第二章水利工程地基处理

陈立华2013年12月广西大学土木建筑工程学院COLLEGEOFCIVILENGINEERINGANDARCHITECTURE水利工程施工技术第二章水利工程地基处理1概述2岩基处理方法3混凝土防渗墙4旋喷灌浆几个基本概念一、地基：指承托建筑物基础的这一部分很小的场地。建筑物地基面临的问题：(1)强度和稳定性：承载力、整体稳定(2)变形：大变形、差异沉降(3)渗漏：渗透破坏(4)液化：抗震引言、地基处理的重要性1964年日本新泻地震，砂土液化造成房屋倒塌或倾斜二、基础(Foundation，Footing)：1、概念：指建筑物向地基传递荷载的下部结构。2、作用及荷载传递：具有承上启下作用上部荷载---基础----地基土。地基与基础关系示意图三、地基处理：概念：为提高地基的承载、抗渗能力，防止过量或不均匀沉陷，以及为了处理地基的缺陷而采取的加固、改进措施。水工建筑物的地基处理目的主要是加固和防渗。。为提高地基承载力，改善其变形性质或渗透性质而采取的人工处理地基的方法。1概述水工建筑物的基础有两类：岩基和软基，其中软基包括土基与砂砾石地基。软弱地基，据其含水量和某些土力学特性指标，可划分为一般软土地基和超软土地基，软土和超软土地基的处理，可大致根据软土层的埋置深度，采用表层或深层的处理方法。1概述水工建筑物对地基基础的要求：①具有足够的强度，能够承担上部结构传递的应力。②具有足够的整体性和均一性，能够防止基础的滑动和不均匀沉陷③具有足够的抗渗性，以免发生严重的渗漏和渗透破坏。④具有足够的耐久性，以防在地下水长期作用下发生侵蚀破坏。1.1地基处理的目的地基处理措施包括5个方面的内容：改善剪切、压缩、透水、动力特性，以及改善特殊土的不良特性。根据建筑物地基条件，地基处理的目的大体可归纳为以下几个方而：①提高地基的承载能力，改善其变形特性。②改善地基的剪切特性，防止剪切破坏，减少剪切变形。⑦改善地基的压缩特性，减少不均匀沉降。④减少地基的透水特性，降低扬压力和地下水位，提高地基的稳定性⑤改善地基的动力特性，防止液化。⑥防止地下洞室固岩坍塌和边坡危岩、陡坡滑落。⑦在地基中置入人工基础建筑物，使艾与地基共同承受各种荷载。1.2水利工程地基处理的工程分类建筑物对地基的要求和地基的地质条件各不相同，按处理的方法可分为：①灌浆。有防渗帐幕灌浆、固结灌浆、接触灌浆、回填灌浆及化学灌浆等。②防渗墙。有钢筋混凝土防渗墙、素混凝土防渗墙、黏土混凝土防渗墙、固化水浆防渗墙和泥浆槽防渗墙等。③桩基。主要有钻孔灌注杜、振冲杜利旋喷桩等。④预应力销固。主要有建筑物地基锚固、挡土边墙锨固及向边被山体锚因等。⑤开控回填。主要有坝基截水槽、防渗竖并、沉箱、混凝土塞利抗滑桩等。各种地基处理方法及其适用条件如表2—l所列。表2-l地基处理方法及适用条件续表2-11.3地基处理工程的施工特点①地基处理工程属于地下隐蔽工程。施工前必须充分地调查研究，掌握比较准确的勘测试验资料，必要时应进行补充。②施工质量要求高。水工建筑物地基处埋关系到工程的安危，发生事故难以补救。③工程技术复杂，施工难度大。④工艺要求严格，施工连续性要求强。⑤工期紧，施了干扰大。1.4.1地基处理设计前调查研究主要内容包括以下4个方面：(一)结构条件1、建筑物的体形、刚度、受力体系、材料及使用2、结构荷载大小、分布、种类3、基础类型、布置和埋深4、基底压力、地基承载力、变形允许值1.4设计前调查研究和方案选择(二)地基条件1、地形、地质、地层基本状况2、软弱地层厚度、分布3、持力层位置及状况4、地下水及地基土物理力学参数5、根据软弱土层不同及工程设计需要选择合理的地基处理方法1.4.1地基处理设计前调查研究(三)环境条件1、施工场地周边环境2、施工振动、噪音的影响3、废水、废气、固体垃圾等污染物4、减少施工对周边环境的影响1.4.1地基处理设计前调查研究(四)施工条件1、用地条件2、工期3、工程用料4、其他：施工机械、质量控制、管理水平、造价等1.4.1地基处理设计前调查研究(一)确定方案前应具备的资料1、详勘资料，地下管线、障碍物分布2、地基处理范围3、类似工程的资料搜集和分析1.4.2地基处理方案确定步骤(二)、确定地基处理方案的步骤1、初拟：搜集上述资料，初选几种地基处理方案2、比选：从预期处理结果、材料来源及消耗、施工机具和进度、对环境影响等，进行技术经济比较，优选方案3、试验：对选定的方案进行现场实体试验，检验设计参数、选择合理施工方法、确定施工效果。本节完1.4.2地基处理方案确定步骤1.5地基处理的设计程序对地基的要求地基处理范围、指标天然地基条件地基处理方法原理过去的经验机械设备材料条件提出多个可行性方案技术经济进度环保比较初步方确定方案现场小型试验地基处理施工设计1、时间：施工结束后一定时间2、方法：钻孔取样、静力触探、标贯、载荷试验等3、判断：承载力、强度、变形等本节完1.6地基处理效果检验1、质量控制、监测以及监理：施工单位自身、监理单位、第三方单位2、观测项目：沉降、位移、应力、应变等3、观测周期：按照规范，直到稳定4、观测精度：按照规范1.7地基处理的监测和监理.2岩基处理方法①若岩基处于严重风化或破碎状态，首先考虑清除至新鲜的岩基为止。②若风化层或破碎带很厚，无法清除干净时，则考虑采用灌浆的方法加固岩层和截止渗流。③对于防渗，有时从结构上进行处理，设截水墙和排水系统。.2岩基处理方法①灌浆方法是钻孔灌浆，即在地基上钻孔，用压力把浆液通过钻孔压入风化或破碎的岩基内部。待浆液胶结或固结后，就能达到防渗或加固的目的。②化学灌浆是一种以高分子有机化合物为主体材料的新型灌浆方法。这种浆材呈溶液状态，能灌入o．1mm以下的微细裂缝，浆液经过一定时间起化学作用，可将裂缝黏合起来或形成凝胶，起到堵水防渗以及补强的作用。.2岩基处理方法①灌浆方法是钻孔灌浆，即在地基上钻孔，用压力把浆液通过钻孔压入风化或破碎的岩基内部。待浆液胶结或固结后，就能达到防渗或加固的目的。②化学灌浆是一种以高分子有机化合物为主体材料的新型灌浆方法。这种浆材呈溶液状态，能灌入o．1mm以下的微细裂缝，浆液经过一定时间起化学作用，可将裂缝黏合起来或形成凝胶，起到堵水防渗以及补强的作用。对于破碎岩层或有裂隙的岩体以其单位吸水量(L／min)来选择灌浆材料。各种灌浆材料的适用范围如表2—2所列。.2岩基处理方法2.1基岩灌浆的分类①水工建筑物的基岩灌浆按其作用可分为：帐幕灌浆、固结灌浆和接触灌浆。②灌浆技术不仅大量运用于建筑物的基岩处理、而且也是进行水工隧洞围岩固结、衬砌回填、超前支护，混凝土坝体接缝以及建(构)筑物补强、堵漏等的主要措施。①帷幕灌浆:布置在靠近建筑物上游迎水面的基岩内，形成一道连续的、平行于建筑物轴线的防渗幕墙。其目的是减少基岩的渗流量，降低基岩的渗透压力，保证基础的渗透稳定性。②固结灌浆:目的是提高基岩的整体件与强度，并降低基础的透水性。③接触灌浆:目的是加强坝体混凝土与坝基或岸肩之间的结合能力，提高坝体的抗滑稳定性。2.1基岩灌浆的分类2.2灌浆的材料岩基灌浆的浆液，一般应该满足如下要求：①浆液在受灌的岩层中应具省良好的可灌性，即在一定的压力下，能灌入到裂隙、空隙或孔洞中，充填密实。②浆液硬化成结石后，应具有良好的防渗性能、必要的强度和黏结力。③为便于施工和增大浆液的扩散范围，浆液应具有良好的流动性。④浆液应具有较好的稳定性，析水率低。2.3水泥灌桨的施工基岩灌浆施工中的主要工序包括:①钻孔②钻孔(裂隙)冲洗③压水试验④灌浆⑤回填风空等工作。2.3.1．钻孔①确保孔位、孔深、孔向待合设汁要求。钻孔的方向与深度是保证帐幕灌浆质量的关键。如果钻孔方向有偏斜，钻孔深度达不到要求，则通过各钻孔所灌注的浆液，不能联成一体．将形成漏水通路如图2—1所示。②力求孔径均一、孔壁平顺。孔径均一、孔壁平顺，则灌浆栓塞能够卡紧、卡牢，灌浆时不致产生绕塞返浆。③钻进过程中产生的岩粉细屑教少。钻进过程中如果产分过多的岩粉细屑．容易堵塞孔壁的缝隙，影响灌浆质量，同时也影响工人的作业环境。2.3.1．钻孔2.3.2钻孔冲洗钻孔后，要进行钻孔及岩石裂隙的冲洗。冲洗工作通常分为：①钻孔冲洗，即将残存在钻孔底和粘滞在孔壁的岩粉铁屑等冲洗出来；②岩层裂隙冲洗，即将岩层裂隙中的充填物冲洗出孔外，以便浆液进入到腾出的空间，使浆液结石与基岩胶结成整体。在断层、破碎带和细微裂隙等复杂地层中灌浆，冲洗的质量对灌浆效果影响极大。2.3.3．压水试验压水试验的原理：在一定的水头压力下，通过钻孔将水压入到孔壁四周的缝隙中，根据压入的水量和压水的时间，计算出代表岩层渗透特性的技术参数。一般可采用透水率q来表示岩层的渗透特性。所谓透水率：是指在单位时间内，通过单位长度试验孔段，在单位压力作用下所压入的水量。用下式计算：式中q——地层透水率，Lu（吕容）；Q——单位时间内试验段的注水总量，L/minP——作用于试验段内的全压力，MPaL——压水试验段的长度，mPLQq2.3.4灌浆的方法与工艺(1)钻孔灌浆的次序基岩的钻孔与灌浆应遵循分序加密的原则进行。一方面可以提高浆液结石的密实性；另一方面，通过后灌序孔透水率和单位吸浆量的分析，可推断先灌序孔的灌浆效果，同时还有利于减少相邻孔串浆现象。2.3.4灌浆的方法与工艺(2)注浆方式：按照灌浆时浆液灌注和流动的特点、灌浆方式有纯压式和循环式两种。对于帷幕灌浆应优先采用循环式。如图2—2所示。(3)钻灌方法①按照同一钻孔内的钻灌顺序，有全孔一次钻灌和全孔分段钻灌两种方法。②全孔一次钻灌是将灌浆孔一次钻到全深，并沿全孔进行灌浆。这种方法施工简便．多用于孔深不超过6m，地质条件良好，基岩比较完整的情况。③全孔分段钻灌又分为：自上而下法、自下而上法、综合灌浆法及孔口封闭法等。2.3.4灌浆的方法与工艺(4)灌浆压力灌浆压力通常是指作用在灌浆段中部的压力，可由下式来确定：式中——灌浆压力，MPa——灌浆管路中压力表的指示压力，MPa——计入地下水水位影响以后的浆液自重压力，浆液的密度按最大值计算，Mpa——浆液在管路中流动时的压力损失，MPaf21PPPPfPP1P2PfP2.3.4灌浆的方法与工艺(5)灌浆压力的控制在灌浆过程中，合理地控制灌浆压力和浆液稠度．是提高灌浆质量的重要保证。灌浆过程中灌浆压力的控制基本上有两种类型：①一次升压法②分级升压法。2.3.4灌浆的方法与工艺①灌浆过程中，必须根据灌浆压力或吸浆率的变化情况，适时调整浆液的稠度．使岩层的大小缝隙既能灌饱，又不浪费。②浆液稠度的变换按先稀后浓的原则控制，这是由于稀浆的流动性较好，宛细裂隙都能进浆，使细小裂隙先灌饱，而后随着浆液稠度逐渐变浓．其他较宽的裂隙也能逐步得到良好的充填。(6)浆液稠度的控制2.3.4灌浆的方法与工艺(7)灌浆的约束条件与封孔灌浆的结束条件，一般用两个指标来控制：①残余吸浆量：又称最终吸浆量，即灌到最后的限定吸浆量；②闭浆时间：即在残余吸浆量不变的情况下保持设计规定压力的延续时间。封孔：灌浆结束以后，应随即将程浆孔清理干净。对于帷幕灌浆孔，宜采用浓浆灌浆法填实再用水泥砂浆封孔。2.3.4灌浆的方法与工艺2.3.5灌浆的质量检查基岩灌浆属于隐蔽性工程，必须加强灌浆质量的控制与检查，常用检查的方法有：①在已灌地区钻设检查孔，通过压水试验和浆液注入率试验进行检查；②通过检查孔，钻取岩芯进行检查，或进行钻孔照相和孔内电视，观察孔壁的灌浆质量；③开挖平洞、坚井或钻设大口径钻孔，检查人员直接进去观察检查，并在转中进行抗剪强度、弹性模量等方面的试验；④利用地球物理勘探技术，测定基岩的弹性模量、弹性波速等，对比这些参数在灌浆前后的变化，借以判断灌浆的质量和效果。2.4化学灌浆化学灌浆：是在水泥灌浆基础上发展起来的新型灌浆方法。它是将有机高分子材料配制成的浆液潜入地基或建筑物的裂缝中经胶凝固化后，达到防渗、堵漏、补强、加固的目的。主要用于：裂隙与空隙细小(o．1mm以下)．颗粒材料不能灌入；对