差的挡墙外侧，采取搅拌桩、旋喷桩、注浆等方法设置防水帷幕，防止围护结构接头缝隙或底部管涌。

其嵌入深度应满足抗管涌要求。

缺点：

采用全包围方法止水帷幕封水工作量大，成本造价高，且很难形成有效的密水效果，采用不多。

案例：

南京长江隧道江心洲隧道接受井及明挖隧道，方案当初设计采用止水旋喷桩进行隔水封闭基坑，以防止基坑降水对邻近周边民房产生的沉降影响，但考虑成本超过一千五百多万，且很难形成有效封闭效果，质量很难保证。

最终进行降水方案优化，既达到了降水安全要求，又避免了对周围环境和民房影响，很成功地解决了问题。

说明工程降水是快捷、安全、成本低且有效的方法。

（5）、在基坑内侧或外侧采取深井井点降低承压水；同时也可采用坑内降水预固结加固地基方法。

像港珠澳工程海上建岛、江上洲基坑工程多选用。

五、基坑降水方法

基坑降水可分为：

疏干降水、减压降水及盾构始发、接收降水等。

1、基坑疏干降水

仅为挖土方便作业和施工顺利安全而进行的降排水工作。

疏干井降水井全部布排在坑内，降水井深在坑底以下2米即可，降水标准坑底以下1.0米即可井钻孔直径大多600~700毫米，井管可采用无砂砼管钢质井管，随基坑开挖可截去上部，挖土结束可对井采取回浇砼或回填砂土直接进行底板垫层砼浇筑填平。

布井原则根据地层水文地质条件不同，一般150~250平分米布一口井。

2、减压降水

布井原则：

（1）、条件具备基坑在城市郊外，周围无重大及重要环境沉降、保护要求不高的地区，即对沉降要求不高地区，建议优先采取以坑外布井为原则，一方面减小在坑外对降井的随