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1、高层建筑深基坑中经常会遇到地下水，由于地下水的存在，给深基坑施工带来很多问题，如基坑开挖，边坡稳定，基底隆起与突涌、浮力及防渗漏等。为了确保高层建筑深基坑工程施工正常进行，必须对地下水进行有效治理，若处理不当会发生严重的工程事故，造成极大的危害。因此，地下水的控制工作已越来越受到重视，成为深基坑施工中的重要组成部分。,第一章 高层建筑深基坑地下水控制,第一节 地下水的基本特性 要治理好地下水，就必须了解场地的地层结构，查明含水层厚度，渗透性和水量，研究地下水的性质、补给和排水条件，分析地下水的动态特征及其与区域地下水的关系，寻找人工降水的有利条件，从而制定出切实可行的最佳降水方案。 与深基坑工
2、程有关的地下水一般分为上层滞水、潜水和承压水三类。,上层滞水，分布于上部松散地层的包气带之中，含水层多为微透水至弱透水层。无统一水面，水位随季节变化，不同场地不同季节的地下水位各不相同，涌水量很小，且随季节和含水层性质的变化而有较大的变化。 潜水，分布在松散地层，基岩裂隙破碎带及岩溶等地区，含水层可为弱透水层、强透水层。 承压水，分布于松散地层，基岩构造盆地、岩溶地区，充满两个隔水层之间的含水层中的地下水。该承压水对基坑底板和基坑施工的危害较大，一般由于其埋深大、水头高、水量大等原因，给深基坑的治水工作带来一定的困难。,一、动水压力和流砂 粒径很小的非黏性土，在动水压力作用下，土颗粒极易失去稳
3、定，而随地下水一起流动涌入坑内，这种现象成为流砂，也称为管涌冒砂。发生流砂现象时，地基完全失去承载力，工人难以立足，施工条件恶化；土边挖边冒，难以达到设计深度；引起边坡塌方，使附近建筑物下沉、倾斜，甚至倒塌；拖延工期，增加施工费用。因此，在施工前，必须对工程地质资料和水文资料进行详细调查研究，采取有效措施来防治流砂现象。,（一）流砂的成因 产生流砂的原因有外因和内因。外因取决于外部水位条件，内因取决于土的性质。 1.产生流砂的外因 地下水的渗流对单位土体的土颗粒产生的压力称为动水压力，用表示，它与单位土体内渗流水受到土颗粒的阻力T大小相等、方向相反。如图1-1所示，水在土体内从A向B流动，沿水
4、流方向任取一土柱体AB，其长度为L，横断面积为S，两端点A、B之间的水头差为。计算动水压力时，考虑地下水的渗流加速度很小，因而忽略惯性力。,作用于AB土体上的力有：, ； 其中g为重力加速度, 为水的密度,S为断面积； 土柱体内水的重量 ；为土柱体中的土颗粒对渗流水的总阻力， ,T为土体的阻力。 根据静力平衡条件，得,将 代入上式，可得式中， ，称为水力坡度。设水在土中渗流时，对单位土体的压力为 ，由作用力等于反作用力、但方向相反的原理，可知：由此式可知：动水压力与水力坡度成正比；动水压力作用方向与水流方向相同。,由于动水压力与水流方向一致，所以当水在土中渗流的方向改变时，动水压力对土就会产生
5、不同的影响。如水流从上向下，则动水压力与重力方向相同，加大土粒间的压力。如水流从下向上，则动水压力与重力方向相反，减少土粒间压力，也就是土粒除了受水的浮力外，还要受到动水压力向上举的趋势。如果动水压力等于或大于土的有效重度，即此时，土粒即可能失去自重，在动力压力作用下处于悬浮状态，随着渗流的水一起流动，即出现所谓流砂。,2.产生流砂的内因 由土的三相比例指标换算公式可知，土在水中的有效重度与孔隙比的关系：式中 土的饱和重度；土的相对密度；土的孔隙比。 所以，土粒愈细，有效重度愈小，孔隙比愈大，在孔隙水动力压力作用下就愈容易产生流砂。 根据经验，流砂一般容易发生在细砂、粉砂等砂性土壤中。所以，为
6、避免施工过程出现流砂，施工前即应了解工程场地的地质、水文情况、以便预先采取措施防治。,（二）流砂的防治措施 细砂、粉砂等砂性土壤一般容易发生流砂现象，但是否出现流砂现象的重要条件是动水压力的大小和方向。在一定条件下土转化为流砂，而在另一些条件下，又可将流砂转变成为稳定土。 因此，在基坑开挖中，防治流砂的原则是“治砂必先治水”。防治流砂的途径有：一是减少或平衡动水压力；二是改变动水压力方向；三是截断地下水流。,其具体措施有： （1）枯水期施工：因地下水位低，坑内外水位差和动水压力小，因此不易产生流砂。 （2）抛沙袋或大石块重压法：在施工过程中如发生局部的或轻微的流砂，可组织人力分段抢挖，使挖土速
7、度超过冒砂速度，挖至标高后，立即铺设芦席并抛沙袋或大石块，增加土的压重，以平衡动水压力。 （3）打钢板桩法：将板桩沿基坑周围打入坑底面一定深度，增加地下水从坑外流入坑内的渗流路线长度，从而减小水力坡度，降低动水压力，防止流砂产生。 （4）水下挖土法：就是不排水施工，使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力。,（5）人工降低地下水位法：如采用轻型井点，喷射井点及管井井点等，由于地下水位降低，在降水疏干区流砂失去了流动的条件，不会产生流砂。而在疏干区以下，地下水的渗流向下，使动水压力的方向也朝下，增大土粒间的压力，从而有效制止流砂的产生。因此，此法应用广且较可靠。 （6）地下连续墙法：沿基坑四周筑起
8、一道连续的钢筋混凝土墙，以支撑土壁、截水并防止流砂。 此外，在含有大量地下水土层或沼泽地区施工时，还可以采取土壤冻结法等。对位于流砂地区的基础工程，应尽可能用桩基或沉井施工，以节约防治流砂所增加的费用。,二、地下水控制方法的选择 在基坑工程施工中，对地下水的治理一般可从两个方面进行，一是降低地下水位；二是堵截地下水。 降低地下水位的常用方法可分为集水明排和井点降水两类。 在软土地区基坑开挖深度超过3m，一般就要用井点降水。开挖深度浅时，亦可边开挖边用排水沟和集水井进行集水明排。 地下水控制方法有多种，选择时根据土层情况、降水深度、周围环境、支护结构种类等综合考虑后优选。 当因降水而危及基坑及周
9、边环境安全时，宜采用截水或回灌方法。,第二节 降低地下水的方法 一、集水明排法 在地下水位较高地区开挖基坑，会遇到地下水问题。如涌入基坑内的地下水不能及时排除，不但土方开挖困难，边坡易于塌方，而且会使地基被水浸泡，扰动地基土，造成竣工后的建筑物产生不均匀沉降。为此，在基坑开挖时要及时排除涌入的地下水。当基坑开挖深度不很大，基坑涌水量不大时，可采用集水明排法。 集水明排法属于重力式排水，它是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟，并每隔一定距离设置集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵将水抽出坑外。集水明排法是应用最广泛、最简单、经济的方法。,1.明沟、集水井布置 明沟、集水井排
10、水多是在基坑的两侧或四周设置排水明沟，在基坑四角或每隔3040m设置集水井，使基坑渗出的地下水通过排水明沟汇集于集水井内，然后用水泵将其排出基坑外（图1-2）。,2.基坑涌水量的计算 地下水渗入基坑的涌入量的涌水量与土的种类、渗透系数、水头大小、坑底面积等有关，可通过抽水试验确定或实验经验估算，或按大井法计算。 流入基坑的涌水量Q为从四周坑壁和坑底流入的水量之和，一般按下式计算：,在选择水泵考虑水泵流量时，因最初涌水量比较稳定，涌水量大，按上式计算出的涌水量应增加10%20%。,当基坑开挖的土层由多种土组成，中部夹有透水性能的砂类土，基坑侧壁出现分层渗水时，可在基坑边坡上按不同高程分层设置明沟
11、和集水井构成明排水系统，分层阻截和排除上部土层中的地下水，避免上层地下水冲刷基坑下部边坡造成塌方（图1-3）。,3.水泵选用 集水明排水是用水泵从集水井中排水，常用的水泵有离心泵、潜水泵和软轴水泵。排水所需水泵的功率按下式计算：（1-6）式中 K1安全系数，一般取2； Q基坑涌水量（m3/d）； H包括扬水、吸水及各种阻力造成的水头损失在内的总高度（m）； 1水泵效率，0.40.5； 2动力机械效率，0.750.85。 一般所选用水泵的排水量为基坑涌水量的1.52.0倍。,二、降水法 井点降水法是将带有滤管的降水工具沉设到基坑四周的土中，利用各种抽水工具，在不扰动土的结构的情况下，将地下水抽出
12、，使地下水位降低到坑底以下，保证基坑开挖能在较干燥的施工环境中进行。 井点降水法优点是不仅可避免大量涌水、冒泥、翻浆，而且在粉细砂、粉土层中开挖基坑中，可以有效防止流砂现象发生；同时由于土中水分排除后，动水压力减小或消除，大大提高边坡稳定性，边坡可放陡，可减少土方开挖量；此外由于渗流向下，动水压力方向与重力方向相同，增加土颗粒间的压力使坑底土层更为密实，改善土的性质；再者井点降水可大大改善施工条件，提高效率，缩短工期。但井点降水设备一次性投资较高，运转费用较大，施工中应合理布置和适当安排工期，以减少作业时间，降低排水费用。井点降水的负面影响为坑外地下水位下降，基坑周围土体固结下沉。降水法有真空
13、井点、喷射井点、管井法或深井泵法。,（一）真空井点 真空井点过去称为轻型井点是沿基坑周围以一定的间距埋入井管（下端为滤管），在地面上用水平铺设的集水总管将各井管连接起来，再于一定位置设置真空泵和离心泵，开动真空泵和离心泵后，地下水在真空吸力作用下，经滤管进入井管，然后经集水总管排出，这样就降低了地下水位（图1-4）。 真空井点设备主要包括：井管（下端为滤管）、集水总管、水泵和动力装置等,（二）喷射井点降水 当基坑开挖较深或降水深度超过6m时，必须使用多级轻型井点，才能收到预期效果。这样，会增大基坑的挖土量、延长工期并增加设备数量，不够经济。因此，当降水深度超过8m时，应采用喷射井点。喷射井点根
14、据其工作时使用液体和气体的不同，分为喷水井点和喷气井点两种。 其设备主要由喷射井管、高压水泵（或空气压缩机）和管路系统组成（图1-12c）。,1.工作原理 喷射井点的主要工作部件是喷射井管内管底端的扬水装置喷嘴的混合室（图1-5）；当喷射井点工作时，由地面高压离心水泵供应的高压工作水，经过内外管之间的环形空间直达底端，在此处高压工作水由特制内管的两侧进水孔进入至喷嘴喷出，在喷嘴处由于过水断面突然收缩变小，使工作水流具有极高的流速（3060m/s），在喷口附近造成负压（形成真空），因而将地下水经滤管吸入，吸入的地下水在混合室与工作水混合，然后进入扩散室，水流从动能逐渐转变为位能，即水流的流速相对
15、变小，而水流压力相对增大，把地下水连同工作水一起扬升出地面，经排水管道系统排至集水池或水箱，由此再用排水泵排出。,2.构造设计 喷射井点管单井的抽水、抽气能力，主要取决于喷嘴直径大小、喷嘴直径与混合室直径之比、混合室长度等。,3.布置与使用采用喷射井点时，当基坑宽度小于10m可单排布置；大于10m则双排布置。当基坑面积较大时，宜环形布置。井点间距一般为23m。埋设时冲孔直径约400600mm，深度应大于滤管底1m以上。 利用喷射井点降低地下水位，扬水装置加工的质量和精度非常重要。如喷嘴的直径加工不精确，尺寸加大，则工作水流量需要增加，否则真空度将降低，影响抽水效果。,4.施工工艺程序（图1-6
16、）,（三）电渗井点降水所谓电渗井点，一般与轻型井点或喷射井点结合使用，是利用轻型井点或喷射井点管本身作为阴极，一金属棒（钢筋、钢管、铝棒等）作为阳极。通入直流电（采用直流发电机或直流电焊机）后，带有负电荷的土粒即向阳极移动（即电泳作用），而带有正电荷的水则向阴极方向集中，产生电渗现象。在电渗与井点管内的真空双重作用下，强制粘土中的水由井点管快速排出，井点管连续抽水，从而地下水位渐渐降低。,（四）管井井点降水 管井井点降水法是围绕开挖的基坑每隔一定距离（2050m）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。管井由滤水井管、吸水管和抽水机械等组成（图1-8）。管井设备较为简单，排水量大，降水较深，水泵设在地面，易于维护，降水深度35m，可代替多组轻型井点作用。适于渗透系数较大，地下水丰富的土层、砂层。但管井属于重力排水范畴，吸程高度受到一定限制，要求渗透系数较大（1200m/d）。,
