深基坑渗流分析与控制问题探讨.pptx

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1、深基坑特点基坑深度越来越深-50占地面积越来越大-23万m2基坑底部被墙、桩、降水井、勘探孔穿插切割与地下水关系越来越密切承压水影响越来越突出基坑的事故与破坏越来越多。第1页/共68页二、基坑事故与渗流破坏第2页/共68页事故工程实例天津地铁1号线-南楼三号线-红南；-小树林 京津城铁-武汉地区基坑事故 广铁3#-燕塘站 杭州地铁-湘湖站第3页/共68页基坑事故原因80%以上与地下水有关：1.规范和设计问题入土深度不够深（墙底悬空）；2.与周边环境不协调；3对地下水认识有误；4.构筑物施工质量太差；5.运行管理失误。第4页/共68页天津地铁3号线某基坑渗流图第5页/共68页基坑渗流破坏特征1.

2、沿着地基薄弱部位：2.墙、桩的边缘；3.粘性土层厚度小；4.淤泥和流沙厚度大。5.结构物的缺陷。第6页/共68页三、渗流基本概念第7页/共68页基坑渗透水流特性第8页/共68页1、渗流是什么？土体是固、液、气的三相体系。自由水在孔隙中流动，这便是渗流。土体也会运动，对孔隙水产生压力。渗流是土与水相互作用的结果。第9页/共68页2、渗透系数渗透系数k:土体透水性的大小。由现场和室内试验确定，或根据经验来选定。单位是m/d或cm/s.第10页/共68页3、渗透坡降渗透坡降j：渗透压力与渗透路径（长度）的比值。常用临界坡降和允许坡降 (1)临界坡降：土体达到临界破坏状态时的坡降，在均质地基中，Jcr

3、=/w Jcr的计算公式有很多，但其极限值Jcr1.0。第11页/共68页出口坡降、允许坡降(2)出口（逸）坡降：渗流出口处的坡降，(3)允许坡降：土体不会发生渗透破坏的坡降。常由临界坡降除以安全系数Fs后得到。第12页/共68页4、浮托力、稳定安全系数浮托力（扬压力）：作用在底板或隔水层下的 向上水压力。稳定安全系数Fs：通常Fs=1.5-2.0，或Fs=2.0-2.5。基坑Fs=1.1-1.3第13页/共68页5、达西定律达西定律：渗透速度与渗透坡降成正比，此时可写成下面公式：V=k jK渗透系数第14页/共68页基坑渗流特性（一）基坑外侧的渗流的方向向下，侧压力小于静水压力；它对土体产生

4、了压缩作用；这对于基坑稳定都是有利的。当渗流穿过墙底进入基坑内侧时，渗流方向向上，渗流压力变成了浮托力;不利。第15页/共68页基坑渗流特性（二）对于基坑底部 渗流来说，要切记：1、渗流整体稳定取决于土体自重与浮托力是否平衡。2、渗流出口和内部稳定还要满足渗透坡降（出逸坡降）的要求。3、粘性土与砂性土的区别。第16页/共68页三、渗流分析与计算第17页/共68页渗透模式图第18页/共68页砂层渗流计算模式图 第19页/共68页基坑底部的渗流破环这是太沙基计算简图。当墙入土深度hd太小时，在0.5 hd范围内会发管涌破坏。为保持基坑的渗透稳定，入土深度不能太短。第20页/共68页（1）地基中没有

5、隔水层，下面砂层和 透水基岩中水互相连通（2）存在着薄弱地层（如淤泥、流沙）或隔水层突然变薄部位，（3）局部超深或深度突变部位。（4）几种支护结构的连接部位。（5）承受特殊荷载部位。最不利的计算情况（一）第21页/共68页通常，选取一个或多个最不利的断面；有些时候，可能要针对整个基坑，进行整体稳定计算。潜水:沿最小路径渗透承压水:沿最薄的地层突涌最不利的计算情况（二）第22页/共68页基坑突涌位置图 图2第23页/共68页渗流计算目的（1）地基中不发生灾难性的管涌和流土。（2）坑底不会因承压水的顶托而产生突涌（水）、流泥、隆起等。（3）基坑四周和底部涌水量不太大，不影响基坑开挖和砼浇筑。（4）

6、坑内软土（淤泥质土）能较快地脱水固结。第24页/共68页（1）基坑整体渗流计算：控制断面h、v、i、q、以及总的涌水量。（2）核算坑底的渗流出逸坡降是否满足要求，是否会发生管涌。（3）检验墙底进入隔水层内的深度是否满足渗透稳定要求。如果不能满足要求时，应将墙底再向下加深到新的隔水层内，直到满足要求为止。渗流计算内容（一）第25页/共68页（4）核算坑抵抗承压水突涌的能力：1）坑底土体自重能否抵抗承压水的浮力并具有足够的安全系数。2）坑底有多个承压水层而隔水层厚度较薄时，还必须进行渗透安全（允许坡降）核算。（5）核算抽水井设计是否满足要求。渗流计算内容（二）第26页/共68页有限差分法示意图 图

7、4第27页/共68页计算结果分析渗流计算得到的最大出逸比降为允许比降的3倍多，会发生渗透破坏。而当把hd加大并在墙底进行帷幕灌浆时，渗流即无大碍。第28页/共68页用平面有限元法计算渗流，就是在基坑中选取一个或几个剖面，按二维水流来处理，分别计算不同部位的水流压力、比降和渗透流量以及相应的变化曲线。平面有限元法第29页/共68页压力水头等值线 图6墙底基岩灌浆第30页/共68页从计算结果表中可以看出,hd6.0m时基坑不安全；墙底帷幕深入到微风化层,则基坑是稳定的。基坑渗流计算结果第31页/共68页 简化计算法1、计算原理 均匀土层水压力分布图 图7第32页/共68页计算原理及步骤：1、在均匀

8、地基中，水头损失与渗径长度成正比。2、在分层地基中，总的水头损失等于由各分层地基中水头损失之和；3、各层土的渗透系数k和渗透坡降i成反比。计算步骤：先求得最小的渗透比降i（k最大）；再推求其余各层的i值；再分段求出其水头损失值；再总的水头损失值。第33页/共68页基坑渗透水压力图（墙底入弱风化岩层）图9第34页/共68页不均匀土层渗透水压力图 图10第35页/共68页该基坑深19.66m，坑底直接位于粉砂层中；地连墙底穿过隔水层进入了粉砂层中。坑底和墙底均在透水层中；地基中有两层微承压水，埋深约6m，k=0.6-1.2m/d。经过计算，如不采用降水，基坑开挖后，可能发生管涌和坑底突涌。第36页

9、/共68页 承压水渗流计算第37页/共68页这里要特别指出的是（见图10）：在承压水条件下，基坑内侧的浮托力（扬压力）不是常规渗流水压力244KN，而是隔水层底面的第二层承压水的压力290KN。承压水的渗流计算第38页/共68页基坑底部的承压水计算第39页/共68页坑底承压水计算（1）基坑底部渗流稳定计算应包括以下两个方面：（1）当坑底上部为不透水层，而其下的透水层中有承压水时，应进行抗流土和隆起的稳定性计算，要使透水层顶板以上到基坑底部之间的土体重量大于水的浮托力PW:第40页/共68页坑底承压水计算（1）sat t=Fswhw式中，sat为土的饱和重度。P=whw 承压水的浮托力。t-透水

10、层顶板以上到坑底的不透水层厚度。hw-透水层顶板以上的水头，m。Fs安全系数第41页/共68页坑底承压水计算（2）2）坑底以下为粉土和砂土时，要验算抗管涌或流土稳定性，i i通常粉细砂地基i=0.20.3。当级配不良时，i=0.10.2。3）当坑底以下为粘性土与砂土互层时，应进行上面两项核算（见图11），特别是当粘性土很薄时，应当核算该层土的渗透比降是否满足要求。第42页/共68页第43页/共68页 1.应当把渗流计算出来的hd为地连墙最小入土（岩）深度，2.还要满足经济合理要求3.用灌浆或高压喷射灌浆等封堵墙底透水层，确保基坑安全和正常施工。渗流计算成果分析第44页/共68页 五 防渗体设计

11、地基土、地下水、地连墙三位一体第45页/共68页1 1、结构抗渗透设计要求在进行抗渗透结构设计时，要对渗透水流的防渗和降水统一考虑。如果只考虑一项，那就可能对基坑的渗透稳定和周边环境（楼房和地下管线）造成很不利的影响。第46页/共68页墙底悬在砂层中第47页/共68页基坑渗流剖面第48页/共68页2、对规范的讨论JGJ120-99的局限：地层条件：单一地基；未考虑承压水影响；没有基坑底部渗透稳定计算；公式4.1.3允许墙底位于透水层中第49页/共68页hd=1.2 o(h_hw)渗透稳定要求的第50页/共68页渗透稳定需要的入土深度hd墙底进入不透水层的要求：hd=0.2hw0.5b见JGJ1

12、20-99的8.4.2条。其中，hw水头，b墙厚。这是按接触比降的要求来计算的。第51页/共68页3、降水深度要求设计降水深度不宜小于基坑底面以下0.5米。JGJ120-99 第8.3.2条要求：这对潜水或承压水层都是必须做到的。争论-接地孔，残积土第52页/共68页4、防渗体的地下轮廓线大面积基坑不同深度基坑第53页/共68页六、基坑渗流控制措施第54页/共68页基坑渗流控制措施主要有以下几种：1 对于超深基坑来说，首先采用地下连续墙做支护；深度较浅的基坑，可采用咬合桩、灌注桩与高喷桩、土钉墙等做为支护结构，总之要因地制宜;但防渗一定要做好。第55页/共68页2 其它措施：（1）底部灌浆(岩

13、石地基)（2）底部高压喷射灌浆(土层)（3）墙底加长(不放钢筋)（4）坑内降水(承压水)（5）坑外降水(承压水（6）坑底防渗基坑渗流控制措施第56页/共68页由于结构强度（配筋）所需要的hd常常较小，所以为防渗需要而接长时，不需要配置钢筋。应当通过技术经济比较，确定底部接长长度。地连墙的合理深度。1、墙底接长第57页/共68页当墙底入风化岩时，可在其墙底基岩中灌浆；在软土基坑中的墙底，可采用高喷灌浆帷幕，也可采用水泥灌（注）浆帷幕。有时也可在坑外做止水帷幕，不需在结构内部预埋灌浆管，施工干扰少。2、墙底止水帷幕第58页/共68页防渗体示意图第59页/共68页锚碇基坑支护防渗体图第60页/共68

14、页广州地铁某基坑剖面图第61页/共68页水泥灌浆和高喷灌浆的对比通过很多工程实践来看，深度较深时，高喷的灌浆效果越来越差。现在一些深大基坑底部都采用水泥帷幕灌浆的方法，与地连墙形成防渗体，实施效果很好。深大基坑采用水泥帷幕灌浆。第62页/共68页有些基坑的平面尺寸很大，或者是承压含水水头很高，底部没有适当的隔水层可供利用。可对基坑底部进行水平防渗。从实施效果看，高喷帷幕均不成功。水下浇注砼底板效果好。4、基坑底部防渗第63页/共68页某基坑剖面图第64页/共68页5、基坑降水这里所说的降水，是指降低基坑内外的承压水位。当上复土重不足以克服承压水的浮托力时，就需要降低承压水的压力水头。通常降水应在坑内进行。降低承压水时往往对坑外的周边环境造成不利影响，有时需要在坑外设置回灌井，以减少坑外地下水的下降幅度。第65页/共68页参考文献丛蔼森：地下连续墙的设计施工与应用中国水利水电出版社，2001第66页/共68页 谢谢！第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页