复杂地质深基坑含水层疏不干问题分析及解决对策

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论文字数:44522 论文编号:sb2021041023161135140 日期:2021-04-23 来源:硕博论文网
本文研究得出的成果还不是十分完善,很多方面有待以后进一步改进:(1)在进行深基坑工程降水时基坑涌水量和降水影响半径是两个十分重要的数据,对含水层疏不干问题的研究也很重要,目前确定基坑涌水量和影响半径的方法主要有两种,一种是根据经验公式计算得出,此方法得出的值与实际一般存在一定的误差;另一种是在工程现场通过现场抽水实验来确定,实验得出的值一般与实际相符。本文采用经验公式确定基坑涌水量和降水影响半径的值,所以没有真实数据进行参照。

第 1 章 绪论

1.1 选题依据及意义
改革开放至今,经济高速发展,带动城市化发展也随之进入了一个高速阶段。随着城市的发展许多高层和超高层建筑兴建起来,比如北京中信大厦、上海环球金融中心、广州周大福中心、武汉中心大厦等。高层及超高层建筑大大增加了上部结构的荷载,又使竖向荷载非常集中,这就对基础和地基提出了更高的要求,需要它们能够提供更高的竖向承载力。因此就需要增加基坑的深度,随着基坑深度的增加,基坑中的地下水处理起来越来越复杂,因为此时地下水情况复杂很难掌握其规律需要对工程降水技术和工艺提出更高的要求。尤其是在复杂地质条件下的深基坑降水工程,已成为决定整个基坑工程成功与否的一个重要环节。
基坑开挖过程中由于降水不当而引起的工程地质灾害问题经常发生,如基坑施工过程中由于地下水渗流诱发坑壁坍塌、地下水渗流对基坑围护结构和边坡稳定性的影响、含水层疏不干引起的流砂管涌和坑底突涌等问题。有学者针对 130项基坑工程事故原因进行了归纳总结,其中占比达 21.4%的工程事故是由降水不当引起的[1]。可见在深基坑工程中如何疏干地下水是一个十分关键的问题。因此在基坑开挖过程中,疏干基坑含水层,减小地下水对基坑开挖和周围环境的影响,在深基坑施工中有着十分重要的地位,值得作为岩土工程的一个重要课题去仔细研究。
在深基坑降水问题中含水层疏不干问题是深基坑降水中的一个难点,也是深基坑降水常见的一个问题,一旦含水层中的水位没有降到设计要求的安全深度,在支护结构施工和土开挖过程中极大可能会引起流砂、管涌和基坑突涌等现象,而且基坑开挖扰动出的地下水会使槽底充满泥泞,这些状况会严重影响到施工进度以及施工安全[2],因此含水层疏不干问题的研究显得格外重要,应该引起公众的足够重视。
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1.2 基坑降水发展概况
1.2.1 国外基坑降水发展概况
19 世纪初蒸汽泵技术开始应用在工程地下水降排中,1830 年在英国伯明翰铁路的隧道工程当中,为将地下水位控制在安全高度保证隧道安全顺利施工,采用了泵送水联合竖井降水技术并取得了良好的降水效果,这也是世界上第一次有记录的降水工程实例。德国对基坑降水技术的研究比较早,也研究出了很多成果。比如深井降水技术就是在德国首次应用在实际工程中,1896 年德国在修建柏林地铁时使用了深井降水技术。又如降压井技术,1930 年在德国不莱梅的哈芬岗的水闸中,为了降低承压水头设计了 58 口承压井,并完美的达到了降低承压水头的目的。1939 年,在萨尔茨格铁路工程项目施工中为了稳定边坡使用了电渗排水技术排出地下水,这是电渗排水技术首次应用在实际工程中。美国对基坑降水技术做了改良和创新,在 20 世纪 30 年代研发出了双阀自冲式井点,使降水井点可以自动到达地下降水区域。到了 20 世纪 50 年代又成功研发出了喷射井点降水技术,使深基坑降水技术更加完善[4]。瑞典的杰尔曼教授在上个世纪 50 年代提出真空降水法,从那以后真空降水技术开始引起工程界人士的关注,许多国家的学者和专家对真空降水法进行了研究,真空降水技术得到了高速发展。美国费城国际机场工程随即对真空降水技术进行了实践,在进行降水时采用了真空深井降水联合降水预压法并取得成功[5]。随后法国、日本和苏联等国家也对真空降水技术做了研究。苏联将轻型井点降水技术应用在了霍夫水电站工程当中,并取得了良好的降水效果[6]。到目前为止,降水工程发展已超过百年,世界各国为了在建水坝、桥梁、隧道、建筑地下室工程、市政工程等工程中保证工程安全顺利进行,创造了各种降水技术降排地下水,使深基坑降水技术得以快速发展[7-12]。
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第 2 章 地下水渗流理论与工程降水理论

2.1 概述
地下水渗流研究最早可追溯到 1856 年,法国科学家 H.Darcy 提出了著名的Darcy 定律,此后许多科学家以 Darcy 定律为基础,对地下水运动的规律做了许多卓有成效的研究。1863 年,J.Dupuit 根据 Darcy 定律提出了潜水运动的基本假设,即著名的 Dupuit 假设。随后 Boussinesq 根据 Dupuit 假设,提出了有入渗补给的潜水非稳定运动的 Boussinesq 方程。到了 20 世纪初 P.Forchheimer 等人又在前人的基础上发现了更复杂的地下水非线性运动的规律,从而使渗流理论更加完善,而现在常用的研究地下水非线性运动的公式就是 P.Forchheimer 公式。还有很多学者和科学家跟随着这波地下水研究浪潮做出了突出贡献,使渗流分析领域进入了一个全新发展阶段。
J.Dupuit 对降水理论的研究和发展也做出了巨大的贡献,他根据达西定律提出了 Dupuit 公式,用于计算地下水向完整井的稳定流。随后,Theis 提出了著名的 Theis 公式,用于地下水向完整井的非稳定流计算。Jacob 随后根据 Theis 公式提出了一个近似 Theis 公式表达式,即 Jacob 公式。1955 年 Hantush 和 Jacob 对有越流补给的承压水完整井流做了研究,并随后提出了 Hantush-Jacob 公式。Boulton 和 Neuman 分别建立了潜水完整井非稳定流的 Boulton 模型和 Neuman模型。而 Hantush 和 Бабушкин 对地下水向不完整井运动规律做了研究,并提出了相应公式[47-53]。
根据渗流理论和工程降水理论,工程师们发明创造了各种降水井来排出各种不同地质条件下基坑中的水,主要有管井、真空井、喷射井、电渗井、辐射井等。
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2.2 地下水渗流理论
2.2.1 渗流的基本概念
渗流就是地下水在岩土体的空隙中发生渗透流动,地下水进行渗流的场所称为渗流场。土体中孔隙的形状复杂多变,渗流通道宽度及方向多变,所以地下水的流速和方向也频繁发生变化。一般情况下岩土体空隙通道狭小、水流所受阻力很大,地下水流动极其缓慢。在自然界中地下水运动一般分为两种状态,一种是在运动时各运动要素都不随时间改变的稳定流,另一种是在运动时各运动要素随时间改变的非稳定流。严格地讲,在自然界中不存在稳定流,因为地下水渗流通道极度不规则。但是为了方便分析计算,往往要将非稳定流近似看做稳定流。
表 2-1 几种土的渗透系数
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第 3 章 基坑降水工程实例分析...........................21
3.1 基坑工程概况.................................21
3.1.1 工程总体概况.............................21
3.1.2 地形地貌与水文气象..................21
第 4 章 深基坑降水数值模拟.................................39
4.1 地下水数值模拟基本原理..............................39
4.2 数值模拟软件介绍............................39
第 5 章 深基坑降水设计与优化.................................55
5.1 降水设计前应调查或提供的资料.........................55
5.2 降水设计内容...........................55

第 5 章 深基坑降水设计与优化

5.1 降水设计前应调查或提供的资料
深基坑降水工程在选择和设计前,甲方必须提供相关资料和数据,其中包括工程地质勘察报告、建筑基坑平面图和立面图、建筑场地附近建筑物与地下管线基础情况等,对于尚未采取过降水措施的某一处场地,则须进行更加仔细的调研工作,如表 5-1 所示,为降水设计前应有资料及调研内容。设计人员在获得表 5-1所列数据资料的同时,需要在设计前亲自到工程现场进行勘察,最好能对基坑场地地下水情况以及当地水文气象做好调研,预测降水过程中可能遇到的问题,并事先做好充足的准备[70]。
表 5-1 降水设计前应有资料及调研内容
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结论与展望

主要结论
本文结合邯郸市某深基坑工程实例,以复杂地质深基坑含水层疏不干问题分析及解决对策为题对含水层疏不干问题及其解决对策做了研究分析,得出的主要结论有:
(1)基坑含水层疏不干主要是由较复杂的土层结构造成的,粉质黏土相对隔水层较多,致使粉土含水层不均匀,降水影响半径与单井出水量小;粉土含水层渗透性较差,地下水流动受到的沿程阻力大,管井降水时渗流速度慢,完全跟不上降水井抽水速度,使得基坑降水失效;粉质黏土相对隔水层的含水量大,难以向外渗流,最终造成了基坑疏不干。并且止水帷幕没有使基坑内部与外界完全丧失水力联系,使得进行降水时坑内会有外界的水进行补充而造成疏不干。
(2)针对得出的导致含水层疏不干的原因,提出了相对应的解决对策,主要有:真空井点降水、真空预压法排水、辐射井降水、砂井降水联合低能量强夯法、采用落底式止水帷幕。基坑现场采用了轻型井点分层降水的方法,有效解决了含水层疏不干问题。
(3)利用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟分析,应用对比模拟的方法:分别采用管井与真空井点在本文背景基坑进行降水模拟对比、管井分别在均质含水层与非均质含水层进行降水模拟对比、分别采用悬挂式止水帷幕与落底式止水帷幕进行降水模拟对比。由模拟的结果得出:含水层不均匀、降水方法选择不当、没有切断基坑内外水力联系是含水层疏不干的主要原因;真空井点相对于管井更加适合在土层渗透性差、含水层不均匀的基坑中进行降水,即真空井点能加速含水层疏干;落底式止水帷幕使基坑内部与外界完全丧失水力联系,有助于解决含水层疏不干问题。
(4)对降水方法、降水井深度、降水井布置、止水帷幕形式以及降水管理进行了优化设计,对降水井深度优化方案、降水布置优化方案、降水井类型与止水帷幕类型优化方案、降水井深度与布置优化方案进行数值模拟,得出上述优化方案对解决含水层疏不干问题可行。
参考文献(略)

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