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常见的不良水文地质现象及危害——流砂、管涌

发布于:2021-07-27 08:45:27 来自:水利工程/水文与水资源工程 [复制转发]

流砂

流砂是指土的松散颗粒被地下水饱和后,由于水头差的存在,动水压力使松散颗粒产生悬浮流动。流砂主要发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中。其表现形式是所有的颗粒同时从一近似管状通道中被动水流冲出,发展的结果是使周围建筑物的基础发生滑移、不均匀下沉、基坑边坡坍塌、基础悬浮等。



流砂形成的基本条件:


(一)土中粒径在0.01mm以下的颗粒含量在30%~35%以上,并含有较多的片状、针状矿物和附有亲水胶体矿物颗粒。

(二)水力梯度较大,流速增大,动水压力超过了土颗粒的重量时,就能使土颗粒悬浮流动形成流砂。

(三)土的渗透系数较小时,排水条件不通畅,易形成流砂。

(四)砂土中孔隙比愈大,愈容易形成流砂。


当基坑底以上粘性土中夹有砂或粉土,且地下水位较高,基坑开挖揭露这些夹层时;或者当基坑底部为砂土或粉土、随着基坑开挖加深,水力坡度加大,当动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时,砂或粉土与水一起涌于基坑中,便产生流砂现象。


是否产生流砂现象可按下式验算:


Icr=(ρs-1)(1-n)


式中:Icr——临界水力坡度;

ρs——土的颗粒密度;

n——土的孔隙度,以小数计。


当实际水力坡度I大于Icr时,将发生流砂现象,实际中还要考虑一个大于1.0的安全系数。影响流砂现象的因素较多,主要是土的颗粒级配、结构及埋藏条件等。当深挖时水力坡度超过临界水力坡度,又具有以下条件时,就更容易产生流砂现象。


(1)土的颗粒组成中,粘粒含量小于10%,粉、砂粒含量大于75%。

(2)土的不均匀系数小于5。

(3)土的含水量大于30%。

(4)土的孔隙比大于0.75(或土的孔隙度大于43%)。

(5)在粘性土有砂夹层的土层中,砂土或粉土层的厚度大于25cm。


流砂现象的产生,一方面将严重影响施工(如挖了又涨,无法达到设计标高);另一方面因流砂使地下掏空,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。防止流砂的措施主要有人工降低地下水位、打板桩或加固坑壁以增长渗流途径减小实际水力坡度等。


防治流砂主要是从消除、减小或平衡动水压力入手, 其具体做法有:(1)枯水期施工(2)打钢板桩(3)水下挖土(4)人工降低地下水位(5)设地下连续墙(6)抛大石块、抢速度施工


防治流砂的原则:

1、减少或消除基坑内外地下水的水头差,例如采取先在基坑范围外以井点降低地下水后开挖,或在不排水基坑内以抓斗等工具进行水下挖土等施工方法。

2、增长渗流路径,例如沿坑壁打入深度超过坑底的板桩,其长度足以使受保护土体内的水头梯度小于临危梯度。

3、在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡动水力(此法多用于闸坝下游处)。



管涌



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会发生运动,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。


地基土在具有一定渗流速度(或梯度)的水流作用下,其细小颗粒被冲走,土中的空隙逐渐增大,慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通道,从而掏空地基或坝体,使之变形、失稳。



管涌多发生在非黏性土中,其特征是:颗粒大小差别较大,往往缺少某种粒径,孔隙直径大而且互相连通。颗粒多由相对密度较小的矿物组成,易随水流动,有较大和良好的渗流出路。其表现为:







当基坑出现管涌时的应急措施


1、集水井强排法



集水井强排法的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,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600mm-800 mm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,立即进行混凝土垫层的浇筑。为了保证垫层混凝土下盲沟或细石垫层排水畅通,在混凝土垫层及砂垫层之间应隔有一层铁皮或30 mm~50 mm厚的预制混凝土板。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,垫层混凝土具有一定的强度以后立即进行深坑中钢筋混凝土施工。必要时可以采用深坑混凝土单独先浇的方法 ,以确保深坑施工的安全性。


2、深井降水法



当基坑出现管涌现象时,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2m~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0.5 m。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。


3、注浆法



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,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抗浮稳定验算,以确定注浆加固土层的厚度。


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。因此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。


施工前对工程所在地类似工程的施工方法和施工经验做调查研究很有必要,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。


来源:东南岩土

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