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对深基础施工中出现流沙、管涌现象的防治方法

时间:2018/8/9 16:01:24  作者:未知  来源:网络转载  
  在深基础施工中,对基坑的降水要求通常是基础施工方案中的一个重要部分,对一般工程而言,采取必要的人工降水(如轻型井点降水、深井降水)或抗渗围护等措施均能满足施工要求。但是当遇到地下水文、地质情况较为复杂时(如各土层之间的渗透系数差值过大、土层夹有渗透系数很大的粉砂层、地下存在不透水土层和承压含水土层以及基坑附近有人工水管漏水等)会给施工带来很大的不利。笔者在进行通医附院门急诊大楼的基础施工时,就因地下承压水造成管涌而拖延工期一个多月。因此在深基础施工时,对基坑降水和预防流沙、管涌的措施应特别重视。本文根据多个工程的施工经验与教训,收集了一些有关资料,就深基础施工时出现流沙、管涌现象的防治方法作一粗浅的总结。
  一、出现流沙、管涌现象的工程实例
  1.1工程实例一:常州勤德家园高层住宅工程地下室基坑开挖深度5.5 m,局部电梯井的部位基坑开挖7.5m,正常地下水位深1.5m。方案采用一级轻型井点做人工降水,放坡大开挖,电梯井部位的深坑周围采用二级井点降水。在大面积开挖时,坑中土体干燥。当电梯井部位深坑挖到7.5m时,土中未见渗水现象。由于设计变更,电梯井坑加工深至8.1m,在补下深坑周围二级井点时,突然出现地下压力水经二级井点立管的砂井上泛,很快即形成管涌。在64m2的深坑中,共有6个管涌点,总流量可达到20m3/h。承压水头的标高超过了地下室底板的底标高,造成地下室按常规情况无法施工。
  1.2工程实例二:上海某住宅楼工程,地下室基坑开挖深度4.5m,局部电梯井基坑开挖深7.5m,基坑采用二级井点降水,在电梯井深坑开挖时,坑底土基本干燥,但在边坡上的粉土夹层中出现土层流沙造成塌方。
  1.3工程实例三:南通某住宅楼,地下室基坑采用深层搅拌桩作抗渗围护,坑内采用轻型井点降水。局部柱基承台开挖深坑,最大深度9m。在其中最深一个柱基承台开挖时,沿工程桩的周围出现多个管涌点,管涌最大流量达到15m3/h,致使坑中积水造成深坑淹没塌方。
  二、流沙、管涌成因的分析
  2.1流沙的成因
  土体在受水浸泡饱和时,土粒中亲水胶体颗粒吸水膨胀使土粒的密度减小,当在动水压力的作用下,动水压力超过土粒的重力时,土粒产生悬浮流动,即形成流沙。动水压力是产生流沙的一个重要因素。产生流沙的临界条件为:
  I=(ρ-1)(1-n)
  I—临界水力坡度
  ρ—土粒密度
  n—土的孔隙率
  在基础施工中易形成流沙的情况一般有如下几种:
  (1) 坑内采用明排水,坑外地下水位高于坑内抽水水位,地边坡上的地下水渗出点部位易出现流沙。
  (2) 基坑开挖深度超过降水设施的有效降水深度,坑底易出现流沙。
  (3) 基坑降水效果不佳,在土中含水率大于30%或孔隙率大于43%时,在有效降水浸润线以下易出现流沙。
  (4) 土层中有厚度大于250mm的粉砂夹层,粉砂层的渗透系数远大于其它土层,地下水从粉砂夹层中横向流出。
  (5) 深坑附近的人工地下水管渗漏,影响基坑降水的预期效果。
  2.2管涌的成因
  当深基坑距离河塘较近或基坑底下土层中存在承压含水层时,在水位差的作用下,基坑土体中存在渗透水流,由于土体的不均匀性,土体中某一部位的土颗粒在渗透水流的作用下发生运动,使填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走而形成涌水通道,即形成管涌(又称翻沙鼓水、泡泉)。当主渗漏涌水通道上的细颗粒被基本带走后,在较强的水流冲刷下主通道两侧的细颗粒进入涌水主通道,使涌水主通道逐渐变宽,管涌持续时间越长,通道的宽度越宽,继而发生大量涌水和塌方事故。
  管涌的发生是一个水与土体相互作用的复杂的力学过程,管涌的发生与地层中地的组成成分、结构、土的级配、水力梯度、管涌发生口表面覆盖粘土层的强度、厚度、饱和度、固结度、浸泡时间等因素有关。
  地下承压水一般处于不透水层以下,而有的地区不透水层很薄,如南通市的城中地区不透水层的厚度约为0.6~1m左右,而且在地质勘探报告中很容易被忽视,在基础施工中由于承压水而形成管涌的形式有:(1)局部挖深穿过不透水层或基坑底不透水层的自重压力小于承压水头压力形成管涌;(2)井点立管的砂井穿过不透水层形成管涌;(3)桩基穿过不透水层且周围的土体松动形成管涌。(4)基坑与河塘距离太近,渗流水力梯度大于土体渗流稳定的临界水力梯度而形成管涌。
  一旦形成管涌之后,管涌的泛水点迅速由小变大而使基础积水、泛砂而无法施工。当遇到这种情况时应立即采取有效措施,确保基础的顺利施工。
  三、对流沙、管涌的预防措施
  3.1施工方案的设计与论证
  (1)为保证深基础施工时基坑不积水,在深基础施工之前,首先应根据地质钻探资料和工程实际情况,设计深基础施工的降水方案。通常采用的基坑降水方法有人工降水、抗渗围护等,无论采用什么方案,方案中应对坑中待挖土中的地下水位变化情况进行必要的验算,使降水措施满足地下水位浸润线低于开挖底标高以下500mm的施工条件。
  (2)凡在深基坑开挖施工中,如发现有地下承压水,应事先探明承压水头、不透水层的标高和厚度,并对坑底土体进行抗浮托能力验算。
  (3)对工程所在地的类似深基础施工情况进行必要的调研,吸取其它工程在深基础施工中的经验与教训。
  3.2深基础施工实施过程的措施
  3.2.1预防和处理流沙、管涌的原则是“减少或平衡动水压力”。如根据监测和验算,基坑降水或坑底土抗浮达不到施工要求,应采取相应的措施使其达到施工要求。
  3.2.2预防流沙、管涌的基本方法
  (1)一般预防措施:a)井点施工时,井点立管的砂井成孔应完整,砂石填充高度应高于正常地下水位并要填充密实。b)采用基坑人工降水时,在开挖之前,应在基坑范围内设置地下水位观测井,监测人工降水的效果;c)当发现有承压水和不透水层以后,在采用轻型井点降水时,井点立管不应穿过不透水层;d)对于穿过不透水层的桩基,如果土方开挖标高低于承压水头标高,则有必要对桩周围进行注浆加固,以避免承压水沿桩周边上泛形成管涌。
  (2)井点降水法:a)当出现流沙时,应立即停止开挖,并回填深坑将流沙埋没,或在深坑中注水,以平衡渗流的动水压力。然后在深坑周围立即补下二级(或三级)井点,待二级(三级)井点降水使地下水浸润线低于开挖范围以下500mm后,再继续开挖施工。b)当深坑接近承压水层时或经计算坑底土体的抗浮不能满足稳定要求时可采用点井管穿过不透水层直接抽取不透水层下的承压水,以降低承压水头,从而避免因承压水头过大而形成管涌。由于地下承压水流量大,不宜采用轻型井点,应采用出水量较大的喷射井点或管井降水。c)井点降水法的原理如图1所示。深井的布置量、布置深度应根据承压含水层的承压水头H、承压水土层渗透系数K,单井出水能力q和要求降低水头量S经计算确定。
对深基础施工中出现流沙、管涌现象的防治方法
  (3)土体抗渗加固截水法:当地下含水层渗透性较强,厚度较大时,可采用悬挂式竖向截水与坑底井点降水相结合(如图2)或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案(如图3)。在土体开挖之前,对深基坑四周抗渗薄弱的土体进行抗渗加固。土体抗渗加固的方法有深层搅拌桩加固、粉喷桩加固、压密注浆加固及劈力注浆加固等方法。土体抗渗加固的水泥掺量可根据试验确定,一般浆喷深层搅拌的水泥掺量宜为被加固土重量的15%~18%;粉喷深层搅拌的水泥掺量宜为被加固土重量的13%~16%;注浆加固的浆液注入率一般为被加固土体重量的15%~20%,浆液配合比:水泥:粉煤灰:水玻璃=1:1:0.04。加固的范围(深度和厚度)可经过计算确定,被加固的土体具有一定强度和较高抗渗能力,形成一截水帷幕,截水帷幕的渗透系数不宜小于1.0×10-6cm/s,可保证深坑开挖时,不会出现流沙或管涌现象。当采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案时(如图3),应对坑底加固土体的抗浮稳定进行验算。
对深基础施工中出现流沙、管涌现象的防治方法
  四、出现流沙、管涌时的应急措施
  4.1基础出现管涌时的应急措施
  4.1.1集水井强排法
  集水井强排法前提是基坑底标高在不透水层以上,且待挖土体中的地下水浸润线标高低于坑底标高。如果由于地下承压水的作用基坑出现管涌,应立即采用细石或绿豆砂将管涌口覆盖以减少涌水口的砂土流失,同时在坑底挖临时集水坑用水泵进行明排水,对坑中土进行抢挖。当挖土至坑底标高后,将图(4)中所示的集水井埋入坑底土中,采用潜水泵排水,并在管涌点到集水井之间做排水盲沟使管涌的流水沿盲沟流入集水井。如果管涌点过多,则应在坑底做细石或绿豆砂垫层。集水井可采用直径在600~800mm左右的铁皮桶(如柴油桶)做成,桶壁打有集水小孔,外侧为绿豆砂反滤层。当集水井排水使坑中水位低于基坑底设计标高时,立即进行砼垫层的浇筑。为了保证垫层砼下盲沟或细石垫层排水畅通,在砼垫层及砂垫层之间应隔有一层铁皮或30~50mm厚的预制砼板。垫层浇完以后,对集水井口采用钢板封没,并将水泵的出水管采用硬质管引出基坑,并保持水泵抽水连续不断,垫层砼具有一定强度以后立即进行深坑中钢筋砼施工。必要时可以采用深坑砼单独先浇的方法,以确保深坑施工的安全性。
  集水井排法的注意点:
  (1) 管涌出水口应时刻覆盖有细石或绿豆砂滤层,保证流水畅通但不流失砂土。
  (2) 开挖速度要快,采用抢挖措施,先挖临时集水坑,后挖涌水点到集水坑的排水明沟,最后开挖基坑土体。
  (3) 铁皮桶的集水井外侧反滤层要有足够的厚度,以确保集水井中抽取的是清水。
对深基础施工中出现流沙、管涌现象的防治方法
  4.1.2深井降水法
  当基坑出现管涌现象,立即停止开挖,并将深坑回填到地下承压水头以上,采用钻孔下套的方法进行打深井,深井的深度一般在不透水层以下2~3m即可,采用深井抽水,以降低深坑部位的地下承压水头,使其降到坑底标高以下0.5m。深井的数量应根据深坑大小,承压水头的高度、承压水土层的渗透系数等参数经计算确定。其降水原理及施工要点同4.2.2中的井点降水法。
  4.1.3注将法
  在开挖基坑中局部深坑时,如深坑底出现管涌,但承压水头较低时(低于深坑顶面标高)可采用注浆法。首先应立即停止对局部深坑的开挖,并对深坑进行部分土方回填,将流沙、管涌点埋没,回填高度应高于承压水头的高度。然后采用注浆法将坑中的土方进行注浆加固,其方法同4.2.2节中的土体抗渗加固截水法(如图3)所述。但由于是应急措施,不宜采用需大型设备进场的深层浆喷搅拌或粉喷搅拌等方法。为加快注浆的凝固和提高早期强度,应在注浆液中掺入一定比例的水玻璃或早强剂。注浆加固土体具有一定的强度后即可进行深坑开挖,当深坑底接近于或穿过不透水层时,应当对坑底土体进行搞浮稳定验算,以确定注浆加固土层的厚度。
  4.2基坑出现流沙时的应急措施
  当采用基坑放坡开挖、井点降水,特别是采用轻型井点降水时,对局部深坑(如集水坑、电梯基坑等)开挖,很容易形成流沙现象。一般情况下,深坑内积水不排除,当坑内积水位达到一定高度时,与深坑外的地下水位形成平衡,流沙即可停止。如果坑内连续排水,则坑边流沙连续不断,就会造成大量流沙而塌方,致使深坑的开挖无法完成。下面介绍几种对流沙的应急措施
  4.2.1补下二级或三级井点降水
  当出现深坑流沙时,应立即停止开挖,用土回填或注水至地下水浸润线以上。在深坑周边补下闭合的二级或三级井点。当二级或三级井点开始运行一段时间后,深坑周边的地下水浸润线会逐步下降,从而防止流沙现象的出现。
  4.2.2快硬型砼逐步护坡
  (1)施工方法:对深坑深度不大,一般坑底在地下降水浸润线下1.0m以内时,可采用此方法。当深坑在开挖过程中出现流沙时,立即停止大面积开挖。而是沿着深坑边坡分批逐段开挖深槽,槽深在200 mm ~250mm左右、宽300 mm左右,一边开挖一边回填快硬型砼,待沿深坑一周挖完并填好砼以后,再挖出坑中的第一批土,并用快硬型砼修正第一段边坡;在第一段边坡修正完以后,并在护坡砼达到一定强度以后,即可开始进行第二批边坡深槽的开挖和修坡工作。依次类推逐批开挖至坑底。在开挖过程中坑底应先采用集水井明排水。当坑底开挖到设计标高后可在坑底内填一层100mm左右的细石垫层,然后停止集水井明排水,使坑中积水与地下降水浸润线平衡,然后采用水下浇筑砼的方法浇筑坑底砼垫层,坑底垫层砼中应掺入必要的外加剂。也可以采用如图4所示的方法设置集水井持续排水至深基础砼具有一定的强度。
  (2) 快硬型砼逐步护坡的施工要点:
  a) 对坑中积土的开挖要快,挖土时集水坑排水不能停止。
  b) 可用水下砼浇筑法浇坑底垫层的砼,要保持坑中水位与地下浸润线平衡。
  c) 当采用带反滤的集水井排水时,应将集水井排水泵管用硬管接到基坑外,持续排水至坑内基础砼强度超过设计强度的70%以上。
  4.2.3深坑砼与大底板砼分开浇筑
  对于采用突击开挖的深坑,一般不宜曝露时间过长,为了尽快地浇筑深坑部位的砼,可以将深坑部位的砼与大底板砼分开浇筑,施工缝的部位一般设在大基坑降水浸润线以上,并设有必要的防渗止水带。
  五、结 语
  5.1在深基坑施工中,特别是在采用放坡大开挖方式施工时,流沙、管涌现象极易出现。所以在拟定施工方案时,要充分周密地设计好基坑降水和排水方案。有些地方土层比较复杂,在地质报告中不一定能反映出整个降水影响区域的土体渗透系数,导致基坑涌水量计算与实际情况有很大的差距,因而造成在施工过程中出现降水效果不明显或出现流沙现象。所以在设计基坑降水方案时,首先应认真研究地质报告中各土层的特性,必要时应在实地做土层渗透系数试验。
  5.2在有的地区(如南通市城中地区)地下存在着承压含水土层,而承压含水土层上的不透水层很薄,以致于在地质钻探时不易被发现。在施工时一旦穿破不透水层,将会造成管涌使基坑出现大量涌水。因此对这些地区应特别注意,要采取必要的预防措施。
  5.3施工前对工程所在地类似工程的施工方法和施工经验作调查研究很有必要,要根据类似工程的经验,采取针对性较强的应急预防措施,做到有备无患,才是确保深基础施工顺利进行的有力保障。

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