第二章 施工排水及地基處理

第二章施工排水及

地基處理

第二章施工排水及地基處理

第一節(jié)明溝排水法第二節(jié)人工降低地下水位法第三節(jié)地基處理學習目標1.掌握明溝排水法的系統(tǒng)組成、系統(tǒng)布置的要求及涌水量計算；2.了解人工降低地下水位常采用的井點排水的方法種類，掌握輕型井點法系統(tǒng)設計，了解各種井點系統(tǒng)的施工和使用；3.了解常用的地基處理的方法，掌握換土墊層方法；重點和難點1.輕型井點法系統(tǒng)設計開挖基坑或溝槽時的地下水：A影響正常施工；B造成地基承裁力降低；C邊坡坍塌事故。施工排水內(nèi)容：地下水、地表水排除。地表水：筑堤截水，設溝引水地下水：明溝排水法、人工降低地下水位法目的：改善槽底施工條件，穩(wěn)定邊坡；穩(wěn)定槽底；防止地基土承載力下降第一節(jié)明溝排水法

明溝排水法是在管溝或基坑開挖時，在溝（坑）底設置集水井（坑），在溝（坑）底周圍或中央開挖排水溝，使地下水沿排水溝流入集水井中，然后用水泵抽走的方法。抽水工作應持續(xù)到整個地段管線下溝、回填工序結(jié)束后才能停止。1.1排水溝、集水井、水泵的布置1.排水溝的位置：先中間，后側(cè)邊；設置在基礎以外排水溝的尺寸：一般底寬及溝深不小于0.3m縱向坡度不小于1%，坡向集水井2.集水井位置：井底距槽底1-2米，一般間隔50-150米集水井尺寸：直徑或?qū)挾葹?.7-0.8米，具體應根據(jù)土質(zhì)、地下水量及水泵的抽水能力而定3.水泵的選用選擇水泵的主要參數(shù)是：流量、揚程。流量：為管溝、基坑滲水量的1.5～2.0倍。水泵的揚程=高差+摩阻損失（實際揚程的15%～30%估算）（1）離心泵工作能力：抽水能力大，適用于地下水量較大的基坑，又分為清水泵、混水泵。工作原理：葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將輪心處的水甩往輪邊，再沿出水管壓到高處；葉輪的中心形成部分真空；在大氣壓作用下，地下水不斷地從吸水管內(nèi)自動上升，進入水泵采用離心泵時，要特別注意吸水管接頭不能漏氣，且吸水口至少應在水面以下500mm，以防吸入空氣。啟動離心泵時，必須先向泵體和吸水管內(nèi)灌滿水，排除空氣，然后才能開泵抽水。（2）潛水泵潛水泵工作時要全部浸入水中；泵小、輕、移動方便、安裝簡單，開泵時不需引水，在基坑排水中采用較廣。綜合反映土體滲透能力的指標，又稱水力傳導系數(shù)。在數(shù)值上等于水力坡度為1時，通過單位面積的滲流量。滲透系數(shù)愈大，透水性越強，反之越弱。

1.2涌水量計算1.管溝、基坑處于一般地段或干河床時Q——總滲水量，m3/晝夜；K——土壤滲透系數(shù)，m／晝夜，見表2-1S——要求地下水位降深，m；R——滲水影響半徑，m；R0——溝、坑計算半徑，m。排水溝、集水井斷面尺寸和水泵流量選擇的依據(jù)滲水影響半徑R的確定滲水影響半徑R與土壤滲透系數(shù)、含水層厚度、水位降落值及抽水時間等因素有關(guān)。一般以抽水2～5天后水位降落曲線基本穩(wěn)定時為計算條件，此時可按經(jīng)驗公式計算。式中S——要求水位降落值，m；H——含水層厚度，m；K——土壤滲透系數(shù)，m/晝夜。當含水層厚度無限大時，R值可從參考表選取計算半徑R0的確定對管溝和矩形基坑：圓形基坑：R0為基坑地下水位內(nèi)的平均半徑；不規(guī)則基坑：

L、B—基坑的平均長度和平均寬度，m；

F—不規(guī)則基坑的平均面積，m。2.管溝、基坑靠近河邊時（）

式中L——管溝基坑離河岸距離，m；明溝排水法的適用范圍開挖基礎不深或水量不大的溝槽或基坑由于設備簡單、排水方便，采用較為普遍，適用于粗粒土層（土粒粗不致被水流帶走）、滲水量小的粘性土；當土為細砂和粉砂時，地下水滲出會帶走細粒，發(fā)生流砂現(xiàn)象，導致邊坡坍塌、坑底隆起、施工困難，此時采用井點降水法。第二節(jié)人工降低地下水位人工降低地下水位是在基坑周圍布設深于基底的井點進行抽水，使地下水水位局部下降至坑底以下，這樣基本消除了地下水對施工的影響。井點降水按降深不同、抽吸原理和抽吸設備的不同，可分為輕型井點、噴射井點、管井井點、電滲井點和深井泵井點降水等多種，其適用范圍見表2-3。

2.1輕型井點法

概念：沿管溝或基坑周圍把許多小直徑的井點管埋入地下含水層內(nèi)，井點管上端通過彎管和總管連接，下端通過濾水管和地下含水層連通，利用抽水設備把地下水從井點管內(nèi)不斷提出，如下圖所示輕型井點系統(tǒng)適用在粗砂、中砂、細砂、粉砂等土層中降低地下水輕型井點降水全貌圖（單層輕型井點）

。2.1.1輕型井點系統(tǒng)的組成管路系統(tǒng)：井點管（包含濾管）、彎管、總管和閥門等抽水設備及其它附屬設備：真空泵、離心水泵、氣水分離器等。1—井點管；2—彎聯(lián)管；3—總管；4—過濾器；5—氣水分離器；6—真空表；7—離心泵；8—真空泵1.濾水管位置：井點管下端，埋入含水層規(guī)格：Φ38—55mm，L=1-2m材質(zhì)：無縫鋼管結(jié)構(gòu)：粗鋼絲保護網(wǎng)、濾水網(wǎng)（內(nèi)外兩層）、螺旋形細鋼絲、鋼管（5—12mm孔眼）進水管面積：A=2mπrdLL避免濾孔淤塞2.井點管位置：下端與濾水管用管箍連接,上端與總管通規(guī)格：直徑與濾水管相同，長度視埋深而定材質(zhì)：無縫鋼管3.彎聯(lián)管位置：連接總管和井點管規(guī)格：Φ38—55mm材質(zhì)：加固橡膠管、鋼管彎頭4.總管位置：與抽水設備相連規(guī)格：Φ100—150mm，L=4-6m材質(zhì)：鋼管結(jié)構(gòu)：管壁上短管5.抽水設備真空式抽水設備：抽水深度5.5-6.5m，真空泵、離心水泵、氣水分離器等射流式抽水設備：抽水深度9-11m自引式抽水設備：抽水深度2-4m2.1.2輕型井點設計輕型井點降水法設計步驟為：1、確定平面布置方案2、確定高程布置方案3、井點系統(tǒng)涌水量計算（Q)4、井點管數(shù)量計算(n)5、井距計算(D)6、井距和井點管數(shù)量的調(diào)整(D、n)7、抽水設備的選擇1.確定平面布置方案1）系統(tǒng)形式選擇a.單排：在溝槽上游一側(cè)布置，每側(cè)超出溝槽≮B用于溝槽寬度B≤6m，降水深度≤5m。b.雙排：在溝槽兩側(cè)布置，每側(cè)超出溝槽≮B。用于溝槽寬度B>6m，或土質(zhì)不良，以便快速將水抽c.環(huán)形布置：在溝槽四周布置，可以封閉，也可以在基坑下游側(cè)留一段不封閉。用于基坑面積較大時。2）井點的布置井點管要靠近溝坑，但是距溝坑壁不小于1.0～1.5m，防止局部漏氣，影響抽吸效果。井點管間距一般采用0.8～1.6m，應根據(jù)土質(zhì)，設備條件或通過計算確定。靠近河流處井點應適當加密。3）總管的布置比井點管更靠外一些（1.5米），并以1‰——2‰的坡度（坡向抽水設備），多個抽水設備將總管分段4）抽水設備布置抽水設備應布置在地下水流的上游，并設在總管中部，以發(fā)揮其最大效能。一套抽水設備所能帶動的總長度大約在100m左右，5）觀察井的布置為了觀察水位降落情況，應在降水范圍內(nèi)設置若干個觀測井，觀測井的位置：降低水位不利點，一般在基礎中心、總管末端、局部挖深處等控制點，均應設置觀測井。觀測井由井點管做成，只是不與總管相接。2、確定高程布置方案總管的布置標高應接近原有地下水位線，抽水設備的水泵軸心標高與總管拉平。井點管埋設深度必須將濾管埋入儲水層內(nèi)，可按下式計算：為達到此目的，同時不影響地面交通，通常將總管設置于地面下0.5米處H——井點管設置深度，m；H1——從井點管埋設面至管溝底面的距離，m；h——降水后地下水位至管溝底面的安全距離，0.5～1.0mi——水力坡度，經(jīng)驗值，單排井點i＝1/4或1/5，雙排或環(huán)形井點i＝1/10—1/15；L——井點管中心至管溝（或基坑）控制水位點（線）的水平距離，l——濾水管長度圖井點管中心至管溝控制水位點的水平距離實際工程中，井點管均為定型的，有一定標準長度。通常根據(jù)給定井點管長度驗算△h，如△h≥0.5~1ｍ，則可滿足。

計算公式如下：

△h＝Lj－０.２－H１－ｉＬ式中：Lj－井點管長度0.2－井點管露出地面的長度輕型井點法的降水深度以不超過6米為宜，如求出的H值大于6米，則應降低井點管和抽水設備的埋置面；或采用二級或多級井點系統(tǒng)二層輕型井點降水3.涌水量的計算

涌水量Q即每晝夜需排出地下水的數(shù)量。水井理論將水井根據(jù)不同情況分為：完全井；非完全井；承壓井；無壓并，也稱潛井；水井的分類井底到達含水層下的不透水層頂面的井為完整井；否則為非完整井。無壓井：地下水表面為自由水壓。承壓井：含水層處于兩個不透水層之間，地下水表面具有一定水壓。管道線路工程多為淺地層作業(yè)，一般不出現(xiàn)承壓井情況，多數(shù)是無壓非完整井。

井底到達含水層下的不透水層頂面的井為完整井；否則為非完整井。無壓井：地下水表面為自由水壓。承壓井：含水層處于兩個不透水層之間，地下水表面具有一定水壓。不透水的黏土層1）無壓完整井點系統(tǒng)涌水量Q涌水量計算中有關(guān)參數(shù)的計算

A．滲透系數(shù)K以現(xiàn)場抽水試驗取得或參考表2-6選用當含水層為非均質(zhì)土層時，K值應取各層土壤滲透系數(shù)的加權(quán)平均值式中hi——各土層的分層厚度，m；Ki——各土層的滲透系數(shù)，m/晝夜。

B．抽水影響半徑R：井點系統(tǒng)抽水后，地下水受到影響，形成降落曲線，降落曲線穩(wěn)定時形成以該井為軸心的水位降落漏斗，從漏斗中心到漏斗邊緣的水平距離稱為該井的抽水影響半徑。如圖確定方法：直接觀察；經(jīng)驗公式；經(jīng)驗數(shù)據(jù)經(jīng)驗公式經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下：C．假想半徑X0的確定

2）無壓非完整井系統(tǒng)涌水量

無壓非完整井涌水量計算較復雜，為簡化起見，工程上常直接引用無壓完整井點系統(tǒng)涌水量計算公式，但要將公式中含水層厚度H換成滲水有效帶深度H0S’注意：1、當H0值超過H時，取H0＝H；

2、計算R時，也應以H0代入。指地下水位至濾管頂部的距離，它是根據(jù)需要的降深而影響涌水量的主要因素。s—溝槽或基坑內(nèi)水位降深;a1—保險值(0.5—1m);a2—水力坡降值。a2=Li，i—水力梯度a3—井點管局部損失值(取0—0.5m)D．井點管中降水深度s’=s+a1+a2+a34.井點管數(shù)量和間距

最少井點數(shù)量q＝65πdLLK1/3最大間距5.井距和井點管數(shù)量的調(diào)整(D’、n’)1）實際間距的確定井距取值必須大于5πd（πd為濾管周長），以防止各個井點之間的干擾較大，出水量顯著減少；井距應與總管上的接頭間距相匹配（0.8、1.2、1.6或2.0m）≤D計算值2)確定井點數(shù)n’=L1/D’6.抽水設備選擇1）真空泵的選用干式真空泵常用的型號有W5、W6型，真空度最大可達1.0×105Pa?？偣荛L度小于100m時可選用W5型，總管長度小于120m時可選用W6型。真空泵在抽水系統(tǒng)中所需最低真空度，根據(jù)降水深和水頭損失按下式計算：kPa降水深度h△和水頭損失△h,單位：米2）水泵的選用（a）輕型井點，一組系統(tǒng)通常只用一臺水泵，其流量為1.1～1.2Q。（b）水泵吸水揚程程應大于井點管長度。一般水泵都能滿足排水揚程的要求。輕型井點多為配套設備，可按具體情況選用。3）射流器的選用射流器常用的型號有QJD-45、QJD-60、JS-45，根據(jù)基坑（槽）的涌水量及總管長度、井點管確定射流器的大小和臺數(shù)。自學例題2-12.1.3輕型井點施工

施工順序：放線定位→鋪設總管→沖孔→安裝井點管→填濾料、上部粘土密封→井點管與總管連接→安抽水機→抽水→在觀測井中測量地下水位的變化輕型井點的正常出水規(guī)律是“先大后小，先混后清”。井點管的埋設：井點管水沖下沉（射水法）；套筒式?jīng)_孔法（套管法）；鉆孔法（鉆孔后再將井點管沉入）1.射水法主要施工機具：射水式井點管施工過程：確定井點位置——挖坑、泄水溝——插入射水式井點管——高壓水在下端沖刷土體——井點管下沉到設計高度——取下軟管，與集水總管連接——填砂——粘土封口2.套筒式?jīng)_孔法主要施工機具：套管水槍施工過程：確定井點位置——土坑——插入套管水槍——高壓水射流沖擊和套管沖切作用下套管下沉到設計高度——插入井點管——套管與井點管之間填砂——拔出套管——粘土封口3.鉆孔法確定井點位置——挖坑、泄水溝——插入沖管——高壓水在下端沖刷土體——下沉到設計高度——拔出沖管——井點管埋入——填砂——粘土封口沖孔

埋管

填砂

封口

井點管施工主要注意事項沖孔直徑不小于300mm；深度比過濾管深0.5—1m，；井點管與孔壁間用粗砂（以防止堵塞濾管的網(wǎng)眼）灌實；井點填砂后，須用粘土封口，以防漏氣井點管埋設后，即可接通總管和抽水系統(tǒng)，進行試抽，檢查降水效果，檢查有無淤塞現(xiàn)象。井點系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后，整個施工期不能停止工作。2.2噴射井點降水

2.3電滲井點降水2.4深井井點降水2.5管井井點降水自學第三節(jié)地基處理3.1地基處理及其目的3.1.1地基容許承載力的概念地基容許承載力：在保證地基穩(wěn)定性的前提下，構(gòu)筑物不產(chǎn)生超過所允許的下沉量，不會因地基產(chǎn)生的剪應力超過土的抗剪強度而導致地基和構(gòu)筑物破壞的承載力。3.1.2地基處理1.軟弱地基或不良地基無法滿足構(gòu)筑物對地基強度和變形條件的要求2.原來的地基承載力滿足要求，但施工中原狀土被擾動而降低了其承載力地基處理主要對象1.軟弱地基在附加應力影響范圍內(nèi)主要受力層由軟弱土組成，則為軟弱地基。淤泥及淤泥質(zhì)土沖填土雜（人工）填土高壓縮性土1）淤泥和淤泥質(zhì)土。是在靜水或緩慢流水的環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學作用而形成，是具有特殊性質(zhì)的粘性土。具有高含水率，高孔隙比，高壓縮性、抗剪強度低和流變性等不良特征。2）沖填土沖填土是在疏浚河流或港口航道時，人為地由水力沖填泥砂形成的填土。其顆粒組成隨泥砂來源而變，多為粘粒和粉粒，其次為砂粒。沖填土強度和壓縮性都比天然沉積的同類土差。3）雜填土主要是人類在生產(chǎn)和生活活動中，堆填建筑垃圾、工業(yè)廢料、生活垃圾等雜物形成的填土。雜填土性質(zhì)與堆填年齡有關(guān)，一般填齡達到五年左右的雜填土，性質(zhì)才逐漸趨于穩(wěn)定。雜填土大多疏松且不均勻，在同一場地的不同位置，其承載力和壓縮性往往有較大差異。4）其他高壓縮性土飽和松散粉細砂(包括部分粉土)也應屬于軟弱地基范疇。其在動力荷載(機械振動、地震等)重復作用下將產(chǎn)生液化；基坑開挖時也會產(chǎn)生管涌。2.不良地基1）濕陷性黃土天然黃土遇水后，由于水膜增厚和顆粒間鹽類膠結(jié)物質(zhì)溶于水而使土的結(jié)構(gòu)破壞，從而突然發(fā)生顯著的沉陷，強度也迅速降低。2）膨脹土礦物成分主要為蒙脫石和伊利石，脹縮性顯著，吸水膨脹失水收縮，反復作用強度降低，不均勻變形較大，引起上部建筑物開裂。3.2地基處理的方法3.2.1換土墊層處理方法：1.概念和原理是將基礎底面下一定深度范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后分層回填強度較大的砂、碎石、素土或灰土等材料，并加以夯實或振密的一種地基處理方法。此法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、雜填土地基及暗溝、暗塘等的淺層地基處理素土是天然沉積形成的土層中沒有摻雜白灰、河流帶來的砂石的土，密度均勻，有一定粘稠度。2.換土墊層的種類1）素土墊層適用條件：濕陷性黃土和雜土地基土料要求：素土在最佳含水率范圍內(nèi)，誤差不大于2%,不得使用含淤泥、耕土、凍土、垃圾、膨脹土以及有機物含量大于8%的土施工要點：挖去軟土、分層回填、分層夯實墊層厚度：根據(jù)土層承載力決定，不大于3米2）砂墊層適用條件：含水量較大的黏土性地基材料要求：粒徑級配好（<50mm）、質(zhì)地堅硬施工要點：P61自己看3）灰土墊層適用條件：一般黏性土地基加固、挖深超15cm，地基擾動深度小于1.0米，無地下水地基材料要求：石灰：土=2：8或3：7，不含生石灰塊，粒徑不超過15mm施工要點：施工前驗槽（邊坡、排水、清淤），干燥分層回填、分層夯實3.墊層的設計墊層的設計要在滿足強度、變形兩個方面的要求下，確定合理的厚度和墊層寬度。如圖1）墊層厚度一般根據(jù)墊層底面處土的自重應力與附加應力之和不超過同一標高處軟弱土層（經(jīng)深度修正后）的承載力特征值確定.即

－墊層底面軟弱土層的地基承載力的特征值，KPa

－墊層底面處的附加應力，KPa；－墊層底面處的自重應力，KPa

；可按應力擴散角法計算，即：對條形基礎：

對矩形基礎：

P0――基底附加應力，KPa；

L、b――分別為矩形基礎長度和寬度，m；

h――基礎底面至軟弱土層頂面的距離，m；

θ——應力擴散角，常見的墊層應力擴散角換填材料2330≥0.5306200.25灰土粉質(zhì)粘土和粉土中、粗、礫砂、碎石土、石屑h/b

注：①當h/b<0.25時,除灰土外,均取θ=0°。②當0.25<h/b<0.5時,

可用內(nèi)插法求得。換土墊層厚度一般為1～2米左右，超過3米，導致施工困難且不經(jīng)濟，小于0.5米，則墊層作用不顯著。墊層厚度宜控制在0.5～3.0m。

應力擴散角

2）墊層寬度墊層寬度的確定，應滿足兩條原則：（1）滿足應力擴散的要求（2）防止墊層向兩邊擠出按應力擴散的要求，墊層底面寬度b′應滿足

b′≥b+2htanθ

l′≥l+2htgθ

墊層頂面每邊宜比基礎底邊b大0.3m。3.2.2擠密樁法1.概念與原理擠密法主要是先將套管打入或振入地基成孔，再將砂、碎石等土料灌入孔中而形成擠密樁，對軟土產(chǎn)生橫向擠密作用，從而使土的壓縮性減小，抗剪強度提高。又因為樁體有較高的承載