高层建筑深基坑地下水控制教程.ppt

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。 （