武汉地区深基坑地下水控制要点终稿

2021-04-25 12:56:49本页面

武汉地区深基坑地下水控制要点终稿


【正文】

武汉地区深基坑地下水,控制要点,主讲:中国工程勘察大师范士凯先生,为澄清地下水变化引起周边环境变化的性质、特点并进一步总结出深基坑地下水控制要点,本文将从地层分布组合及其地下水类型和地下水失控对环境影响的特点、武汉地区深基坑地下水控制的历史回顾和基础理论的回顾这三个方面进行分析,进而总结出地下水控制要点。,武汉地区深基坑施工中的地下水危害,主要发生在长江一级阶地上。深基坑施工中,地下水的变化对周边环境的影响主要表现有两种:,正常的含水层固结沉降,引起的地面轻微沉降,渗透破坏引起的周边环境严重破坏,引言,一地层分布组合、地下水类型及地下水失控对环境影响的特点,二武汉长江一级阶地深基坑地下水控制的历史回顾。

三基坑理论的回顾,四基本认识和结论(地下水控制要点),五实例分析“中华城”、“国税局”基坑周边环境破坏的原因,内容,一、地层分布组合、地下水类型及地下水失控对环境影响的特点,1地层分布特点(上、中、下三段),3地下水失控对周边环境影响的特点,2地下水类型,杂填土(或素填土)淤泥,淤泥质粉质粘土夹粉土、粉砂粉质粘土夹粉土、粉砂,粉质粘土、粉土、粉砂互层粉细砂中粗砂、砾砂、卵砾石,上段,中段,下段,地层分布特点,上层滞水,隔水层,承压水,1、地层分布特点(上、中、下三段),2地下水类型,由于中段隔水层、层(渗透系数K小于105cm/s)的存在,上层滞水与承压水之间没有水力联系;承压含水层中的层互层土(夹花层)与其下的、层虽同属承压含水层。

但在降水过程中由于这两层土的渗透系数K值差别很大,第层垂直渗透系数远远小于、层,故在降水过程中层土中水位降存在滞后并将恒定高于、层中水位。,含于层杂填土、层淤泥和层淤泥质粉质粘土中的粉土、粉砂夹层中。为不连续的、厚度及含水性很不均匀的含水层。,上层滞水,含于层粉质粘土、粉土、粉砂互层土和层粉细砂及层中粗砂、砾砂、卵砾石中。与长江水体有直接的水力联系,因而具承压性,其压力水头受长江水位涨落控制,承压水头年变幅35米,最大可达8米。,下层承压水,3地下水失控对周边环境影响的特点,所谓地下水失控,是指除正常的井点降水或有效的帷幕隔渗之外的不正常情况,如:,(1)上段:上层滞水(、、层)失控(竖向帷幕封闭不严)造成杂填土失水固结沉降和层中粉土、粉砂夹层流土(渗透破坏)。

引起地表不均匀沉陷。其表现为:沉降量大(流土时表现为沉陷),很不均匀(局部陷坑)。对道路、管线和浅基础建筑物或深基础建筑物附属的浅基础部分(门厅、台阶、散水等)影响较大。如红日大厦、君安大厦、时代广场、蓝天嬉水乐园和最近的中华城、国税局等。,(2)下段(承压水):失控是指降水水位未达到开挖深度以下,带压开挖引起侧壁管涌或底板突涌(流土)渗透破坏。经常发生在第层(互层土中的承压水)。其表现为地表大范围(数十米)沉陷(数十厘米),破坏严重。如太和广场、天安酒店、金色雅园,其中以金色雅园最为典型。,以上两种主要是地下水的渗透破坏,武汉地区深基坑地下水控制作为重要课题始于1994年,当年深基坑因地下水作用引起重大环境破坏的基坑有威格大厦和泰和广场。

前者由于在没做任何控制措施的情况下大开挖,产生管涌、突涌,导致坑外煤气管线破裂,使数万居民供气中断;后者由于竖向及水平(封底)帷幕局部失效,产生大范围侧壁管涌和基底突涌,导致周边环境严重破坏武胜路路面下沉4050cm,高架桥歪斜、周边居民楼破坏。之后,又曾在世贸广场、武广大厦、建设大道的金融大厦、时代广场、市妇联大楼等基坑因浅部管涌而引起周边环境破坏。对这些事故分析的结果,使人们进一步认识到:武汉长江一级阶地的承压水光靠帷幕封堵是不行的,制止管涌、突涌的根本措施应该是减压或疏干降水,深井降水是有效措施。1995年建设大道的国贸大厦基坑采用深井降水取得了成功,开创了武汉地区深基坑降水的先例,之后在佳丽广场、天一大厦、友谊大厦、阳光大厦等深基坑相续采用深井降水。

均取得良好效果。经过实践检验、理论分析,逐步形成了一套较完整的设计概念:对上段的上层滞水和潜水,采用竖向隔渗帷幕“封堵”;对下段承压水采用深井降水“减压”或“疏干”。这种概念完全符合中华民族自古以来的治水理念:疏导为主,封堵为辅的原则。1995年7月武汉地区深基坑工程技术指南中对地下水处理的规定正是在上述理念指导下制定的。在1995年至2008年间的14年,武汉地区大范围推广了以深井降水为主、竖向帷幕为辅的设计、施工原则,成百上千个基坑基本上“平安无事”,这在全国也是最突出的成就,可以说是武汉特色。,二、武汉长江一级阶地深基坑地下水控制的历史回顾,大约自2008年之后,由于武汉市基础设施建设规模的急剧扩大。

基坑工程向深、大发展,也因外地设计、施工队伍的进入,对武汉地质条件特点理解不深,相续发生了一些因地下水控制没做好而造成较大的环境事故。在逐一分析每个事故基坑之后不难看出:这些事故发生的特点是涌水冒砂(管涌、流土),其原因是上段帷幕封闭不严或下段承压水降深不到位而带压开挖。涌水冒砂(管涌、流土)的机理是“渗透破坏”,这和在正常的抽水降低承压水位(水头)产生的“固结沉降”有本质区别。但是,最近却流传着一种说法:“这些基坑环境事故都是因为降水引起的”,这种说法既不准确,也不正确。比较准确的说法应该是:这些基坑的环境事故是因为地下水控制没做好造成的。具体有两种情况,一是上段竖向帷幕封闭不严产生水土流失,一是下段降水不到位却带压开挖产生管涌、流土。

为了证实这种提法的正确性,特将94年至今武汉市因地下水控制没做好而引起环境事故的典型基坑列于下表1,以正视听。,表中所列的基坑,包括了上世纪90年代初至今因地下水失控而造成环境事故的绝大部分项目。对这些项目进行分析,加之对十几年中数百个治水成功的基坑总结,得出以下基本认识:,在因地下水失控造成的基坑环境事故中,基本上都是表现为涌水、冒砂(管涌、流土)渗透破坏,而引起渗透破坏的具体原因是:隔渗止水帷幕失效或降水不到位的情况下带压开挖。这类渗透破坏与正常降水引起的固结沉降有本质区别;,深基坑地下水控制的基本方法是“帷幕隔渗和深井降水相结合”。通常做法是:竖向隔渗帷幕隔断上层滞水(或潜水),阻止杂填土、淤泥中水和粘性土中粉土、粉砂夹层及互层土中粉土、粉砂涌出。

对下部承压水则采用深井降水(水位降至坑底以下)防止底板突涌(流土)。,合理有效的深井降水引起的含水层固结沉降量很小,且沉降差小于1,不会造成显著的环境破坏。,至95年之后不再采用水平封底式帷幕,也不宜提倡竖向落底式帷幕,而宜采用悬挂式竖向帷幕与合理有效的深井降水以防止侧壁管涌和承压水突涌;,经验证明,采用单管高喷在两个护坡桩之间堵空隔渗的效果很差,而宜采用深层搅拌咬合桩或地下连续墙;若采用落底式竖向帷幕时,在深厚砂层承压含水层中,不宜采用高压旋喷(或摆喷),而宜采用砼连续墙或开槽法施工的水泥土(或自凝灰浆)连续墙。,1,2,3,4,5,6,武汉长江一级阶地的基坑工程事故,除一小部分因软土失稳之外。

大部分基坑事故和地下水失控密切相关。因此,必须高度重视基坑工程中的地下水控制,三基坑理论回顾,关于“固结沉降”,关于“渗透破坏”,关于水文地质学中的几个基本概念,1,3,2,人员,设备,支架模板,1、关于“固结沉降”土体排水过程中固结沉降的原理,来源于太沙基(KarlTerzaghi)1923年提出的有效应力原理和渗流固结理论,这是土力学中最重要的原理,是土力学成为一门独立学科的重要标志。在这里不具体列举各种计算公式,但需指出以下基本概念:,所谓固结理论是指“饱和土体渗流固结”,而渗流是根据达西定律(V=ki),也就是说,没有渗流就没有固结。,在应用固结理论分析地基沉降时,地基土是在建筑荷载作用下、地基土产生附加应力。

即“被动”排水固结;而降水时是土中重力(自由)水自动渗出,造成负孔压进而增加有效应力,产生土层固结沉降。这两种固结沉降的条件和过程是不相同的,必须具体情况具体分析。,饱和土中水产生渗流运动的条件:一种是在附加应力作用下土的孔隙被挤压、孔隙水渗流排出;另一种是在自重作用下,孔隙中的自由(重力)水自动渗流排出。由于后者是“自动渗流”,这就需要土层具有一定的透水性。一般情况下,土的渗透系数K值小于105cm/s就是不透水层。这类土层中的孔隙水在自重作用下不会发生渗流排出。,目前大家引用“分层总和法”进行降水引起地面沉降量预测计算时,并不完全符合“在建筑物荷载作用下,地基土在附加应力作用下固结沉降的作用条件”而是“自重作用”条件下孔隙水自动渗流排出的自动固结沉降。

试将湖北省基坑工程技术规程中的计算公式做具体分析:,式中:sw水位下降引起的地面沉降(cm);Ms经验系数;Ms=M1M2。对于一般粘性土可取0.30.5;粉质粘土、粉土、粉砂互层M1可取0.50.7;淤泥、淤泥质土M1可取0.70.9。当降水维持时间3个月之内时可取0.50.7;当降水维持时间超过3个月时M2可取0.70.9。wi水位下降引起的各计算分层有效应力增量(KPa)hi受降水影响分层(自降水前的水位至含水层底板之间)的分层厚度(cm);n计算分层数;Esi各分层的压缩模量(KPa)。,1,2,3,4,需要指出的是,武汉长江一级阶地二元结构组合的地层中分布着两层地下水(上层滞水和下层承压水)。

而降水井的结构仅仅针对下层承压水,上层滞水多用竖向帷幕进行隔渗;其中的地下水不能由降水井抽排。这就要求在进行沉降计算时分清以下情况:(1)上、下两层水之间有隔水层(K值105cm/s)时,上层滞水含水层(杂填土、淤泥)不应算作压缩层;(2)主要的压缩层是承压含水层(粉质粘土、粉土、粉砂互层和粉细砂、粗砂、砾石层)(3)承压水头的位置只反映承压水压力高度,并不一定对应承压含水层,因而水位下降时不一定引起水位下降过程中所“经过”的所有土层产生有效应力增量;(4)承压含水层顶板为不透水粘性土层(K值105cm/s)时,该层不能自动排水固结,故不能算作压缩层;(5)承压含水层顶板直接为淤泥时,该淤泥层可作为压缩层。

(6)承压含水层顶板直接为淤泥质粉质粘土,且降水位已降至其下的承压含水层中时,该顶板层可视为部分压缩层;当降水位(头)仍在顶板以上时,顶板层可不视为压缩层,因此时只反映承压含水层本身孔隙水压力变化,它和顶板层的孔隙水无水力联系。倘若能如此细致分析、计算,对降水引起的沉降预测势将更接近实际。否则将会得到预估沉降远大于实际沉降的结果。,式中:icr临界水力坡降r土的浮容重;rw水的容重由于故式中:Gs、e分别为土的颗粒比重和土的空隙比。可见临界水力坡降是针对每一种土而言的。,人员,2、关于“渗透破坏”在经典土力学中,渗透破坏亦称渗透变形。为理解渗透变形,首先要明确两个概念渗透力j和临界水力坡降(梯度)icr。

(1)渗透力由于水头差的存在,土中水产生渗流,同时产生向上的渗透力,即每单位土体内所受的渗透作用力,用j表示。其值:j=rwi渗透力的大小和水力坡降i成正比,其方向与渗透方向一致。,(2)土中水的渗透水力坡降逐渐增大时,渗透力也随之增大。当水力坡降(水头差)增大到某一数值即临界水力坡降时,即向上的渗透力克服了向下的重力时,土体就会浮起或受到破坏,俗称流土。临界水力坡降用icr表示。其值:,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏,如土层剥落、地面隆起、细颗粒被水带出以及出现集中渗流通道等。单一土层的渗透变形主要是流土和管涌两种基本形式:,(1)流土在向上的渗透水流作用下。

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