论文部分内容阅读
[摘要]本文作者通过多年经验，分析了深基坑加固技术，提供同行参考。
[关键词]深基坑;渗透破坏;分析;控制
在地下水位较高的地区进行基坑开挖,要保证在“干”状态下的施工,需要进行降排水,使地下水产生渗流,在基坑内外高水头差作用下易于出现渗透破坏。渗透破坏的发生严重影响施工,并可导致土体丧失稳定性或地面产生塌陷,危及相邻建筑物的安全。通过现有基坑工程事故调查发现[1],有70%的工程事故是由于地下水造成的。
渗流作用引起的土体渗透破坏形式可分为流砂和管涌两种基本形式[2]。流砂一般是指向上的渗透力大于上覆土自重,使之上抬而破坏,或者在直立坑壁的情况下,水平向的渗透力只需要克服土颗粒之间的摩擦阻力,使坑后土体涌出!更容易造成工程事故。管涌表现为细颗粒在较大颗粒的孔隙中随水流流出,常发生于级配不良的无粘性土中,管涌的持续发展,将会在土体内部形成空洞,极大威胁基坑工程的安全。
1 渗透破坏机理
要控制渗流作用引起的土体渗透破坏作用,必须正确认识基坑渗透破坏机理。当基坑开挖后,不同位置的土体受力状态不同。基坑附近单位体积的土体稳定性由四个力决定的:向上的渗流的渗透力(GD)、土体的浮容重(γ′)、土粒间的摩擦力(f)和土体的凝聚力(c)[3]。基坑工程中,根据实践,在细砂、砂土或粉土易发生渗透破坏作用,即c=0;当土体受到渗透力作用,一经松动,土粒间的摩擦力就不存在,故可以不必考虑摩擦力的影响,以求安全[3]。
当水从上向下流动时,流线向下,其GD与γ′的作用方向一致,土体趋于稳定状态。在主动区,渗流力使地下水位以下的土体自重应力增加,相应的水位以下部分的主动土压力增加。
当水流方向从下向上时, 其动水压力随水流向上,而土体重力向下。在被动区,渗流力使土体自重应力变小,相应的被动土压力减小。所以,在考虑地下水渗流时,主动土压力增大,被动土压力小,这种状况对支护结构是不利的。随GD不断增大,当达到GD≥γ′时,土体呈现为悬浮状态,这就是说土体在水渗流时将失去稳定,产生渗透破坏。
2 渗透破坏产生条件
根据渗流破坏的产生机理,渗透破坏的产生不仅受到渗透力的大小,同时还与土的空隙率、颗粒级配、密度等条件有关。
2.1 渗透力
随着基坑工程的深度不断加大,坑外的高水头作用是产生渗透破坏的主要原因。地下水的渗流对单位体积内土的骨架产生的压力称为渗透压力或动水压力。
近似取10kN/m3;i为水力坡度。当GD=γ′ 时,产生土的失重现象,若动水压力稍有增大或稍有外力作用,便可能产生渗流破坏。渗流在土体中的渗透力,取决于水力坡度,水力坡度越大,渗透力越大,就越容易发生渗透破坏。
在向上渗流的作用下,渗透力克服土颗粒的自重与水的浮力的合力即可在较大颗粒的孔隙中移动;而在水平向渗流的作用下,则只需克服颗粒间的摩擦作用即可起动,因而水平向渗流更容易形成渗透破坏[4]。基坑工程中,渗透破坏容易发生于坑壁渗透力集中的部位,如无防渗帷幕情况下的坑脚部位、防渗帷幕破坏或不连续的部位等。这些部位,渗透力的方向接近水平,而且集中程度较高。
2.2 土层结构
局部地质条件的变化及施工情况等因素也会诱使渗透破坏的发生。当GD=γ′时的水力坡度为临界水力坡度。
(1) 砂土孔隙度愈大,临界坡度愈小,易产生渗透破坏;
(2) 颗粒较细土颗粒密度小,而且连续极弱的粉细砂、粉土等极易产生渗透破坏;
(2) 不均匀系数Cu< 10,或Cu>1 0,但细粒含量>5%的砂土易产生渗透破坏。
3 临空面
实际工程中渗透破坏还必须具有充分的临空面才能发生,基坑开挖时,因有临空条件,当满足动水条件与土层结构条件时,就会产生渗透破坏。
4 降水质量
不均匀速度降水和间歇降水,使土粒带出,诱发土层流砂现象。
3 防渗加固措施
渗透破坏控制主要有两个目的:一是防止渗透力集中,造成渗透破坏危害基坑安全;二是限制坑外地下水位,以免给临近建筑物及市政设施带来不良影响。基坑工程的渗透破坏控制,存在防与治两个方面。
3.1预防措施
(1)改善土体的抗渗性能。基坑工程中,改善土体抗渗性能主要是增强土颗粒间的胶结能力。通过灌浆或高压注浆的方法将粘结材料注人需要处理的土体中,可同时提高土体的强度和抗渗性。针对渗流场中易于产生渗透力集中的薄弱部位,进行局部处理,可以既考虑到工程的安全性,又兼顾工程经济效益。
(2)合理设计防渗帷幕。设置防渗帷幕,就相当于增加了地下水的渗流路径,使水力坡度减小,并且使水头损失较大的地方离基底远些,可以改善基坑渗流场的分布形态,有效地防止渗透破坏的发生。通过渗透破坏分析计算,合理设置防渗帷幕的埋深,避免过深造成浪费。
(3)降低地下水位。基坑周围环境对沉降要求较小时,可在坑外设置排水井点,使坑内外的水力坡度达到实际容许水力坡度,或将地下水位降至基坑开挖深度以下。
2 加固治理措施
(1)采用反压土,目的是增加坑内被动区土压力,控制泥沙外流。如,立即铺设稻草料,并抛大石块等把流砂压住,控制险情的发展。
(2)对保护对象进行加固保护,同时对漏空区进行高压注浆充填加固。高压注浆在管涌周围采用下部封堵地下水渗流通道,注浆压力一般为0.2MPa~0.3MPa,水灰比0.5,水泥浆内掺3%的水玻璃,注浆深度,控制在基3m~7.5m内,深层注浆用于控制砂层承压水,浅层注浆用于加固土体。在制止管涌时可以采用了先注外加剂后注水泥浆的办法,进行治理。
4 工程实例分析
余杭区浙商开元名都国际酒店工程地下室基坑, 地下2层、夹1层/地上26层，开挖深度11.5～14.55m,平面形状近似方形,地下面积35611.8m2 。基坑东外边线距红联社区安乐堂4.3m，距杭州余杭闲置设备城12.2m, 基坑南外边线距杭州吉杭服饰有限公司4.9m，基坑北外边线距最近的砖砌建筑3.6m，距1F的临时房6m，地下水位埋深0.50-2.00m m,年变幅1.00m左右。工程基坑采用单排钻孔围护桩结合两道水平钢筋混凝土内支撑围护方案，挡土桩采用直径800的钻孔灌注桩，止水帷幕为850直径水泥搅拌桩，在坑外及坑內设置了自流深井进行降水；待围护桩强度达到设计强度的80％以后，开挖至压顶梁底100mm处，施工压顶梁；待压顶梁达到设计强度后，开挖至第一道围檩及支撑底100mm处，施工第一道围檩及支撑；待第一道围檩及支撑达到设计强度后，开挖至第二道围檩及支撑底100mm处，施工第二道围檩及支撑；待第二道支撑梁强度达到设计强度的80％以后，分段、分层、对称、均匀开挖至基坑底部。基坑采用管井降水,一期工程共布设管井43余口。基坑开挖面积巨大,周边环境比较复杂,不同的开挖段地质情况有较大差异。
各土层特征基本如下：
1 杂填土：杂色，松散，稍湿，主要由碎石、建筑垃圾等组成。
2-1 粘质粉土：黄灰色，稍密，很湿。局部含少量铁锰质斑点。干强度和韧性低，摇震反应慢。
2-2 砂质粉土：黄灰色-灰色，中密，湿，局部含少量贝壳碎片。干强度和韧性低，摇震反应快。
2夹 淤泥质粉质粘土：灰色，饱和，流塑。干强度和韧性中等，摇震反应无。
2-3砂质粉土：青灰色-浅黄色，密实，湿，含云母，夹大量粉砂，干强度和韧性低，摇震反应快。
2-4砂质粉土：灰色，中密-密实，湿，含云母，夹粉砂，干强度和韧性低，摇震反应快。
4-1 砂质粉土：灰色，很湿，稍密～中密，具层理，含少量有机质斑点，夹粉质粘土。干强度和韧性低，摇震反应快。
4-2 砂质粉土：灰色，湿，密实，含云母，夹大量粉砂，局部含贝壳碎屑。干强度和韧性低，摇震反应快。
6 粉质粘土：灰黄色，饱和，硬可塑。切面较光滑，干强度高，摇振反应无，韧性中等。
基坑开挖深度影响范围内各土层主要物理力学性质指标如下：
基坑西南角及南侧地下5～10m左右为粉土与粉砂夹粉土层,开挖时,发生流砂现象,为管涌的发生创造了条件。在土方开挖到﹣8m左右时,造成止水帷幕漏水涌土,并引起了周边道路的下沉,相邻房屋墙体拉裂,裂缝宽度3cm左右,屋内地面也出现了开裂。
经分析其产生原因,主要是由于坑内西南角及南侧部分的粉砂土层是易产生流砂现象的土体,是渗透破坏产生的内因;同时机械挖土时,基坑内外产生较大的压力差,加上管井经常间歇降水,降水速度时快时慢,使土粒带出,使水平向渗流更容易形成渗透破坏。后经采用高压旋喷桩增强止水帷幕止水效果，得到有效处理。保证了深基坑的正常施工。
5 结语在深基坑工程事故中,由土体渗透破坏而引起的工程事故占有很高的比例,基坑渗透破坏是多种因素的综合结果,渗透破坏的产生不仅受到渗透力的大小,同时还与土的空隙率、颗粒级配、密度等条件有关。根据渗透破坏发生的机理及影响条件,提出合理的基坑支护和降水止水方案,具有重要意义。
注：文章内所涉及的公式和图表请用PDF格式打开
[关键词]深基坑;渗透破坏;分析;控制
在地下水位较高的地区进行基坑开挖,要保证在“干”状态下的施工,需要进行降排水,使地下水产生渗流,在基坑内外高水头差作用下易于出现渗透破坏。渗透破坏的发生严重影响施工,并可导致土体丧失稳定性或地面产生塌陷,危及相邻建筑物的安全。通过现有基坑工程事故调查发现[1],有70%的工程事故是由于地下水造成的。
渗流作用引起的土体渗透破坏形式可分为流砂和管涌两种基本形式[2]。流砂一般是指向上的渗透力大于上覆土自重,使之上抬而破坏,或者在直立坑壁的情况下,水平向的渗透力只需要克服土颗粒之间的摩擦阻力,使坑后土体涌出!更容易造成工程事故。管涌表现为细颗粒在较大颗粒的孔隙中随水流流出,常发生于级配不良的无粘性土中,管涌的持续发展,将会在土体内部形成空洞,极大威胁基坑工程的安全。
1 渗透破坏机理
要控制渗流作用引起的土体渗透破坏作用,必须正确认识基坑渗透破坏机理。当基坑开挖后,不同位置的土体受力状态不同。基坑附近单位体积的土体稳定性由四个力决定的:向上的渗流的渗透力(GD)、土体的浮容重(γ′)、土粒间的摩擦力(f)和土体的凝聚力(c)[3]。基坑工程中,根据实践,在细砂、砂土或粉土易发生渗透破坏作用,即c=0;当土体受到渗透力作用,一经松动,土粒间的摩擦力就不存在,故可以不必考虑摩擦力的影响,以求安全[3]。
当水从上向下流动时,流线向下,其GD与γ′的作用方向一致,土体趋于稳定状态。在主动区,渗流力使地下水位以下的土体自重应力增加,相应的水位以下部分的主动土压力增加。
当水流方向从下向上时, 其动水压力随水流向上,而土体重力向下。在被动区,渗流力使土体自重应力变小,相应的被动土压力减小。所以,在考虑地下水渗流时,主动土压力增大,被动土压力小,这种状况对支护结构是不利的。随GD不断增大,当达到GD≥γ′时,土体呈现为悬浮状态,这就是说土体在水渗流时将失去稳定,产生渗透破坏。
2 渗透破坏产生条件
根据渗流破坏的产生机理,渗透破坏的产生不仅受到渗透力的大小,同时还与土的空隙率、颗粒级配、密度等条件有关。
2.1 渗透力
随着基坑工程的深度不断加大,坑外的高水头作用是产生渗透破坏的主要原因。地下水的渗流对单位体积内土的骨架产生的压力称为渗透压力或动水压力。
近似取10kN/m3;i为水力坡度。当GD=γ′ 时,产生土的失重现象,若动水压力稍有增大或稍有外力作用,便可能产生渗流破坏。渗流在土体中的渗透力,取决于水力坡度,水力坡度越大,渗透力越大,就越容易发生渗透破坏。
在向上渗流的作用下,渗透力克服土颗粒的自重与水的浮力的合力即可在较大颗粒的孔隙中移动;而在水平向渗流的作用下,则只需克服颗粒间的摩擦作用即可起动,因而水平向渗流更容易形成渗透破坏[4]。基坑工程中,渗透破坏容易发生于坑壁渗透力集中的部位,如无防渗帷幕情况下的坑脚部位、防渗帷幕破坏或不连续的部位等。这些部位,渗透力的方向接近水平,而且集中程度较高。
2.2 土层结构
局部地质条件的变化及施工情况等因素也会诱使渗透破坏的发生。当GD=γ′时的水力坡度为临界水力坡度。
(1) 砂土孔隙度愈大,临界坡度愈小,易产生渗透破坏;
(2) 颗粒较细土颗粒密度小,而且连续极弱的粉细砂、粉土等极易产生渗透破坏;
(2) 不均匀系数Cu< 10,或Cu>1 0,但细粒含量>5%的砂土易产生渗透破坏。
3 临空面
实际工程中渗透破坏还必须具有充分的临空面才能发生,基坑开挖时,因有临空条件,当满足动水条件与土层结构条件时,就会产生渗透破坏。
4 降水质量
不均匀速度降水和间歇降水,使土粒带出,诱发土层流砂现象。
3 防渗加固措施
渗透破坏控制主要有两个目的:一是防止渗透力集中,造成渗透破坏危害基坑安全;二是限制坑外地下水位,以免给临近建筑物及市政设施带来不良影响。基坑工程的渗透破坏控制,存在防与治两个方面。
3.1预防措施
(1)改善土体的抗渗性能。基坑工程中,改善土体抗渗性能主要是增强土颗粒间的胶结能力。通过灌浆或高压注浆的方法将粘结材料注人需要处理的土体中,可同时提高土体的强度和抗渗性。针对渗流场中易于产生渗透力集中的薄弱部位,进行局部处理,可以既考虑到工程的安全性,又兼顾工程经济效益。
(2)合理设计防渗帷幕。设置防渗帷幕,就相当于增加了地下水的渗流路径,使水力坡度减小,并且使水头损失较大的地方离基底远些,可以改善基坑渗流场的分布形态,有效地防止渗透破坏的发生。通过渗透破坏分析计算,合理设置防渗帷幕的埋深,避免过深造成浪费。
(3)降低地下水位。基坑周围环境对沉降要求较小时,可在坑外设置排水井点,使坑内外的水力坡度达到实际容许水力坡度,或将地下水位降至基坑开挖深度以下。
2 加固治理措施
(1)采用反压土,目的是增加坑内被动区土压力,控制泥沙外流。如,立即铺设稻草料,并抛大石块等把流砂压住,控制险情的发展。
(2)对保护对象进行加固保护,同时对漏空区进行高压注浆充填加固。高压注浆在管涌周围采用下部封堵地下水渗流通道,注浆压力一般为0.2MPa~0.3MPa,水灰比0.5,水泥浆内掺3%的水玻璃,注浆深度,控制在基3m~7.5m内,深层注浆用于控制砂层承压水,浅层注浆用于加固土体。在制止管涌时可以采用了先注外加剂后注水泥浆的办法,进行治理。
4 工程实例分析
余杭区浙商开元名都国际酒店工程地下室基坑, 地下2层、夹1层/地上26层，开挖深度11.5～14.55m,平面形状近似方形,地下面积35611.8m2 。基坑东外边线距红联社区安乐堂4.3m，距杭州余杭闲置设备城12.2m, 基坑南外边线距杭州吉杭服饰有限公司4.9m，基坑北外边线距最近的砖砌建筑3.6m，距1F的临时房6m，地下水位埋深0.50-2.00m m,年变幅1.00m左右。工程基坑采用单排钻孔围护桩结合两道水平钢筋混凝土内支撑围护方案，挡土桩采用直径800的钻孔灌注桩，止水帷幕为850直径水泥搅拌桩，在坑外及坑內设置了自流深井进行降水；待围护桩强度达到设计强度的80％以后，开挖至压顶梁底100mm处，施工压顶梁；待压顶梁达到设计强度后，开挖至第一道围檩及支撑底100mm处，施工第一道围檩及支撑；待第一道围檩及支撑达到设计强度后，开挖至第二道围檩及支撑底100mm处，施工第二道围檩及支撑；待第二道支撑梁强度达到设计强度的80％以后，分段、分层、对称、均匀开挖至基坑底部。基坑采用管井降水,一期工程共布设管井43余口。基坑开挖面积巨大,周边环境比较复杂,不同的开挖段地质情况有较大差异。
各土层特征基本如下：
1 杂填土：杂色，松散，稍湿，主要由碎石、建筑垃圾等组成。
2-1 粘质粉土：黄灰色，稍密，很湿。局部含少量铁锰质斑点。干强度和韧性低，摇震反应慢。
2-2 砂质粉土：黄灰色-灰色，中密，湿，局部含少量贝壳碎片。干强度和韧性低，摇震反应快。
2夹 淤泥质粉质粘土：灰色，饱和，流塑。干强度和韧性中等，摇震反应无。
2-3砂质粉土：青灰色-浅黄色，密实，湿，含云母，夹大量粉砂，干强度和韧性低，摇震反应快。
2-4砂质粉土：灰色，中密-密实，湿，含云母，夹粉砂，干强度和韧性低，摇震反应快。
4-1 砂质粉土：灰色，很湿，稍密～中密，具层理，含少量有机质斑点，夹粉质粘土。干强度和韧性低，摇震反应快。
4-2 砂质粉土：灰色，湿，密实，含云母，夹大量粉砂，局部含贝壳碎屑。干强度和韧性低，摇震反应快。
6 粉质粘土：灰黄色，饱和，硬可塑。切面较光滑，干强度高，摇振反应无，韧性中等。
基坑开挖深度影响范围内各土层主要物理力学性质指标如下：
基坑西南角及南侧地下5～10m左右为粉土与粉砂夹粉土层,开挖时,发生流砂现象,为管涌的发生创造了条件。在土方开挖到﹣8m左右时,造成止水帷幕漏水涌土,并引起了周边道路的下沉,相邻房屋墙体拉裂,裂缝宽度3cm左右,屋内地面也出现了开裂。
经分析其产生原因,主要是由于坑内西南角及南侧部分的粉砂土层是易产生流砂现象的土体,是渗透破坏产生的内因;同时机械挖土时,基坑内外产生较大的压力差,加上管井经常间歇降水,降水速度时快时慢,使土粒带出,使水平向渗流更容易形成渗透破坏。后经采用高压旋喷桩增强止水帷幕止水效果，得到有效处理。保证了深基坑的正常施工。
5 结语在深基坑工程事故中,由土体渗透破坏而引起的工程事故占有很高的比例,基坑渗透破坏是多种因素的综合结果,渗透破坏的产生不仅受到渗透力的大小,同时还与土的空隙率、颗粒级配、密度等条件有关。根据渗透破坏发生的机理及影响条件,提出合理的基坑支护和降水止水方案,具有重要意义。
注：文章内所涉及的公式和图表请用PDF格式打开