施工排水及地基处理

施工排水及地基处理

第二章 施工排水及地基处理 第一节 明沟排水法 第二节 人工降低地下水位法 第三节 地基处理 学习目标 1. 掌握明沟排水法的系统组成、系统布置的要求及涌水量计算； 2. 了解人工降低地下水位常采用的井点排水的方法种类，掌握轻型井点法系统设计，了解各种井点系统的施工和使用； 3. 了解常用的地基处理的方法，掌握换土垫层方法； 重点和难点 1. 轻型井点法系统设计 开挖基坑或沟槽时的地下水： A 影响正常施工； B 造成地基承裁力降低； C 边坡坍塌事故。 施工排水内容：地下水、地表水排除。 地表水：筑堤截水，设沟引水 地下水：明沟排水法、人工降低地下水位法 目的：改善槽底施工条件，稳定边坡；稳定槽底；防止地基土承载力下降 第一节 明沟排水法 明沟排水法是在管沟或基坑开挖时，在沟（坑）底设置集水井（坑），在沟（坑）底周围或中央开挖排水沟，使地下水沿排水沟流入集水井中，然后用水泵抽走的方法。 抽水工作应持续到整个地段管线下沟、回填工序结束后才能停止。 1.1 排水沟、集水井、水泵的布置 1. 排水沟的位置： 先中间，后侧边；设置在基础以外 排水沟的尺寸： 一般底宽及沟深不小于 0.3m 纵向坡度不小于 1% ，坡向集水井 2. 集水井位置： 井底距槽底 1-2 米，一般间隔 50-150 米 集水井尺寸： 直径或宽度为 0.7-0.8 米， 具体应根据土质、地下水量及水泵的抽水能力而定 3. 水泵的选用 选择水泵的主要参数是：流量、扬程。 流量：为管沟、基坑渗水量的 1.5 ～ 2.0 倍。 水泵的扬程 = 高差 + 摩阻损失（实际扬程的 15% ～ 30% 估算） （ 1 ）离心泵 工作能力：抽水能力大，适用于地下水量较大的基坑，又分为清水泵、混水泵。 工作原理： 叶轮旋转产生离心力，将轮心处的水甩往轮边，再沿出水管压到高处； 叶轮的中心形成部分真空； 在大气压作用下，地下水不断地从吸水管内自动上升，进入水泵 采用离心泵时，要特别注意吸水管接头不能漏气，且吸水口至少应在水面以下 500mm ，以防吸入空气。 启动离心泵时，必须先向泵体和吸水管内灌满水，排除空气，然后才能开泵抽水。 （ 2 ）潜水泵 潜水泵工作时要全部浸入水中； 泵小、轻、移动方便、安装简单，开泵时不需引水，在基坑排水中采用较广。 综合反映土体渗透能力的指标，又称水力传导系数。在数值上等于水力坡度为 1 时，通过单位面积的渗流量。渗透系数愈大，透水性越强，反之越弱 。 1.2 涌水量计算 1. 管沟、基坑处于一般地段或干河床时 Q —— 总渗水量， m3/ 昼夜； K —— 土壤渗透系数， m ／昼夜，见表 2-1 S —— 要求地下水位降深， m ； R —— 渗水影响半径， m ； R0 —— 沟、坑计算半径， m 。 排水沟、集水井断面尺寸和水泵流量选择的依据 渗水影响半径 R 的确定 渗水影响半径 R 与土壤渗透系数、含水层厚度、水位降落值及抽水时间等因素有关。一般以抽水 2 ～ 5 天后水位降落曲线基本稳定时为计算条件，此时可按经验公式计算。 式中 S —— 要求水位降落值， m ； H —— 含水层厚度， m ； K —— 土壤渗透系数， m/ 昼夜。 当含水层厚度无限大时， R 值可从参考表选取 计算半径 R 0 的确定 对管沟和矩形基坑： 圆形基坑： R 0 为基坑地下水位内的平均半径； 不规则基坑： L 、 B — 基坑的平均长度和平均宽度， m ； F — 不规则基坑的平均面积， m 。 2. 管沟、基坑靠近河边时（ ） 式中 L —— 管沟基坑离河岸距离， m ； 明沟排水法的适用范围 开挖基础不深或水量不大的沟槽或基坑 由于设备简单、排水方便，采用较为普遍，适用于 粗粒土层 （土粒粗不致被水流带走）、 渗水量小的粘性土 ； 当土为细砂和粉砂时，地下水渗出会带走细粒，发生流砂现象，导致边坡坍塌、坑底隆起、施工困难，此时采用井点降水法。 第二节 人工降低地下水位 人工降低地下水位是在基坑周围布设深于基底的井点进行抽水，使地下水水位局部下降至坑底以下，这样基本消除了地下水对施工的影响。 井点降水按降深不同、抽吸原理和抽吸设备的不同，可分为轻型井点、喷射井点、管井井点、电渗井点和深井泵井点降水等多种，其适用范围见表 2-3 。 2.1 轻型井点法 概念：沿管沟或基坑周围把许多小直径的井点管埋入地下含水层内，井点管上端通过弯管和总管连接，下端通过滤水管和地下含水层连通，利用抽水设备把地下水从井点管内不断提出，如下图所示 轻型井点系统适用在粗砂、中砂、细砂、粉砂等土层中降低地下水 轻型井点降水全貌图（单层轻型井点）                                                                  。 2.1.1 轻型井点系统的组成 管路系统：井点管（包含滤管）、弯管、总管和阀门等 抽水设备及其它附属设备：真空泵、离心水泵、气水分离器等。 1 — 井点管； 2 — 弯联管； 3 — 总管； 4 — 过滤器； 5 — 气水分离器； 6 — 真空表； 7 — 离心泵； 8 — 真空泵 1. 滤水管 位置：井点管下端，埋入含水层 规格： Φ38 — 55mm ， L=1-2m 材质：无缝钢管 结构：粗钢丝保护网、滤水网（内外两层）、螺旋形细钢丝、钢管（ 5 — 12mm 孔眼） 进水管面积： A=2mπr d L L 避免滤孔淤塞 2. 井点管 位置：下端与滤水管用管箍连接 , 上端与总管通 规格：直径与滤水管相同，长度视埋深而定 材质：无缝钢管 3. 弯联管 位置：连接总管和井点管 规格： Φ38 — 55mm 材质：加固橡胶管、钢管弯头 4. 总管 位置：与抽水设备相连 规格： Φ100 — 150mm ， L=4-6m 材质：钢管 结构：管壁上短管 5. 抽水设备 真空式抽水设备：抽水深度 5.5-6.5m ，真空泵、离心水泵、气水分离器等 射流式抽水设备：抽水深度 9-11m 自引式抽水设备：抽水深度 2-4m 2.1.2 轻型井点设计 轻型井点降水法设计步骤为： 1 、确定平面布置方案 2 、确定高程布置方案 3 、井点系统涌水量计算（ Q) 4 、井点管数量计算 (n) 5 、井距计算 (D) 6 、井距和井点管数量的调整 (D 、 n) 7 、抽水设备的选择 1. 确定平面布置方案 1 ）系统形式选择 a. 单排： 在沟槽上游一侧布置，每侧超出沟槽 ≮ B 用于沟槽宽度 B ≤ 6m ，降水深度 ≤ 5m 。 b. 双排： 在沟槽两侧布置，每侧超出沟槽 ≮ B 。 用于沟槽宽度 B > 6m ，或土质不良，以便快速将水抽 c. 环形布置： 在沟槽四周布置，可以封闭，也可以在基坑下游侧留一段不封闭。用于基坑面积较大时。 2 ）井点的布置 井点管要靠近沟坑，但是距沟坑壁不小于 1.0 ～ 1.5m ，防止局部漏气，影响抽吸效果。 井点管间距一般采用 0.8 ～ 1.6m ，应根据土质，设备条件或通过计算确定。 靠近河流处井点应适当加密。 3 ）总管的布置 比井点管更靠外一些（ 1.5 米），并以 1 ‰—— 2 ‰ 的坡度（坡向抽水设备），多个抽水设备将总管分段 4 ）抽水设备布置 抽水设备应布置在地下水流的上游，并设在总管中部，以发挥其最大效能。一套抽水设备所能带动的总长度大约在 100m 左右， 5 ）观察井的布置 为了观察水位降落情况，应在降水范围内设置若干个观测井， 观测井的位置：降低水位不利点，一般在基础中心、总管末端、局部挖深处等控制点，均应设置观测井。 观测井由井点管做成 ，只是不与总管相接。 2 、确定高程布置方案 总管的布置标高应接近原有地下水位线，抽水设备的水泵轴心标高与总管拉平。 井点管埋设深度必须将滤管埋入储水层内，可按下式计算： 为达到此目的，同时不影响地面交通，通常将总管设置于地面下 0.5 米处 H —— 井点管设置深度， m ； H1 —— 从井点管 埋设面 至管沟底面的距离， m ； h —— 降水后地下水位至管沟底面的安全距离， 0.5 ～ 1.0m i —— 水力坡度，经验值，单排井点 i ＝ 1/4 或 1/5 ，双排或环形井点 i ＝ 1/10 — 1/15 ； L —— 井点管中心至管沟（或基坑）控制水位点（线）的水平距离 ， l —— 滤水管长度 图 井点管中心至管沟控制水位点的水平距离 实际工程中，井点管均为定型的，有一定标准长度。通常根据给定井点管长度验算△h，如△h≥0.5~1ｍ，则可满足。 计算公式如下： △h＝L j －０.２－H １ －ｉＬ 式中：L j －井点管长度 0.2－井点管露出地面的长度 轻型井点法的降水深度以不超过 6 米为宜，如求出的 H 值大于 6 米，则应降低井点管和抽水设备的埋置面；或采用二级或多级井点系统 二层轻型井点降水 3. 涌水量的计算 涌水量 Q 即每昼夜需排出地下水的数量。 水井理论将水井根据不同情况分为： 完全井 ； 非完全井； 承压井； 无压并 ，也称潜井； 水井的分类 井底到达含水层下的不透水层顶面的井为完整井；否则为非完整井。 无压井：地下水表面为自由水压。 承压井：含水层处于两个不透水层之间，地下水表面具有一定水压。 管道线路工程多为浅地层作业，一般不出现承压井情况， 多数是无压非完整井。 井底到达含水层下的不透水层顶面的井为完整井；否则为非完整井。 无压井：地下水表面为自由水压。 承压井：含水层处于两个不透水层之间，地下水表面具有一定水压。 不透水的黏土层 1 ）无压完整井点系统涌水量 Q 涌水量计算中有关参数的计算 A ．渗透系数 K 以现场抽水试验取得或参考表 2-6 选用 当含水层为非均质土层时， K 值应取各层土壤渗透系数的加权平均值 式中 hi —— 各土层的分层厚度， m ； Ki —— 各土层的渗透系数， m/ 昼夜。 B ．抽水影响半径 R ： 井点系统抽水后，地下水受到影响，形成降落曲线，降落曲线稳定时形成以该井为轴心的水位降落漏斗，从漏斗中心到漏斗边缘的水平距离称为该井的抽水影响半径。如图 确定方法：直接观察；经验公式；经验数据 经验公式 经验数据如下： C ．假想半径 X 0 的确定 2 ）无压非完整井系统涌水量 无压非完整井涌水量计算较复杂，为简化起见，工程上常直接引用无压完整井点系统涌水量计算公式，但要将公式中含水层厚度 H 换成渗水有效带深度 H 0 S ’ 注意： 1 、当 H 0 值超过 H 时，取 H 0 ＝ H ； 2 、计算 R 时，也应以 H 0 代入。 指地下水位至滤管顶部的距离 ，它是根据需要的降深而影响涌水量的主要因素。 s — 沟槽或基坑内水位降深; a 1 — 保险值(0.5 — 1m); a 2 — 水力坡降值。 a 2 =Li， i — 水力梯度 a 3 — 井点管局部损 失值(取0 — 0.5m) D ．井点管中降水深度 s ’ =s+a 1 +a 2 +a 3 4. 井点管数量和间距 最少井点数量 q ＝ 65πd L L K 1/3 最大间距 5. 井距和井点管数量的调整 (D ’ 、 n ’ ) 1 ）实际间距的确定 井距取值必须大于 5πd （ πd 为滤管周长），以防止各个井点之间的干扰较大，出水量显著减少； 井距应与总管上的接头间距相匹配（ 0.8 、 1.2 、 1.6 或 2.0m ） ≤ D 计算值 2) 确定井点数 n ’ = L 1 /D ’ 6. 抽水设备选择 1 ）真空泵的选用 干式真空泵常用的型号有 W5 、 W6 型，真空度最大可达 1.0×10 5 Pa 。总管长度小于 100m 时可选用 W5 型，总管长度小于 120m 时可选用 W6 型。 真空泵在抽水系统中所需最低真空度，根据降水深和水头损失按下式计算： kPa 降水深度 h △ 和水头损失△ h, 单位：米 2 ）水泵的选用 （ a ）轻型井点，一组系统通常只用一台水泵，其流量为 1.1 ～ 1.2Q 。 （ b ）水泵 吸水扬程 程应大于井点管长度。 一般水泵都能满足排水扬程的要求。轻型井点多为配套设备，可按具体情况选用。 3 ）射流器的选用 射流器常用的型号有 QJD-45 、 QJD-60 、 JS-45 ，根据基坑（槽）的涌水量及总管长度、井点管确定射流器的大小和台数。 自学例题 2-1 2.1.3 轻型井点施工 施工顺序： 放线定位→铺设总管→冲孔→安装井点管→填滤料、上部粘土密封→井点管与总管连接→安抽水机→抽水→在观测井中测量地下水位的变化 轻型井点的正常出水规律是 “ 先大后小，先混后清 ” 。 井点管的埋设： 井点管水冲下沉（射水法）； 套筒式冲孔法（套管法）； 钻孔法（钻孔后再将井点管沉入） 1. 射水法 主要施工机具：射水式井点管 施工过程：确定井点位置 —— 挖坑、泄水沟 —— 插入射水式井点管 —— 高压水在下端冲刷土体 —— 井点管下沉到设计高度 —— 取下软管，与集水总管连接 —— 填砂 —— 粘土封口 2. 套筒式冲孔法 主要施工机具：套管水枪 施工过程：确定井点位置 —— 土坑 —— 插入套管水枪 —— 高压水射流冲击和套管冲切作用下套管下沉到设计高度 —— 插入井点管 —— 套管与井点管之间填砂 —— 拔出套管 —— 粘土封口 3. 钻孔法 确定井点位置 —— 挖坑、泄水沟 —— 插入冲管 —— 高压水在下端冲刷土体 —— 下沉到设计高度 —— 拔出冲管 —— 井点管埋入 —— 填砂 —— 粘土封口 冲孔 埋管 填砂 封口 井点管施工主要注意事项 冲孔直径不小于 300mm ； 深度比过滤管深 0.5 — 1m ，； 井点管与孔壁间用粗砂（以防止堵塞滤管的网眼）灌实； 井点填砂后，须用粘土封口，以防漏气 井点管埋设后，即可接通总管和抽水系统，进行试抽， 检查降水效果 ， 检查有无淤塞现象。 井点系统运转后，整个施工期不能停止工作。 2.2 喷射井点降水 2.3 电渗井点降水 2.4 深井井点降水 2.5 管井井点降水 自学 第三节 地基处理 3.1 地基处理及其目的 3.1.1 地基容许承载力的概念 地基容许承载力：在保证地基稳定性的前提下， 构筑物不产生超过所允许的下沉量 ， 不会因地基产生的剪应力超过土的抗剪强度而导致地基和构筑物破坏 的承载力。 3.1.2 地基处理 1. 软弱地基或不良地基无法满足构筑物对地基强度和变形条件的要求 2. 原来的地基承载力满足要求，但施工中原状土被扰动而降低了其承载力 地基处理主要对象 1. 软弱地基 在附加应力影响范围内主要受力层由软弱土组成，则为软弱地基。 淤泥及淤泥质土 冲填土 杂（人工）填土 高压缩性土 1 ）淤泥和淤泥质土。 是在 静水或缓慢流水的环境中沉积 ，并经生物化学作用而形成，是具有特殊性质的粘性土。 具有高含水率，高孔隙比，高压缩性、抗剪强度低和流变性等不良特征。 2 ）冲填土 冲填土是在疏浚河流或港口航道时，人为地由 水力冲填泥砂形成 的填土。 其颗粒组成随泥砂来源而变，多为粘粒和粉粒，其次为砂粒。冲填土强度和压缩性都比天然沉积的同类土差。 3 ）杂填土 主要是人类在生产和生活活动中， 堆填建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物形成 的填土。 杂填土性质与堆填年龄有关，一般填龄达到五年左右的杂填土，性质才逐渐趋于稳定。杂填土大多疏松且不均匀，在同一场地的不同位置，其承载力和压缩性往往有较大差异。 4 ）其他高压缩性土 饱和松散粉细砂 ( 包括部分粉土 ) 也应属于软弱地基范畴。其在动力荷载 ( 机械振动、地震等 ) 重复作用下将产生液化；基坑开挖时也会产生管涌。 2. 不良地基 1 ）湿陷性黄土 天然黄土遇水 后，由于水膜增厚和颗粒间盐类胶结物质溶于水而使土的 结构破坏 ，从而突然发生显著的沉陷，强度也迅速降低。 2 ）膨胀土 矿物成分主要为蒙脱石和伊利石， 胀缩性显著 ，吸水膨胀失水收缩，反复作用强度降低，不均匀变形较大，引起上部建筑物开裂。 3.2 地基处理的方法 3.2.1 换土垫层处理方法 ： 1. 概念和原理 是将基础底面下一定深度范围内的软弱土层挖去，然后分层回填强度较大的砂、碎石、素土或灰土等材料，并加以夯实或振密的一种地基处理方法。 此法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的 浅层地基 处理 素土是天然沉积形成的土层中没有掺杂白灰、河流带来的砂石的土，密度均匀，有一定粘稠度。 2.换土垫层的种类 1 ）素土垫层 适用条件：湿陷性黄土和杂土地基 土料要求：素土在最佳含水率范围内，误差不大于 2%, 不得使用含淤泥、耕土、冻土、垃圾、膨胀土以及有机物含量大于 8% 的土 施工要点：挖去软土、分层回填、分层夯实 垫层厚度：根据土层承载力决定，不大于 3 米 2 ）砂垫层 适用条件：含水量较大的黏土性地基 材料要求：粒径级配好（ <50mm ）、质地坚硬 施工要点： P61 自己看 3 ）灰土垫层 适用条件：一般黏性土地基加固、挖深超 15cm ，地基扰动深度小于 1.0 米，无地下水地基 材料要求：石灰：土 =2 ： 8 或 3 ： 7 ，不含生石灰块，粒径不超过 15mm 施工要点：施工前验槽（边坡、排水、清淤），干燥分层回填、分层夯实 3. 垫层的设计 垫层的设计要在满足强度、变形两个方面的要求下，确定合理的厚度和垫层宽度。如图 1 ）垫层厚度 一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不超过同一标高处软弱土层（经深度修正后）的承载力特征值确定 . 即 －垫层底面软弱土层的地基承载力的特征值， KPa －垫层底面处的附加应力， KPa ； －垫层底面处的自重应力， KPa ；可按应力扩散角法计算，即： 对条形基础： 对矩形基础： P 0 ―― 基底附加应力， KPa ； L 、 b―― 分别为矩形基础长度和宽度， m ； h ―― 基础底面至软弱土层顶面的距离， m ； θ —— 应力扩散角， 常见的垫层应力扩散角 换填材料 23 30 ≥ 0.5 30 6 20 0.25 灰土 粉质粘土和粉土 中、粗、砾砂、碎石土、石屑 h/b 注：①当 h/b<0.25 时 , 除灰土外 , 均取 θ = 0° 。 ② 当 0.25< h/b<0.5 时 , 可用内插法求得 。 换土垫层厚度一般为 1 ～ 2 米左右，超过 3 米，导致施工困难且不经济，小于 0.5 米，则垫层作用不显著。垫层厚度宜控制在 0.5 ～ 3.0m 。 应力扩散角 2 ）垫层宽度 垫层宽度的确定，应满足两条原则： （ 1 ）满足应力扩散的要求 （ 2 ）防止垫层向两边挤出 按应力扩散的要求，垫层底面宽度 b′ 应满足 b′≥b+2htan θ l′≥l+2htgθ 垫层顶面每边宜比基础底边 b 大 0.3 m 。 3.2.2 挤密桩法 1. 概念与原理 挤密法主要是先将套管打入或振入地基成孔，再将砂、碎石等土料灌入孔中而形成挤密桩，对软土产生横向挤密作用，从而使土的压缩性减小，抗剪强度提高。 又因为桩体有较高的承载力和变形模量，截面又较大，一般可达松软土加固面积的 20 ％左右，可与软弱土形成 复合地基 ，共同承受建筑物的荷载。 它适用于处理湿陷性黄土和杂填土地基。 2. 挤密桩法的种类 孔内填料不同，适用于不同种类的土 砂石桩：适用于处理松散砂土、填土、塑性指数低的黏土。 灰土桩：适用于处理地下水位以下的饱和黏土、粉土、松散粉细砂、杂填土、饱和黄土等地基。 3. 砂桩设计 1 ）砂土加固范围的确定 砂桩加固的范围 A （ m2) 应大于基础的面积，一般应自基础向外加大不少于 0.5m 。 2 ）所需砂桩的面积 A1 A1 的大小除与加固范围 A 有关外，主要与土层加固后所需达到的地基容许承载力相对应的孔隙比有关。 A1=(e 0 -e 1 )A/ (1+e 0 ) e 0 、 e 1 加固前、后孔隙比， e 1 =e max -Dr(e max -e min ) e max 及 e min 由相对密度试验确定， Dr 根据地质情况、荷载大小及施工条件选择，可取 0.7~0.85. 3 ）砂桩根数 确定 A1 后，再通过规范确定砂桩直径（ 220 — 320mm ， ), 由此确定砂桩根数 4 ）砂桩的布置及其间距 为使挤密作用比较均匀，砂桩可按正方形、梅花形或等边三角形布置。 间距： 1.8 —— 4.0 倍桩直径（越密加固效果越好、越均匀） 5 ）砂桩长度 如软弱土层不很厚，砂桩一般应穿透软土层，压缩层下限；如软弱土层很厚，则根据桩底承载力和沉降的要求，由地基稳定性和变形验算确定。 6 ）灌砂量计算（ 59 页公式 2-20 ） 4. 施工要点 1 ）桩孔定位 2 ）桩机设备就位 —— 振动沉桩机 3 ）打桩、灌砂、拔管 砂石材料要求：颗粒径 0.3 —— 3mm ，含泥量不大于 5% ，含水量 7% —— 9% 3.2.3 振冲法： 利用水压和振动使地基密实。 常用于砂土地基 3.2.4 注浆加固法 ：注入化学药剂，填塞孔隙，并发生化学反应，在颗粒间生成胶凝物质，固结土颗粒。 特别适用已建成的工程地基处理 P60表2-13 地基处理 1. 地基处理的对象 2. 地基处理方法分类 3. 各种方法的材料要求和施工要点