透水层深基坑降水技术.docx

透水层深基坑降水技术1引言近20年是我国高层建筑的发展高峰期，多数高层建筑都有一至三层地下室，基坑工程成为中要组成部分，深基坑围护结构和降水方案的365JT设计与365JT施工直接关系到工程成本和工期，关系到能否保证形成地下施工空间及施工安全，顺利保证基坑空间内地基及桩基的安全，保证空间外围安全。但岩土工程还是不够成熟的一门技术，经典理论都在某些简化假定的前提下确定的，具有一定的局限性，一些权威专著规定的应用条件及采用的系数不尽合理，无法正确指导实际施工需要，我们结合中铁十八局职工培训中心工程基坑施工，考虑各种施工荷载及相关因素，根据以往经验进行深入研究分析，对建筑施工手册，地基与基础等专著中规定界限有较大的突破，成功的在高水位，弱透水性深基坑降水围护进行应用，以最低的投入取得很好的实际效果.二.工程概况兰州化工厂306循环水改造位于兰州市西固区，主要包括半地下式泵房、地下式水池、冷却塔和变配电三层楼房等。其中，地下水池部分槽地标高-0.8m，挖深5.45m，其地层为第四系全新统及更新统地层属软弱场地土，地下水位埋深1m左右，土层分述如下:1.素填土:以粘性黄土为主，含有少量砖渣，厚度为2.5m，强度低且不均匀。2.粉制黏土:灰黄色，饱和，可塑状态，大量锈染，顶部少量黑褐色粉制黏土，土质不均夹灰色软芯.厚度为3.26m，土层底板埋深5.12m左右。3.粉制黏土:灰色，饱和，软塑状态，有较多锈染，夹有机物厚度为4.57m，土层底板埋深9.69m左右。4.粉土:灰色，饱和，中密状态，土质不均，夹黏土斑，本土层厚度为7.5m，底板埋深12.5m。基坑施工必须采取边坡支护及降水，特别是主楼东西两侧是附楼施工的主要通道.由于场地的狭窄，无法放坡大开挖，更需重点加强。三.支护及降水设计(一)地质报告建议支护方式经天津市地址工程勘察院研究和计算，建议基坑开挖时，采用砼灌注桩长度12.5m.1.基坑边坡防护设计根据拟建物基坑开挖深度H=5.0m，假设护坡桩总长度为11.0m.按规定的统计方法及地区经验，对11.0m范围内土层的C，值及容重r值进行厚度加权平均值计算，其统计结果见下表.埋深(米)C(Kpa)(0)R(KNm3)0.0-11.010.8419.2019.405.0-11.010,.5214.4019.42根据朗金土压力理论，护坡桩所受土压力如图所示其主动土压力参数:Ka=tg2(450-2)=0.51被动土压力参数:Kp=tg2(4502)=1.66临界深度:Z0=2Cr(Ka)1/2单宽主动土压力为:Ea=1/2r(Ht)2Ka-2C(Ht)Ka1/22C/r=442.2(KN/m)单宽被动土压力为:Ep=Ep1Ep2=1/2rt2KP2C(Ht)Kp1/2=884.25(KN/m)现将主动土压力Ea，被动土压力Ep分别对桩端e点取矩，要求被动土压力Ep对e点产生的力矩安全系数K=1.5，则Ea，Ep对e点取矩的平衡条件为:1/3(Ht-Z0)Ea=1/K(1/3tEp11/2tEp2)经计算得t=6.21(m)则:L=Ht=5.06.21=11.21(m)经计算求得t=6.25m，护坡桩实际入土深度一般要比计算值增加20%则护坡桩长度:L=H1.2t12.5(m)2.基坑开挖施工及降水根据勘察结果，基坑开挖后，基坑下为粉土，为确保基坑不受扰动，并保证干场作业，需做好降水工作，建议采用砼桩围护，桩长12.5m.本场地地下水位埋深约1.0m，水位降幅较大，根据场地条件及地区经验，建议采用井点降水方案，且先降水，后开挖，以保证干场作业.3.基坑开挖砼桩围护方案工程造价为256万元.(二).现场支护方案选择.为了采用最简单便捷的方法，最少的投入形成安全，稳定的空间，使地下结构的施工得以顺利完成，我们选择了土层锚杆，砼灌注桩壁(结合支护壁)，钢板桩，水泥深层搅拌桩等几种深基础方案进行比较，认为水泥深层搅拌桩围护结构:1.经济技术指标比其他方案具有明显的优势.2.由于深层搅拌帷幕墙改善了边坡土层的物理力学指标，较大幅度降低实际弯矩值Ma.3.改善了施工条件，保证了工程质量.4.起到围护，防水方案统一的效应.5.速度快，工期短，一个台班可成桩400m.6.施工时无震动，无噪音，无污染.7.早期桩体强度增长快.(三).深层搅拌桩围护结构设计1.技术原理本工程水泥搅拌桩围护结构是以水泥作为固化剂，水泥掺入量为15%，水灰比0.55，用高压将其输送到软弱地层中.通过GZB-600型双头深层搅拌机的钻头，在原位强制均匀搅拌，使水泥颗粒，土颗粒与土中孔隙水等物质相互作用的三相化学反应，在土颗粒或团粒周围包络，并逐渐凝结硬化，凝结成具有整体性，水稳定和一定强度的桩状水泥土骨架结构，从而提高其受弯受剪承载力，达到土体稳定，基坑围护安全的目的.2.设计与计算在目前的基坑工程设计中，无论是悬臂支护结构，还是支撑的围护结构，土压力的计算多沿用于挡土墙的Rankine土压力理论，但水泥搅拌桩围护基坑工程中的土压力明显区别与刚性挡土墙的土压力.对于刚性挡土墙，是先筑墙，后填土.而在基坑工程中，是先在土中成桩，再开挖卸载，墙背后是原状土.特别是在墙后土压力作用下，基坑支护结构将产生不同于刚性土墙的水平位移形成.这时作用在结构上的土压力将由静止逐渐变为主动土压力减小，被动土压力增大，并引起土压力重新分布.因此，影响基坑工程中的土压力的因素更为复杂.我们依据新的情况深入研究，全面分析影响因素，科学的利用土体自身控制土层位移的潜力.根据公式:ezjk=zjkKai-2Cik(Kai)1/2zjk=rkokikrk=mhZjok=q01k=q1b0/(b02b1)Kai=tg2(450-ik/2)Kpj=tg2(450-ik/2)计算得到:e0ajk=10.44e1.45ajk=24.43e2.76ajk=36.95e2.76pjk=40.25e5.5ajk=47.45e5.5pjk=115.62Eai=181.11E=218.77墙体厚度设计值bKn2(1.20haEai-hpEpi)cs(hhd)得b1.46m为了达到极限应力状态，准确描述施工状况，最大限度降低造价，考虑软土的流变性及土体的粘，弹，塑性及包括施工因素在内的各种影响系数，制订与开挖方式，空间，地层,土性条件，加固条件及环境有关的函数，为了便于工程应用，采用一等效的水平抗力系数Kn来综合反应土体抵抗变形的能力,Kn=0.4796，得b=0.7m经验验算压应力:1.250csMWfcs拉应力:MW-csz0.06fcs剪应力:(Ea-W1u)2b(tgC)K满足要求.滑动稳定验算:KHL=(wtg0C02bEb)EA1.2倾覆稳定性验算:Kq=(wbEphp)EAhA1.1(四)降水设计及计算:现场地下水位在地表下0.8m，基坑深度开挖为4.45m，降水深度约为地表下5.00m左右.为了改善坑壁的土性，减小土的流变变形，比较多种降水方案，选择无砂管井点降水方案.水位降低值S=4.45m土壤渗透系数K=2.3104cm/s=0.2m/db/a=(1003.6)/27.6=3.750(5)z=H;t0(6)式中：R=k12H/kvL1；R=k22H/kvL2。在任意时刻，外加应力都等于孔隙水压力与有效应力之和，即u(z,t)=q(t)-(z,t)，故式(5)和式(6)又可表示为以下形式：z=-H；t0(7)z=H；t0(8)将式(4)、式(7)、式(8)作Laplace变换后代入式(3)可得1*(z,s)=0，C1=Q(s)/2H1R+4R/23-14；C2=Q(s)/2H1R+3R/23-14.式中：Q(s)为荷载q(t)的Laplace变换式，1=e-H-R/2H；2=eH+R/2H；3=eH+R/2H；4=e-H-R/2H.将以上结果代入式(3)，可得有效应力的Laplace表达式为1(z,s)=Q(s)eH(+R/2H)R+e-H(-R/2H)Rez+e-H(-R/2H)R+eH(+R/2H)Re-z/e2H(+R/2H)(+R/2H)-e-2H(-R/2H)(-R/2H)2H(9)对式(9)求Laplace逆变换即可得所求得的有效应力(z,t)：(z,t)=(10)式中：i=。当1(z,s)的表达式比较复杂时，解析解往往很难求得，对于数值Laplace逆变换问题，Durbin15进行了深入而细致的研究。在以下的叙述中，因为有效应力的解析式难以求出，采用Durbin所提出的数值Laplace逆变换方法。利用自编的程序，结合算例，讨论了各种参数对土体中有效应力比变化的影响。2常见的循环荷载及Laplace变换2.1骤加恒载作用下的情况所加荷载如图2(a)所示，q(t)=0，t0(11)Laplace变换为Q(s)=0/s(12)图2常见循环荷载及Laplace变换当R、R时，意味着此时是完全透水的边界条件。式(9)退化为1(z,s)=Q(s)(ez+ez)/eH+e-H=sh(z+H)-sh(z-H)/sh(2H)Q(s)(13)将上式进行Laplace逆变换便可得骤加恒载作用下一维固结方程的解：(z,t)=01+4/=sinn/2cosnz/2Hexp(-Cv/4H2n22t)(14)U(z,t)=1+4/sinn/2cosnz/2Hexp(-Cv/4H2n22t)(15)土层的平均固结度(t)为：(t)=1-exp(-M2Tv),M=/2(2m+1),Tv=Cvt/4H2(16)可见，此情况下本文方法导出的解答与Terzaghi的理论解完全一致。3.2正弦波形荷载作用下的情况所加荷载如图2(b)所示，q(t)=0(1+sint)，t0(17)Laplace变换式为：Q(s)=0(1/s+/s2+2)(18)3.3三角形荷载作用下的情况所加荷载如图2(c)所示，(19)q(t+2T)=q(t)Laplace变换式为：Q(s)=0/Ts2thTs/2(20)3.4矩形荷载作用下的情况所加荷载如图2(d)所示，(21)q(t+2T)=q(t)Laplace变换式为：Q(s)=0/2s(1+thTs/2)(22)3算例分析某地基H=2.5m，L1=L2=0.5m，k1=k2=210-8m/s，kv=510-10m/s，Es=6MPa，T=20d，考察图(3)所示荷载作用下有效应力比esr(=(z,t)/0)随时间的变化曲线。从图(3)可以看出：当地基的各种参数相同，对于各种循环荷载，只要加载时间足够长，土体中的有效应力最终全部达到一个稳定状态，每一个加载卸载循环下有效应力比幅值的变化趋近于零，这是普遍的规律。由于饱和土是由两相介质(水、土)组成，土体中有效应力的变化相对外加荷载有滞后现象。循环荷载下土体的有效应力比曲线都近似以恒载0/2曲线为中心线来回振荡，变化幅度不随时间的发展而减少。其中以矩形荷载下地基土中的有效应力变化幅值最大，三角形荷载次之。图3不同波形的周期荷载下有效应力比变化曲线(z=2m)图4骤加恒载下不同压缩模量有效应力比变化曲线(z=2m)图5Es对有效应力比的影响(z=2m)图(4)表示骤加荷载下不同压缩模量的地基土在z=2m处的有效应力比增长曲线。可以看出：在其它条件相同的情况下，当土的压缩模量不同时，有效应力比的增长速度不同。压缩模量越大，有效应力比增长的速度越大，但是随着压缩模量值的增大，其对有效应力比变化的影响逐渐减小。图5表示200d时不同压缩模量时有效应力比的变化。当Es从1.5MPa变化至4.5MPa时，esr从0.38增长至0.46，变化了0.08；当Es从4.5MPa变化至7.5MPa时，esr从0.46增长至0.487，仅变化了0.027，可见随着压缩模量的增加，有效应力比的增长速度变缓。图(6)、图(7)表示的是不同压缩模量的地基土在三角形荷载下两米深处和中心处有效应力比esr随时间的变化曲线。可以看出：在相同深度的情况下，压缩模量越小时，地基土中esr的变化对荷载变化的滞后时间越长，即压缩模量较小的土对荷载变化不敏感；并且压缩模量越大，固结速度越快，有效应力比的变化幅值也越大，土体对外加荷载的变化反应越强烈。结合图(6)、图(7)可以看出：在不同的深度，当压缩模量相同时，有效应力的变化幅值也不相同，当地基中某一点离边界距离越大时，有效应力的变化幅值越小。在地基中心处，有效应力比近似呈直线变化。图(8)表示的是地基在三角形荷载下，z=2m处，垫层渗透系数不同时esr随时间的变化曲线。可以看出：垫层的渗透系数越大，即R和R值越大，有效应力的变化幅度越大，相对外加荷载的变化滞后时间也较小。这是因为：当地基的R和R值较大时，表明地基的上下垫层排水性能较好，地基土可以在较短时间内固结。此时土体逐步承担有效应力，Terzaghi理论假设土颗粒是弹性的，固结度越大，土颗粒承担的有效应力也越大，较大的固结度外加荷载变化时，由于导致滞后效应的孔隙水减少，地基土表现出更多的弹性体特征。图6三角形荷载下z=2m处不同压缩模量时有效应力比变化曲线图7三角形荷载下z=0m处不同压缩模量时有效应力比变化曲线还可以看出：当R和R值很小时，即上下垫层接近不排水时，土体的有效应力增长速度很慢，由于孔隙水的存在，其变化幅度几乎为零。从图上看，曲线近似退化为一条斜率等于零的直线。还可看出，当R和R值大于或小于某一数值时，有效应力变化基本上相同。在一定取值范围内时可以把上下垫层当作半透水地基。计算表明，当R和R值大于40时，可以看成是透水地基，当R和R值小于0.4时，可以看成是不透水地基，R和R值在0.440之间时，为半透水地基。当所求问题的边界条件为半透水时，若将其简单处理为透水或不透水条件，将导致较大的误差。由图可见，边界条件对循环荷载作用下地基土中esr的影响是很大的。目前很多实际工程问题中的固结计算，一般都笼统地处理为透水边界或不透水边界，但很多都应属于半透水边界的情况，应据边界的排水条件，相邻土层的渗透系数选择合适的边界参数R和R，按半透水边界处理更合适。图8三角形荷载下半透水层不同渗透系数时有效应力比变化曲线以上是针对三角形周期荷载而言的，对于文中所提及的其它周期荷载，也有相类似的规律，在此不一一赘述。4结论(1)文中所给出的方法可以用于计算半透水层的地基在任意随时间变化的荷载作用下的有效应力的变化情况。求出其Laplace变换式，结合自编程序，便可求解。(2)在实际工程计算中，应根据土层和垫层的具体情况，确定边界条件究竟属于完全透水、半透水或者不透水，从而得到更为准确的结果。(3)在所有的荷载作用下，土体中的esr都最终趋向于一稳定值。周期荷载作用下土体中的esr的变化有相对滞后的现象。每一个加载卸载循环下有效应力比幅值的变化趋近于零。(4)外载作用下，土层中心处有效应力比的变化最慢。压缩模量越大，有效应力的变化越快。但随着压缩模量的增大，其对有效应力比变化的影响也越小。(5)垫层的渗透系数越大，有效应力的变化幅值也越大，相对外加荷载变化的滞后时间变短。