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项目一 土方工程
任务三 土方开挖
在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不降水减压，则基底可能被冲溃破坏。因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。
3.3 降低地下水位
为了保持基坑干燥，防止由于水浸泡发生边坡塌方和地基承载力下降，必须做好基坑的排水、降水工作，常采用的措施是集水井降水法和井点降水法。
当基坑开挖较浅，可采用集水井降水法；
当基坑开挖深度较大，但采用了止水帷幕，基坑内降水也多采用集水井降水法。
如降水深度较大，止水措施有限或土层为细砂、粉砂或软土地区时，宜采用井点降水法降水，在井点降水的同时往往也铺以局部的集水井降水。
3.3.1集水井降水法
集水井降水法又称为明沟排水法，是一种设备简单、应用普遍的人工降低水位的方法。
施工：集水井一般在基坑或沟槽开挖后设置，土方开挖到坑（槽）底后，先沿坑底的周围或中央开挖排水沟，并设置集水井。土方开挖后地下水在重力作用下经排水沟流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。如果开挖深度较大，地下水渗流严重，则应在逐层开挖，逐层设置。（如图）
构造：集水坑的直径或宽度一般为0.6～0.8 m，其深度随着挖土的加深而加深，并保持低于挖土面0.7～1.0m。坑壁可用砖垒筑，也可用竹筐、木板等简易加固。当基坑挖至设计标高后，集水坑底应低于基坑底面1.0～2.0m，并铺设碎石滤水层（≈0.3m厚）或采用双层滤水层，下部砾石（≈0.1m厚）、上部粗砂（≈0.1m厚），以免由于抽水时间过长而将泥砂抽出，并防止坑底土被扰动。
设置：集水井应设置在基础范围以外，地下水流的上游，排水沟一般沿基础四周布置，如基坑面积较大时，可在基础下设置盲沟，盲沟连通至集水井，可将基础下涌出的水排出基坑。排水沟纵坡宜控制在1‰～2‰。集水井的间距主要根据土的含水量、渗透系数、基坑平面形状及水泵能力，一般每隔20～40 m设置一个。
适用：集水井降水法适用于水流较大的粗粒土层的排水、降水，也可用于渗水量较小的粘性土层降水，但不适宜于细砂土和粉砂土层，因为地下水渗出会带走细粒而发生流砂现象。
盲沟：是渗水沟，由多层渗水性强的粗砂、砾石分层填实，地下水量不大时采用，沿迎水面设置。
基坑挖土至地下水位以下，当土质为细砂土或粉砂土的情况下，往往会出现一种称为“流砂”的现象，即土颗粒不断地从基坑边或基坑底部冒出的现象。一旦出现流砂，土体边挖边冒流砂，土完全丧失承载力，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方；临近建筑因地基被掏空而出现开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。
3.3.2 流砂现象及其防治
1、产生流砂的原因
流砂现象产生的原因是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果。
动水压力是地下水的渗流对单位土体内骨架产生的压力，用 GD 表示，它是单位土体内渗流水受到土骨架的阻力 T 大小相等，方向相反。动水压力 GD 的大小与水力坡度成正比，即水位差愈大，渗透路径 L 愈短，则 GD 愈大。
当动水压力大于土的浮重度，而且动水压力方向（与水流方向一致）与土的重力方向相反时，土不仅受水的浮力，而且受动水压力作用，有向上举的趋势，土颗粒就处于悬浮状态，土颗粒往往会随渗流的水一起流动，涌入基坑内，形成流砂。
2、流砂的防治
由于产生流砂的主要原因是动水压力的大小和方向。当动水压力方向向上且足够大时，土颗粒被带出而形成为流砂，而动水压力方向向下时，如发生土颗粒的流动，其方向向下，使土体稳定。因此，在基坑开挖中，防治流砂的原则是“治流砂必先治水” 。
防治流砂的主要途径是：减少或平衡动水压力；设法使动水压力方向向下；截断地下水流。
其具体措施有：
（1）枯水期施工法
枯水期地下水位较低，基坑内外水位差小，动水压力小，就不易产生流砂。
（2）抢挖并抛大石块法
分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。
（3）设止水帷幕法
将连续的止水支护结构（如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌注桩等）打入基坑底面以下一定深度，形成封闭的止水帷幕，从而使地下水只能从支护结构下端向基坑渗流，增加地下水从坑外流入基坑内的渗流路径，减小水力坡度，从而减小动水压力，防止流砂产生。
（4）冻结法
将出现流砂区域的土进行冻结，阻止地下水的渗流，以防止流砂发生。
（5）人工降低地下水位法
即采用井点降水法（如轻型井点、管井井点、喷射井点等），使地下水位降低至基坑底面以下，地下水的渗流向下，则动水压力的方向也向下，从而水不能渗流入基坑内，可有效地防止流砂的发生。因此，此法应用广泛且较可靠。
3、流砂与管涌
渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳。前者主要表现为流砂和管涌，后者则表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物整体失稳。这里主要分析流砂和管涌现象。
流砂：这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中。它的发生一般是突发性的，对工程危害极大。
　 管涌：在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。可见，管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。
是否发生管涌，首先取决于土的性质，管涌多发生在砂性土中，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒经孔隙直径大且相互连通。
无粘性土产生管涌必须具备两个条件：
① 几何条件：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，这是必要条件，一般不均匀系数 Cu＞10 的土才会发生管涌；
② 水力条件：渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力梯度来表示。但管涌临界水力梯度的计算至今尚未成熟。对于重大工程，应尽量由试验确定。
防治管涌现象，一般可从下列两个方面采取措施：
① 改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。
② 改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。
井点降水：基坑开挖前，在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管(井)，在基坑开挖前和开挖过程中，利用抽水设备不断抽出地下水，使地下水位降到坑底以下，直至土方和基础工程施工结束为止。
井点降水有两类：一类为轻型井点(包括电渗井点与喷射井点)；另一类为管井点(深井泵)。
对不同的土质应采用不同的降水形式，表1.6为常用的降水形式。
3.3.3 井点降水法
表1.6 降水类型及适用条件
适合条件
降水类型 渗透系数(cm/s) 可能降低的水位深度(m)
轻型井点
多级轻型井点 10-2～10-5 3～6
6～12
喷射井点 10-3～10-6 8～20
电渗井点 ＜10-6 宜配合其他形式
降水使用
深井井管 ≥10-5 ＞10
井点降水的作用：
① 防止地下水涌入坑内（下图a）；
② 防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方（下图b）；
③ 使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力，因此，可防止坑底的管涌（下图c）；
④ 降水后，使板桩减少横向荷载（下图d）；
⑤ 消除了地下水的渗流，防止流砂现象（下图e）；
⑥ 降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基土的承载能力。
图 井点降水的作用
1、 轻型井点
轻型井点(图1.17)就是沿基坑周围或一侧以一定间距将井点管(下端为滤管)埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，利用抽水设备将地下水经滤管进入井管，经总管不断抽出，从而将地下水位降至坑底以下。
轻型井点法适用于土壤的渗透系数为0.1～50m/d的土层中；降低水位深度：一级轻型井点3～6m，二级井点可达6～9m。
轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。管路系统包括滤管、井点管、弯联管及总管等。
滤管为进水设备，通常采用长1.0～1.5 m、直径38mm或51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为12～19mm的滤孔。骨架管外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。为使流水畅通，在骨架管与滤网之间用塑料管或梯形铅丝隔开，塑料管沿骨架绕成螺旋形。滤网外面再绕一层粗铁丝保护网、滤管下端为一铸铁塞头。滤管上端与井点管连接。
图 滤管构造
1－钢管；2－管壁上的孔；3—缠绕的塑料管；
4—细滤网；5—粗滤网；6—粗铁丝保护网；
7—井点管；8—铸铁头
井点管为直径38mm 和51mm、长5～7m的钢管。井点管的上端用弯联管与总管相连。集水总管为直径100～127mm的无缝钢管，每段长4m，其上端有井点管联结的短接头，间距0.8m或1.2m。
抽水设备是由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成，一套抽水设备的负荷长度（即集水总管长度）为100m左右。常用的W5，W6型干式真空泵，其最大负荷长度分别为80m和100m，有效负荷长度为60m和80m。
（1）轻型井点的布置
根据基坑（槽）形状，轻型井点可采用单排布置（图a）、双排布置（图b）、环形布置（图c），当土方施工机械需进出基坑时，也可采用U形布置（图d）。
当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低深度不超过5m时，可用单排线状井点布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度一般不小于沟槽宽度。双排线状井点布置适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。
在考虑到抽水设备的水头损失以后，井点降水深度一般不超过6m。井点管的埋设深度H(不包括滤管)按下式计算(图1.19(b))：
式中 H1——井点管埋设面至基坑底的距离，m；
? h——基坑中心处坑底面(单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘)至降低后地下水位的距离，一般为0.5～1.0m；
? i——地下水降落坡度；环状井点为1/10，单排线状井点为1/4；
? L——井点管至基坑中心的水平距离(单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离)，m。
(1.14)
如宽度大于6m或土质不定，渗透系数较大时，宜用双排井点，面积较大的基坑宜用环状井点(图1.20)；为便于挖土机械和运输车辆出入基坑，可不封闭，布置为U形环状井点，且井点管不封闭的一段应在地下水的下游方向。
当一级井点系统达不到降水深度时，可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后在基坑底部装设第二级井点，使降水深度增加（图1.21）。
（2）井的分类
根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时（即地下水面为自由面），称为无压井；当水井布置在承压含水层中时（含水层中的水充满在两层不透水层间，含水层中的地下水水面具有一定水压），称为承压井。根据水井底部是否达到不透水层，水井分为完整井和非完整井，当水井底部达到不透水层时称为完整井，否则称为非完整井。因此，井分为无压完整井、无压非完整井、承压完整井、承压非完整井四大类（见下页图）。
1－承压完整井；2－承压非完整井；3－无压完整井；4－无压非完整井；
（3）轻型井点的安装
轻型井点的施工分为准备工作及井点系统安装。
准备工作包括井点设备、动力、水泵及必要材料准备，排水沟的开挖，附近建筑物的标高监测以及防止附近建筑沉降的措施等。
埋设井点系统的顺序：（动画）
根据降水方案放线 → 挖管沟 → 布设总管 → 冲孔 →下井点管 → 埋砂滤层 → 粘土封口 → 弯联管连接 →安装抽水设备 → 试抽
井点管的打设方法有射水法、冲孔（或钻孔）法和套管法，根据设备条件及土质情况选用。一般多采用水冲法（动画）施工，分为冲孔(图(a))和埋管(图(b))两个过程 。
冲孔：冲孔时，先用起重机设备将冲管吊起并插在井点的位置上，然后开动高压水泵，将土冲松，冲管则边冲边沉。冲孔直径一般为300mm，以保证井管四周有一定厚度的砂滤层，冲孔深度宜比滤管底深0.5m左右，以防冲管拔出时，部分土颗粒沉于底部而触及滤管底部。
埋管：井孔冲成后，立即拔出冲管，插入井点管，并在井点管与孔壁之间迅速填灌砂滤层，以防孔壁塌土。砂滤层的填灌质量是保证轻型井点顺利抽水的关键。一般宜选用干净粗砂，填灌均匀，并填至滤管顶上1～1.5m，以保证水流畅通。
井点填砂后，须用粘土封口，以防漏气。
（4）轻型井点使用（视频）
轻型井点运行后，应保证连续不断地抽水。 正常出水规律：先大后小，先浑后清。
井点淤塞，一般可以通过听管内水流声响、手摸管壁感到有振动、手触摸管壁有冬暖夏凉的感觉等简便方法检查。
地下基础工程(或构筑物)竣工并进行回填土后，停机拆除井点排水设备。
3.3.4 井点降水对周围环境的影响
1、井点降水的不利影响
井点管埋设完成开始抽水时，井内水位开始下降，周围含水层的水不断流向滤管，在无承压水等环境条件下，经过一段时间之后，在井点周围形成漏斗状的弯曲水面，即“降水漏斗”，这个漏斗状水面逐渐趋于稳定，一般需要几天到几周的时间，降水漏斗范围内的地下水位下降以后，就必然会造成土体固结沉降。该影响范围较大，有时影响半径可达百米。在实际工程中，由于井点管滤网及砂滤层结构不良，把土层中的粘土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况也是经常发生的，这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧，造成附近建筑物及地下管线的不同程度的损坏。
2、防范井点降水影响的防治措施
由于井点降水对引起周围地层的不均匀沉降，但在高水位地区开挖深基坑必须采用降水措施以保证地下工程的顺利进展，因此，一方面要保证土方开挖及地下工程的施工，另一方面又要防范对周围环境引起的不利影响，因此，在降水的同时，应采取相应的措施，减少井点降水对周围建筑物及地下管线造成的影响。
设置地下水位观测孔，并对临近建筑、管线进行监测，在降水系统运转过程中随时检查观测孔中的水位，发现沉降量达到报警值时，应及时采取措施。
降水施工时，应做好井点管滤网及砂滤层结构，防止抽水带走土层中的细颗粒。当有坑底承压水时，应采取有效措施防止流砂。
如果施工区周围有湖、河、浜等贮水体时，应在井点和贮水体之间设置止水帷幕，以防抽水造成与贮水体穿通，引起大量涌水，甚至带出土颗粒，产生流砂现象。
在建筑物和地下管线密集区等对地面沉降控制有严格要求的地区开挖深基坑，应尽可能采取止水帷幕，并进行坑内降水的方法，一方面可疏干坑内地下水，以利开挖施工，同时，需利用止水帷幕切断坑外地下水的涌入，大大减小对周围环境的影响。
场地外缘设置回灌系统也是减小降水对周围环境影响有效方法。回灌系统包括回灌井点和砂沟、砂井回灌两种形式。回灌井点是在抽水井点设置线外4～5m处，以间距3～5m插入注水管，将井点中抽取的水经过沉淀后用压力注入管内，形成一道水墙，以防止土体过量脱水，而基坑内仍可保持干燥。这种情况下抽水管的抽水量约增加10%，可适当增加抽水井点的数量。回灌井点布置如图所示。（回灌井点原理动画）
a) 回灌井点布置； b) 回灌井点水位图 1—降水井点；2—回灌井点；3—原水位线；4—基坑内降低后的水位线；5—回灌后水位线

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