CN104727289B - 一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,所述方法充分考虑地下连续墙挡水及减少周边环境沉降的作用,通过理论方法及数值模拟进行分析,确定是否需要通过水泥搅拌防越流墙加固地下连续墙,进而确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度,在满足周边环境沉降的情况下,起到经济性和保护周围环境的双重效果。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度,优先完成水泥搅拌防越流墙施工,使得施工效率较高,使用材料较少,成本较低,施工操作方便,可靠度高。

Description

一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及地下建筑施工技术领域的方法,具体地,涉及一种控制多层含水层越 流补给保护周围环境的施工方法。
背景技术
[0002] 城市化的迅速发展,极大地促进了城市高层建筑和地下空间的大规模开发,深基 坑、超深基坑不断涌现,其中上海中心大厦基坑开挖深度31.3m、上海地铁十三号线淮海路 站端头井开挖深度35m,基坑工程逐渐朝大深度、大面积方向发展。然而随着深度的增加,工 程水文地质中的不确定因素逐渐增多,基坑施工安全及基坑施工对周边环境的影响变得至 关重要。在基坑施工过程中,如果地下水位过高,则需要对基坑工程进行大面积临时性降 水。在我国部分地区弱透水层与承压含水层交互堆积,不能起到隔水的效果。下卧承压含水 层降水过程中,上部含水层会产生从弱透水层的越流补给现象,导致降水过程中时常出现 越流现象,对周边环境造成较大的沉降或引起基坑底部发生突涌现象,造成工程事故,据统 计70%以上的基坑工程事故是由于基坑开挖过程中降水不当导致的。因此,如何减小地下 水对基坑开挖及周边地层的影响,控制多层含水层越流补给的问题是工程中的技术难点之 〇
[0003] 经过对现有的文献检索发现,中国专利申请公布号为"CN102995647A",专利名称 为一种粧孔注浆隔渗的地下水控制方法,该专利自述为:"钻粧孔至含水层降水位置暂停粧 孔钻孔,在已成孔的孔底超前钻劈裂注浆孔;采用劈裂注浆法在与劈裂注浆孔对应的位置 形成大直径水平圆饼状注浆加固土隔渗体;继续钻粧孔到粧底深度位置,清粧孔后依序完 成钢筋笼吊放和混凝土灌注,直至完成钻孔灌注的粧施工"该技术可以在一定程度上减小 越流,达到减压降水保护地下水和地面沉降的效果。但是,该专利注浆过程中,无法控制确 保达到预期的封闭效果,而且从底部每隔一米注浆一次,注浆量太大,造成资源的极大浪费 和施工效率的下降。所以,该技术仅适用于基坑范围较小或者小面积的端头井,适用条件较 窄,且浪费大量材料,效率相对较低。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种控制多层含水层越流补给保护 周围环境的施工方法,该方法充分考虑地下连续墙挡水及减少周边环境沉降的作用,通过 理论方法及数值模拟进行分析,确定是否需要通过水泥搅拌防越流墙加固地下连续墙,进 而确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度,在满足周边环境沉降的情况下,起到经济性和保护 周围环境的双重效果。
[0005] 为实现以上目的,本发明提供一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工 方法,所述方法包括如下步骤:
[0006] 第一步、对施工现场进行土层划分,随后对获取的施工现场土样进行室内常规土 工试验,得到施工现场各土层的厚度及物理力学参数;
[0007] 优选地:
[0008] 所述的获取施工现场土样是指:用厚壁取土设备在施工现场对基坑开挖区域从地 面至基坑坑底设计深度的3倍范围内取土;用于做室内常规土工试验的取土数以每层土不 少于三个试件为宜;
[0009] 所述的相关物理力学参数是指:各层土体的湿密度P、含水量W、压缩系数a、渗透系 数K;
[0010] 所述的室内常规土工试验是指:密度试验、含水量测定试验、侧限压缩试验、常规 渗透试验;所述含水量测定试验是指通过烘干土样得到土体的含水量W;
[0011] 所述密度试验是指通过环刀法密度试验方法测得各层土样的湿密度P,并计算得 到孔隙比e;
[0012] 所述侧限压缩试验是通过压缩仪按照加载等级50、100、200、300、400kPa依次加 载,每级荷载恒压1~2h,绘制孔隙比e与加载荷载P曲线,并计算得到该曲线斜率,即土体压 缩系数a;
[0013] 所述常规渗透试验是指通过常水头渗透试验和变水头渗透试验测定土样的渗透 系数K,所述常水头渗透试验适用于卵石、碎石、粗砂、中砂、细砂的粗颗粒土,所述变水头渗 透试验适用于黏土、粉质黏土、淤泥质黏土的细颗粒土。
[0014] 更优选地,所述孔隙比e由以下公式确定:
[0015]
Figure CN104727289BD00061
[0016] 式中:P为湿密度,w为含水量,ps为土粒密度;土粒密度ps:砂土取2.65~2.69g/ cm3、砂质粉土取2 · 70g/cm3、黏质粉土取2 · 71g/cm3、粉质黏土取2 · 72~2 · 73g/cm3、黏土取 2·74~2·76g/cm3。
[0017] 第二步,对基坑进行底板稳定性验算,确定是否需要对承压含水层进行降水,若需 要进行降水则采用非完整井降水,确定该承压含水层水位下降深度;
[0018] 优选地,第二步中,具体实现过程如下:
[0019] 1)计算基坑抗突涌安全系数Fs;
[0020] 2)若基坑抗突涌安全系数匕大于或等于1.10,则不需要对承压含水层进行降水; 若基坑抗突涌安全系数^小于1.10,则需要对承压含水层进行降水,计算承压含水层顶板 以上的水头高度安全值Hi,确定承压含水层水位下降深度Δ h。
[0021] 更优选地,第二步的1)中,所述基坑抗突涌安全系数匕由以下公式确定:
[0022]
Figure CN104727289BD00062
[0023]式中:ho为基坑底板至承压含水层顶板间距离(m),γ s为基坑底板至承压含水层顶 板间的土的平均重度(kN/m3),Η为承压含水层顶板以上的水头高度(m),yw为水的重度(kN/ m 3),10kN/m3〇
[0024] 更优选地,第二步的2)中,所述计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值出由 以下公式确定:
[0025]
Figure CN104727289BD00063
[0026]所述承压含水层水位下降深度△ h由以下公式确定:
[0027 ] Δ h = Ho_Hi_hi
[0028] 式中:Ho为承压含水层顶板埋深,hi为承压含水层初始水头(m)。
[0029] 第三步:根据第二步验算结果,采用数值模拟方法建立模型,对施工现场进行开挖 过程中一定天数降水模拟,分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降;
[0030] 优选地,第三步中,具体实现过程如下:
[0031] 1)确定模型尺寸,并划分网格,布置地下连续墙;所述模型尺寸包括模型水平范围 尺寸和垂直范围尺寸,其中所述水平范围尺寸大于降水井影响半径R的两倍,所述垂直范围 尺寸大于所需降水承压含水层底板所在标高;
[0032] 2)设置土体参数、设置地下连续墙参数;其中:所述土体参数包括各层土体孔隙比 e、渗透系数K、体积压缩系数mv、储水率Ss;所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗 透系数;
[0033] 3)通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降。
[0034] 更优选地,第三步的1)中,所述降水井影响半径R由以下公式确定:
[0035] R = 300〇AhKo1/2
[0036] 式中:Ko为承压含水层渗透系数,Ah为承压含水层水位下降深度,R、Ah单位以米 计,Κο单位以米/秒计。
[0037]更优选地,第三步2)中,所述体积压缩系数mv由以下公式确定:
[0038] mv=a/l+e
[0039] 所述储水率Ss由以下公式确定:
[0040] Ss=ywmv〇
[0041] 本步骤中的降水模拟,一定天数可以根据实际情况进行设定,比如180天等。
[0042]第四步,在第三步模型的基础上,在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防 越流墙,对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中一定天数降水模拟,得到最佳 的水泥搅拌防越流墙高度;
[0043] 优选地,第四步中,具体实现过程如下:
[0044] 1)、在模型中从小至大调整水泥搅拌防越流墙的高度,对每一个高度值重复第三 步中所有步骤,选取同一位置绘制基坑周边承压含水层水位变化和地面沉降剖面图;
[0045] 2)、根据第四步1)中数值模拟结果,确定降水过程中:基坑周边水位变化最大值及 地面沉降最大值与围护结构埋置深度的关系、基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构 埋置深度的关系;
[0046] 3)、根据第四步2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构 埋置深度的公式,结合基坑周边地面沉降控制值,反算出最佳的水泥搅拌防越流墙高度。
[0047] 更优选地,所述第四步的1)中,所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正 下方,所述水泥搅拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合,所述水泥搅拌防越流墙 的上部与所述地下连续墙的下部刚结。
[0048]更优选地,所述第四步的2)中:
[0049]所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确 定:
[0050] Δ Η=αιχ2+βιχ+γ 1
[0051] 式中:ΔΗ为基坑周边水位变化最大值,χ为围护结构埋置深度,参数ai、fo、γι由数 值模拟确定;
[0052] 所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确 定:
[0053] Δ S = 〇2X2+02X+ γ 2
[0054] 式中:AS为基坑周边地面沉降最大值,χ为围护结构埋置深度,参数α2、β2、γ2由数 值模拟确定;
[0055] 所述基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确 定:
[0056] r = 〇3X+03
[0057] 式中:r为基坑周边地面沉降影响半径,X为围护结构埋置深度,参数α3、β3由数值模 拟确定。
[0058]更优选地,所述第四步的2)中:
[0059] 所述围护结构埋置深度是指,所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流墙 高度之和;所述围护结构埋置深度X由以下公式确定:
[0060] χ = χι+χ2
[0061 ]式中:χι为水泥搅拌防越流墙高度,Χ2为地下连续墙埋置深度;
[0062] 所述基坑周边地面沉降影响半径是指,基坑坑壁与基坑周边地面沉降变化为1mm 处之间的距离。
[0063] 更优选地,所述第四步的3)中,所述基坑周边地面沉降控制值取5~10mm,具体根 据基坑周边具体施工要求确定。
[0064] 本步骤中的降水模拟,一定天数可以根据实际情况进行设定,比如180天等,可以 与第三步中设定的天数相同。
[0065] 第五步,根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度,完成水泥搅拌防越 流墙施工,再进行相应地下连续墙施工。
[0066] 优选地,第五步中,具体实现过程如下:
[0067] 1)启动搅拌机,将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层,压入深度等于所述 围护结构埋置深度;
[0068] 2)用栗将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中,在压浆的同时旋转和提升 所述注浆搅拌一体管;当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部 埋深时停止压浆,拔出所述注浆搅拌一体管;
[0069] 3)重复第五步2)步骤,至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完成 施工;
[0070] 4)用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽,待所有基槽开挖完毕,用吊 机吊放所述地下连续墙的钢筋笼;分段浇筑混凝土,完成所述地下连续墙的主体混凝土浇 Λ*Λ- 巩;
[0071] 5)对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度;至此, 所述地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕,可共同作用,防止多层含水层越流 补给,从而起到保护周边环境和降低沉降的作用。
[0072] 与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
[0073] 本发明充分考虑到了地下连续墙自身对周边沉降的作用,通过数值模拟方法,确 定最佳的水泥搅拌防越流墙高度,减小多层含水层越流补给及周边环境沉降过大的不利影 响。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度,优先完成水泥搅拌防越流墙施工,使得施 工效率较高,使用材料较少,成本较低,施工操作方便,可靠度高。
附图说明
[0074]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显:
[0075]图1为本发明一实施例的模型三维立体图;
[0076]图2为本发明一实施例的地下连续墙及降水井布置图;
[0077]图3为本发明一实施例的降水180d基坑周边承压含水层水位变化最终等值线图; [0078]图4为本发明一实施例的降水180d后基坑周边地面沉降等值线图;
[0079] 图5为本发明一实施例的水泥搅拌防越流墙与地下连续墙的位置图;
[0080] 图6为本发明一实施例的降水180d后基坑周边承压含水层水位变化剖面图;
[0081] 图7为本发明一实施例的降水180d后基坑周边地面沉降变化剖面图;
[0082] 图8-图9为本发明一实施例的基坑周边水位变化及地面沉降最大值与围护结构埋 置深度关系图。
具体实施方式
[0083]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术 人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0084]如图1-图8所示,本实施例提供一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施 工方法,用于基坑开挖施工过程中保护周围环境,减小对周边环境地面沉降的作用。
[0085]本实施例的基坑为地铁车站工作井,南面为既有地铁线路,北面为高架桥,均距离 该施工场地较近。基坑开挖深度35m,地下连续墙设计厚度为1.2m,设计埋深为60m。经地质 勘查报告显示,该施工场地范围内,⑧:层粉质粘土层较薄甚至部分缺失,为保证工程顺利 进行,减少对周边环境的影响,应用本发明所述方法减小周边环境沉降,具体实施步骤如 下:
[0086] 第一步:通过钻孔取土的方法对施工现场进行土层划分,随后对获取的施工现场 土样进行常规土工试验,得到施工现场各土层的厚度及物理力学参数。
[0087]本实施例中施工现场土层被划分为10层:
[0088] 从地表至2.3m内,土层为①1层填土层,其含水量W为26%,压缩系数a为0.44MPa一 1, 渗透系数K为1. lE-5cm/s,湿密度P为1.8g/cm3,土粒密度Ps取2.71g/cm3,则孔隙比e由下式 计算确定:
[0089]
Figure CN104727289BD00101
-1
[0090] 得到①!层填土层孔隙比
Figure CN104727289BD00102
[0091] 从2.3m至9.8m内土层为②3层粘质粉土层,含水量w为42 %、压缩系数a为0.66MPa 一1,渗透系数K取值为4E-04cm/s,湿密度P为1.82g/cm3,土粒密度p s取2.7 lg/cm3,则②3层粘 质粉土层孔隙比e由下式计算确定:
[0092]
Figure CN104727289BD00103
[0093]从9.8m至15.8m内土层为④层齡泥质粘土层,含水量W为48 %,压缩系数a为 1.08MPa-1,渗透系数K取值为2E-7cm/s,湿密度P为1.68g/cm3,土粒密度p s取2.74g/cm3,则④ 层淤泥质粘土层孔隙比e由下式计算确定:
[0094]
Figure CN104727289BD00104
[0095] 从15.8m至19.0m内土层为⑤1层灰色粘土层,含水量w为36.8%,压缩系数a为 0 · 57MPa-1,渗透系数K取值为2 · 0E-7cm/s,湿密度P为1 · 76g/cm3,土粒密度ps取2 · 74g/cm3,则 ⑤1层灰色粘土层孔隙比e由下式计算确定:
[0096]
Figure CN104727289BD00105
[0097]从19.0m至23.0m内土层为⑤2层灰色粉质粘土层,含水量W为30.0%,压缩系数a为 0.34MPa-1,渗透系数K取值为1.0E-4cm/s,湿密度P为1.8g/cm3,土粒密度p s取2.72g/cm3,则 ⑤2层灰色粉质粘土层孔隙比e由下式计算确定:
[0098]
Figure CN104727289BD00106
[0099] 从23.0m至28.60m土层为⑥层暗绿色粘土层,含水量w为21.7 %,压缩系数a为 0 · 22MPa-1,渗透系数K取值为2 · 0E-6cm/s,湿密度P为1 · 97kg/m3,土粒密度ps取2 · 74,则⑥层 暗绿色粘土层孔隙比e由下式计算确定:
[0100]
Figure CN104727289BD00107
[0101 ]从28.60m至39.9m内土层为⑦1层砂质粉土层,含水量W为26 %,压缩系数a为 0.16MPa-1,渗透系数K取值为7.0E-4cm/s,湿密度P为1.9g/cm3,土粒密度p s取2.70,则⑦!层 砂质粉土层孔隙比e由下式计算确定:
[0102]
Figure CN104727289BD00108
[0103] 从39.9m至58.30m内土层为⑦2层粉细砂层,含水量w为27.2 %,压缩系数a为 0.13MPa-1,渗透系数K取值为9.0E-4cm/s,湿密度P为1.87kg/m3,土粒密度p s取2.65,则⑦2层 粉细砂层孔隙比e由下式计算确定:
[0104]
[0105]从58.3m至59.2m内土层为⑧1层粉质粘土层,含水量W为31 %,压缩系数a为 0.35MPa-1,渗透系数K取值为2.0E-04cm/s,湿密度P为1.84g/cm3,土粒密度p s取2.72,则⑧! 层粉质粘土层孔隙比e由下式计算确定:
[0106]
Figure CN104727289BD00111
[0107] 从59.2m至120m内土层为⑨层粉细砂层,含水量w为26.5 %,压缩系数a为0.12MPa 一1,渗透系数K取值为9E-03cm/s,湿密度P为1.89g/cm3,土粒密度p s取2.65,则⑨层粉细砂层 孔隙比e由下式计算确定:
[0108]
Figure CN104727289BD00112
I .5V
[0109] 深度方向自上而下,⑦i层砂质粉土层和⑦2层粉细砂层为第一承压含水层,⑨层粉 细砂层为第二承压含水层;⑧:层粉质粘土层为隔水层,但⑧i层粉质粘土层较薄且局部缺 失,故降水过程中会发生从第一承压含水层至第二承压含水层的越流。
[0110] 第二步:对基坑进行底板稳定性验算,确定是否需要对承压含水层进行降水,若需 要进行降水,则采用非完整井降水,确定该承压含水层水位下降深度。具体的:
[0111] 1)计算基坑抗突涌安全系数
[0112] 所述基坑抗突涌安全系数由以下公式确定:
[0113]
Figure CN104727289BD00113
[0114] 式中:Fs为基坑抗突涌安全系数,ho为基坑底板至承压含水层顶板间距离(m); 为基坑底板至承压含水层顶板间的土的平均重度(kN/m 3);H为承压含水层顶板以上的水头 高度(m); yw为水的重度(kN/m3)。
[0115] 2)若基坑抗突涌安全系数匕大于或等于1.10,则不需要对承压含水层进行降水; 若基坑抗突涌安全系数^小于1.10,则需要对承压含水层进行降水,计算承压含水层顶板 以上的水头高度安全值Hi,确定承压含水层水位下降深度Δ h。
[0116] 本实施例中:
[0117]所述计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值压由以下公式确定:
[0118]
Figure CN104727289BD00114
[0119]所述承压含水层水位下降深度△ h由以下公式确定:
[0120] Δ h = Ho_Hi_hi
[0121 ]式中:H〇为承压含水层顶板埋深(m),lu为承压含水层初始水头(m)。
[0122] 经验算本实施例中:丫3为18.75kN/m3,h〇 = 59.2-35 = 24.2m,水的密度 丫》取101^/ m3,则基坑抗突涌安全系数?3为:
[0123]
Figure CN104727289BD00115
[0124] 故需要对第二承压含水层进行降水设计。承压含水层顶板以上的水头高度安全值 Hi为: r π " 18.75x24.2 ,,, 0125] ./_/丨.=----=41.42m 1.10x10
[0126] H〇 = 59.2m,hi = 7m,则承压含水层水位下降深度由下式确定:
[0127] Ah = 59.2-41.42-7 = 10.78m
[0128] 拟在坑内布置4 口降水井,每个降水井抽水流量为800m3/d。
[0129] 第三步:根据第二步验算结果,采用数值模拟方法,建立模型,对施工现场进行开 挖过程中180天降水模拟,分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降变化。具体的:
[0130] 1)确定模型尺寸,并划分网格,布置地下连续墙;所述模型尺寸包括模型水平范围 尺寸和垂直范围尺寸,其中:所述水平范围尺寸应大于降水井影响半径R的两倍,所述垂直 范围尺寸应大于所需降压承压含水层底板埋深。
[0131] 本实施例中,所述降水井影响半径R由以下公式确定:
[0132] R = 300〇AhKo1/2
[0133] 式中:Ko为承压含水层渗透系数,Ah为承压含水层水位下降深度,R、Ah单位以米 计,K单位以米/秒计。
[0134] 本实施例模型如图1所示,第二承压含水层渗透系数为9.0E_5m/s,第二承压含水 层水位下降深度Ah为10.78m,降水井影响半径R由下式计算确定:
[0135] R = 3000X10.78X(9X10-5)1/2 = 305m
[0136] 故模型计算尺寸设置为长2000m,宽2000m;第二承压含水层底板埋深为120m,模型 埋深设置为120m;工作井尺寸为长24.8m,宽24.8m。有限元模型共有2683620个节点和 268320个单元;平面放大网格、地下连续墙布置及降水井布置如图2所示。
[0137] 2)设置土体参数,设置地下连续墙参数;所述土体参数包括各层土体孔隙比e、渗 透系数K、体积压缩系数m v、储水率Ss,所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗透系 数;其中:
[0138] 所述体积压缩系数mv由以下公式确定:
[0139] mv=a/l+e
[0140] 所述储水率Ss由以下公式确定:
[0141] Ss=ywmv〇
[0142] 本实施例中,施工现场土层被划分为10层,其中:
[0143] 所述①i层填土层的渗透系数K为l.lE-5cm/s、孔隙比e为0.9、压缩系数a为 0.44MPa'则体积压缩系数m v由下式确定:
[0144] mv=0.44/1+0.9 = 0.23MPa_1
[0145] 水的重度γ ,取101^/1113,体积压缩系数mv取2.3E-04kPa-1,则储水率S s由下式确定:
[0146] Ss = 10 X 2 · 3 X 10-4 = 2 · 3 X 10-V1;
[0147] 所述②3层粘质粉土层的渗透系数K为4E-04cm/s、孔隙比e为1.12、压缩系数a为 0.44MPa'则体积压缩系数m v由下式确定:
[0148] mv=0.66/1+1.12 = 0.31MPa_1
[0149] 水的重度丫,取101^/1113,体积压缩系数mv取3. lE_04kPa'则储水率Ss为由下式确 定:
[0150] Ss = 10 X 3 · 1 X 10-4 = 3 · 1 X 10-V1;
[0151] 所述④层淤泥质粘土层的渗透系数K为2E-7cm/s、孔隙比e为1.4、压缩系数a为 1.08MPa'则体积压缩系数m v由下式确定:
[0152] mv= 1.08/1+1.4 = 0.45MPa_1
[0153] 水的重度γ w取10kN/m3,体积压缩系数mv取4.5E-04kPa- 1,则储水率Ss由下式确定:
[0154] Ss = 10 X 4 · 5 X 10-4 = 4 · 5 X 10-V1;
[0155] 所述⑤i层灰色粘土层的渗透系数K为2.0E-7cm/s、孔隙比e为1.1、压缩系数a为 0.57MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0156] mv=0.57/1+1. l = 0.27MPa_1
[0157] 水的重度γ w取10kN/m3,体积压缩系数mv取2.7E-04kPa- 1,则储水率Ss为下式确定:
[0158] Ss = 10 X 2 · 7 X 10-4 = 2 · 7 X 10-V1;
[0159] 所述⑤2层灰色粉质粘土层的渗透系数K为1.0E-4cm/s、孔隙比e为0.96、压缩系数 a为0.34MPa'则体积压缩系数m v由下式确定:
[0160] mv=0.34/1+0.96 = 0.17MPa_1
[0161] 水的重度γ w取10kN/m3,体积压缩系数mv取1.7E-04kPa-S则储水率S s由下式确定:
[0162] Ss = 10 X 1 · 7 X 10-4= 1 · 7 X 10-V1;
[0163] 所述⑥层暗绿色粘土层的渗透系数K为2.0E-6cm/s、孔隙比e为0.68、压缩系数a为 0.22MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0164] mv=0.68/1+0.68 = 0.07MPa_1
[0165] 水的重度γ ,取101^/1113,体积压缩系数mv取TE-OSkPa-1,则储水率S s由下式确定:
[0166] ss = 10X7X10-5 = 7X10-'m-1;
[0167] 所述⑦i层砂质粉土层的渗透系数K为7.0E-4cm/s、孔隙比e为0.78、压缩系数a为 0.16MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0168] mv=0.16/1+0.78 = 0,09MPa_1
[0169] 水的重度γ ,取101^/1113,体积压缩系数mv取gE-OSkPa-1,则储水率S s由下式确定:
[0170] ss = 10X9X10-5 = 9X10-'m-1;
[0171] 所述⑦2层粉细砂层的渗透系数K为8.0E-5cm/s、孔隙比e为0.8、压缩系数a为 0.13MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0172] mv=0.13/1+0.8 = 0,08MPa_1
[0173] 水的重度γ w取10kN/m3,体积压缩系数mv取SE-OSkPa-1,则储水率S s由下式确定:
[0174] ss = 10X8X10-5 = 8X10-'m-1;
[0175] 所述⑧i层粉质粘土层的渗透系数K为2.0E-04cm/s、孔隙比e为0.95、压缩系数a为 0.35MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0176] mv=0.35/1+0.95 = 0.18MPa_1
[0177] 水的重度γν取10kN/m3,体积压缩系数mv取1.8E_04kPa-S则储水率S s由下式确定:
[0178] Ss = 10 X 1 · 8 X 10-4= 1 · 8 X 10-V1;
[0179] 所述⑨层粉细砂层的渗透系数K为9E-03cm/s、孔隙比e为0.774、压缩系数a为 0.12MPa4,则体积压缩系数m v由下式确定:
[0180] mv=0.12/1+0.774 = 0,07MPa_1
[0181] 水的重度γ w取10kN/m3,体积压缩系数mv取7E-05kPa4,则储水率S s由下式确定:
[0182] ss = 10X7X10-5 = 7X10-4m-S
[0183] 所述地下连续墙厚度为1.2m,渗透系数K为lE-7cm/s。
[0184] 3)通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降变化。
[0185] 本实施例中,基坑周边承压含水层水位变化如图3所示,基坑周边承压含水层水位 变化为11m,满足承压含水层水位变化超过10.78m的要求。基坑周边地面沉降如图4所示,基 坑周边地面沉降为16mm。
[0186] 第四步:在第三步模型的基础上,在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防 越流墙,对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中180天降水模拟;具体的:
[0187] 1)在模型中从小至大调整所述水泥搅拌防越流墙的高度,对每一个高度值重复第 三步中所有步骤,选取同一位置绘制基坑周边地面沉降变化剖面图。
[0188] 本实施例中,所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正下方,所述水泥搅 拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合,所述水泥搅拌防越流墙的上部与所述地下 连续墙的下部刚结。
[0189] 本实施例中,所述水泥搅拌防越流墙与所述地下连续墙的位置如图5所示,考虑所 述水泥搅拌防越流墙高度依次为2111、41]1、61]1、81]1,以第三步中计算结果为对比,(相当于所述 水泥搅拌防越流墙高度为〇m),重复第三步中的所有步骤。计算得到:降水180天时基坑周边 承压含水层水位变化如图6所示,降水180天时基坑周边地面沉降变化如图7所示。
[0190] 2)根据所述第四步中步骤1)中数值模拟结果,确定降水过程中:基坑周边水位变 化最大值及地面沉降最大值与围护结构埋置深度的关系、基坑周边降水及地面沉降影响半 径与所述围护结构埋置深度的关系;其中:
[0191]所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确 定:
[0192] Δ Η=αιχ2+βιχ+γ 1
[0193] 式中:ΔΗ为基坑周边水位变化最大值,χ为围护结构埋置深度,参数ai、fo、γι由数 值模拟确定;
[0194] 所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确 定:
[0195] Δ S = 〇2X2+02X+ γ 2
[0196] 式中:AS为基坑周边地面沉降最大值,χ为围护结构埋置深度,参数α2、β2、γ2由数 值模拟确定;
[0197] 所述基坑周边降水及地面沉降影响半径r与所述围护结构埋置深度X的关系由以 下公式确定:
[0198] r = 〇3X+03
[0199] 式中:r为基坑周边降水及地面沉降影响半径,X为围护结构埋置深度,参数α3、β3由 数值模拟确定。
[0200] 本实施例中,所述围护结构埋置深度X是指所述地下连续墙埋置深度与所述水泥 搅拌防越流墙高度之和,即由以下公式确定:
[0201 ] χ = χι+Χ2
[0202]式中:X1为水泥搅拌防越流墙高度,Χ2为地下连续墙埋置深度。
[0203] 本实施例中,所述基坑周边地面沉降影响半径是指基坑坑壁与基坑周边地面沉降 变化为1mm处之间的距离。
[0204] 本实施例中,所述地下连续墙设计高度为60m,所述水泥搅拌防越流墙高度依次为 0m、2m、4m、6m、8m,则所述围护结构埋置深度依次为60m、62m、64m、66m、68m。
[0205] 如图8所示为基坑周边水位变化及地面沉降最大值与围护结构埋置深度关系,其 中:
[0206] 不同围护结构埋置深度情况下,所述基坑周边水位变化可由以下公式确定:
[0207] ΔΗ=0.12χ2-16.1χ+549.4
[0208] 式中:(^为。· 12,βι为-16.1,γ 1为549.4;
[0209] 不同围护结构埋置深度情况下,所述基坑周边地面沉降最大值可由以下公式确 定:
[0210] AS = 0.14x2-19.6x+681
[0211] 式中:a〗为0.14,&为-19.6, γ 2为681;
[0212] 如图9所示,为基坑周边降水及地面沉降影响半径与围护结构埋置深度的关系;其 中:
[0213] 不同围护结构埋置深度情况下,基坑周边降水及地面沉降影响半径均可由以下公 式确定:
[0214] R = -46.85x+3564.6
[0215] 式中:α3 为-46·85,β3 为 3564.6。
[0216] 3)根据第四步中步骤2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围 护结构埋置深度的公式,结合基坑周边地面沉降控制值,反算出最佳的水泥搅拌防越流墙 高度。
[0217] 本实施例中,所述基坑周边地面沉降控制值取5~10mm,具体的根据基坑周边具体 施工要求确定。
[0218]本实施例中,所述基坑周边地面沉降控制值取6mm,由第四步的2)中基坑周边水位 变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的公式,结合图8所示,反算出围护 结构埋置深度66m,即水泥搅拌防越流墙高度为6m时,基坑周边地面沉降最大值为5.97mm, 满足基坑周边地面沉降控制值的要求,控制多层含水层越流效果最好。
[0219] 第五步:根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度,完成水泥搅拌防越 流墙施工,再进行相应地下连续墙施工。具体的:
[0220] 1)启动搅拌机,将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层,压入深度等于所述 围护结构埋置深度;
[0221] 本实施例中,最佳的水泥搅拌防越流墙高度为6 m,故所述围护结构埋置深度为 66m;
[0222] 2)用栗将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中,在压浆的同时旋转和提升 所述注浆搅拌一体管;当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部 埋深时,停止压浆,拔出所述注浆搅拌一体管;
[0223] 本实施例中,所述压浆压力为0.5MPa,所述注浆搅拌一体管旋转速度为45r/min, 所述注浆搅拌一体管提升速度为〇. 3m/min,所述水泥浆选用425号普通硅酸盐水泥,水灰比 为ο. 55;所述注浆搅拌一体管的底部提升至水泥防越流墙顶部埋深为60m时,拔出所述注浆 搅拌一体管。
[0224] 3)重复第五步中2)步骤,至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完 成施工;
[0225] 4)用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽,待所有基槽开挖完毕,用吊 机吊放所述地下连续墙的钢筋笼,分段浇筑混凝土,完成所述地下连续墙的主体混凝土浇 Λ*Λ- 巩;
[0226] 本实施例中,所述地下连续墙的主体混凝土采用C30混凝土。
[0227] 5)对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度。至此, 所述地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕,可共同作用,防止多层含水层越流 补给,从而起到保护周边环境和降低沉降的作用。
[0228] 本实施例中,所述地下连续墙养护至28天后,所述地下连续墙的混凝土强度达到 C30设计强度。
[0229] 本发明充分考虑到了地下连续墙自身对周边沉降的作用,通过数值模拟方法,确 定最佳的水泥搅拌防越流墙高度,减小多层含水层越流补给及周边环境沉降过大的不利影 响。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度,优先完成水泥搅拌防越流墙施工,使得施 工效率较高,使用材料较少,成本较低,施工操作方便,可靠度高。
[0230] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述 特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影 响本发明的实质内容。

Claims (9)

1. 一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其特征在于,所述方法包 括如下步骤: 第一步:对施工现场进行土层划分,随后对获取的施工现场土样进行室内常规土工试 验,得到施工现场各土层的厚度及物理力学参数; 第二步:对基坑进行底板稳定性验算,确定是否需要对承压含水层进行降水,若需要进 行降水则采用非完整井降水,确定该承压含水层水位下降深度; 第三步:根据第二步验算结果,采用数值模拟方法建立模型,对施工现场进行开挖过程 中一定天数降水模拟,分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降; 第四步:在第三步模型的基础上,在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防越流 墙,对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中一定天数降水模拟,得到最佳的水 泥搅拌防越流墙高度; 第五步:根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度,完成水泥搅拌防越流墙 施工,再进行相应地下连续墙施工。
2. 根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,第一步中: 所述的室内常规土工试验是指:密度试验、含水量测定试验、侧限压缩试验、常规渗透 试验; 所述的物理力学参数是指:各层土体的湿密度P、含水量w、压缩系数a、渗透系数K; 所述密度试验是指通过环刀法密度试验方法测得各层土样的湿密度P,并计算得到孔 隙比e。
3. 根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,所述第二步,具体实现过程如下: 1) 计算基坑抗突涌安全系数Fs; 2) 若基坑抗突涌安全系数匕大于或等于1.10,则不需要对承压含水层进行降水;若基坑 抗突涌安全系数^小于1.10,则需要对承压含水层进行降水,计算承压含水层顶板以上的 水头高度安全值Hi,确定承压含水层水位下降深度A h。
4. 根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,所述第三步,具体实现过程如下: 1) 确定模型尺寸,并划分网格,布置地下连续墙;所述模型尺寸包括模型水平范围尺寸 和垂直范围尺寸,其中所述水平范围尺寸大于降水井影响半径R的两倍,所述垂直范围尺寸 大于所需降水承压含水层底板埋深; 2) 设置土体参数、设置地下连续墙参数;其中:所述土体参数包括各层土体孔隙比e、渗 透系数K、体积压缩系数mv、储水率S s;所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗透系 数; 3) 通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降。
5. 根据权利要求4所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,第三步1)中:所述降水井影响半径R由以下公式确定: R=3000 AhKo172 式中:Ko为承压含水层渗透系数,Ah是指承压含水层水位下降深度,R、Ah单位以米计, Ko单位以米/秒计。
6. 根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,所述第四步,具体实现过程如下: 1) 、在模型中从小至大调整水泥搅拌防越流墙的高度,对每一个高度值重复第三步操 作,选取同一位置绘制基坑周边承压含水层水位变化和地面沉降剖面图; 2) 、根据第四步1)中数值模拟结果,确定降水过程中:基坑周边水位变化最大值及地面 沉降最大值与围护结构埋置深度的关系、基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置 深度的关系;所述围护结构埋置深度是指所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流 墙高度之和;所述基坑周边地面沉降影响半径是指,基坑坑壁与基坑周边地面沉降变化为 Imm处之间的距离; 3) 、根据第四步2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置 深度的公式,结合基坑周边地面沉降控制值,反算出最佳的水泥搅拌防越流墙高度。
7. 根据权利要求6所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,第四步1)中:所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正下方,所述水泥搅 拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合,所述水泥搅拌防越流墙的上部与所述地下 连续墙的下部刚结。
8. 根据权利要求6所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法,其 特征在于,第四步2)中:所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系由 以下公式确定: Δ Η=αιχ2+βιχ+ γ 1 式中:Δ H为基坑周边水位变化最大值,χ为围护结构埋置深度,参数ai、fo、丫:由数值模 拟确定; 所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定: A S = a2x2+02X+ y 2 式中:AS为基坑周边地面沉降最大值,X为围护结构埋置深度,参数α2、β2、丫2由数值模 拟确定; 所述基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定: Γ = α3χ+β3 式中:r为基坑周边地面沉降影响半径,X为围护结构埋置深度,参数α3、β3由数值模拟确 定。
9. 根据权利要求1-8任一项所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工 方法,其特征在于,所述第五步,具体实现过程如下: 1) 启动搅拌机,将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层,压入深度等于围护结构 埋置深度;所述围护结构埋置深度是指所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流墙 高度之和; 2) 用栗将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中,在压浆的同时旋转和提升所述 注浆搅拌一体管;当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部埋深 时停止压浆,拔出所述注浆搅拌一体管; 3) 重复第五步2)步骤,至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完成施 工; 4) 用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽,待所有基槽开挖完毕,用吊机吊 放所述地下连续墙的钢筋笼;分段浇筑混凝土,完成所述地下连续墙的主体混凝土浇筑; 5) 对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度;至此,所述 地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕。
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