纯砂性土地基施工排水对周边影响因素的计算与分析

2016-10-13袁海霞金大伟

治淮 2016年9期

关键词：井点圆弧滑动

吴　俊　康　慷　袁海霞　金大伟

（1.扬州市勘测设计研究院有限公司　扬州　225007　2.江苏省骆运水利工程管理处　宿迁　223800）

纯砂性土地基施工排水对周边影响因素的计算与分析

吴俊1康慷1袁海霞1金大伟2

（1.扬州市勘测设计研究院有限公司扬州2250072.江苏省骆运水利工程管理处宿迁223800）

纯砂性土地基施工排水时容易对影响范围内地面以上建筑物造成塌陷性破坏，针对抽水半径以及涉及到的相关道路开裂影响到的问题作为实例进行地基排降水计算和对出现问题的分析，提出了一些建设性的意见。

纯砂性土地基渗透系数涌水量抗滑安全系数

1　引言

纯砂性土透水性极强，渗透系数达到A×10-4左右。此类地基地下水充沛，埋藏深度也较浅，闸基开挖后易受到扰动而形成液化。故水工建筑物的兴建施工排水显得十分重要。土质透水性强，只要排水方法得当，土质也易脱水，地下汇水速度取决于排水方法和排水动力的配置，抽水能力越大，地下水位曲线越陡。随之涉及到抽水影响的半径范围，拉动的范围越大，不仅无形中加大生产成本，也对周边造成影响性损失。较为明显的是由于地下水位的拉力形成地下水位过速下降，使土体压缩下陷，将会对影响范围内地面以上建筑物造成塌陷性破坏。因此如何正确合理的配置设备动力，要充分考虑到影响范围，应通过计算取得。

2015年10月某市某河道征地拆迁影响工程中在某渠首闸施工时地基排水时碰到了类似的问题，基础排水在采用轻型针井排水形式，水工建筑物场地同时又紧挨着交通道路交叉的施工，当时造成半幅未施工的老沥青路面1000m范围内开裂。文中针对抽水半径以及涉及到的相关道路开裂影响到的问题作为实例进行地基排降水计算和对出现问题的分析，提出了一些建设性的意见，有助于在今后纯砂土地基排水过程中对排水设施的计算和对相关建议的运用。

2　工程概况

某市某河道征地拆迁影响工程中某渠首闸闸塘开面积为100m×40m，闸塘面高程为12.0m。在渠首施工的同时闸塘东侧进行着“某等级公路”的加宽建设，该处地面情况详见附图1、图2。

通过查阅土质资料，该区域土质为砂性土，渗透系数k=A×10-4，地下水位埋置高程为15.0m，根据设计要求和建议，该工程排水形式采用轻型井点排水，轻型井点布置形式为沿闸身布置，其南北长度为80.0m，东西长度20.0m；抽水机械动力配置，轻型井点排水4台套，额定出水量5.0～10m3/h，Q额=4×10/3600=0.011m3/s；当渠首闸塘开挖成型后，就进行了正常24h的排水。道路的扩建也在同时进行中，主要进行了路基的积土晾晒工作。当时将积土放置在南侧，堆高3m左右。双方施工一周以后，发现在闸塘开挖边口向东侧延伸半幅的老沥青路面出现了纵向的裂缝，长达1000m左右。

3　分析思路

排水与裂缝究竟是否有关联性，或是否有其他因素的存在而导致裂缝：①排水影响半径范围的确定，主要通过采集相关数据进行水力计算，并与现场实际排水出量比较而推求出抽水影响半径（R）；②现场道路开裂是否与边荷载过重而诱发边坡滑动（圆弧滑动破坏）；考虑到道路南侧自身的积土过高，达3m以上，北侧仅不足10m左右平面半幅路，且北侧道路△23.0～17.0m（积水沟），计6m高差，在道路的边载过重作用下而向侧面滑动，是否诱发边坡失稳，对裂缝圆弧滑动面的计算；③水工建筑物闸塘内△23.0～12.0m是否也产生了圆弧滑动，其影响程度如何；④对计算成果筛选作出评述，找出问题的所在。

图1　闸塘开挖断面图（东西向）

图2　公路侧堤身断面图

图3　轻型井点水力计算简图

4　轻型井点水力计算

4.1对计算采用形式的确定

根据计算要求，井底到达不透水层的称完整井；井底未到达不透水层的称为非完整井。根据地下水有无压力又分为水井布置在两层不透水层之间、充满水的含水层内，地下水有一定压力的称为承压井；水井布置在无压力的浅水层内的称为无压井，则按照无压非完整井涌水计算出抽水影响的半径R。计算简图见图3。

4.2涌水量计算

式中：k—土质渗透系数，k=A×10-4，折换为k=5m/d；

s—水位降低值（m），s'=6.0-1.0-1.0-0.5=3.5m，

H0值计算值见表1。

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s'/（s'+L）=3.5/4.5=0.78；则选用H0=1.85×4.5=8.325m

则影响半径：Rmax=56.61m

表1　H0值计算表

表2　圆弧稳定分析计算成果汇总表

5　对纵横断面抗滑安全系数的计算

纵断面抗滑安全系数的推求主要采用圆弧稳定分析方法、瑞典条分法进行计算，分别在南渠首闸侧深基坑和“徐淮路”半幅侧高堆土（边载作用下）圆弧滑动形成的最危险滑裂面，边坡滑动安全系数成果见表2。

6　成果筛选

（1）水力计算成果。通过对现场采集的抽水相关参数进行水力计算，现场布置的轻型井点排水为4台套。机械额定出水量为5～10m3/h，而实际出水量仅半管，在4m3/h左右。为推求出最大的抽水影响半径，采用了 Q=10×4× 1/3600=0.011m3/s，采集相关参数进行理论计算复核，布设井点的出量二者基本吻合，则Q实=Q理=0.011 m3/s，故抽水影响半径Rmax=56.61m，则依据计算的成果，可以看出针井排水对道路纵向剪切破坏关系不大。

（2）圆弧滑动计算成果。道路高积土侧，由于边荷载过高过重造成了自北侧滑动的趋势。其边坡安全抗滑系数k=0.711＜［k］=1.05，而基坑侧k=1.082＞［k］=1.05，因此道路从边坡安全看出该断面不够稳定，而形成深层滑动。因此认为道路面层在边载过重情况下产生了深层滑动。由于滑动面的形成，从而形成了纵向剪切破坏，导致了道路面的开裂。其开裂范围见图4、图5。

（3）根据对渠首闸塘开挖边坡圆弧滑动计算看出，圆弧滑动面仅在△23.0～16.0m，而△16.0～12.0m未形成滑动面，因此反映出边坡是不稳定的。闸塘开挖断面圆弧滑动成果见图5。

（4）运用圆弧滑动曲线并通过条分法计算两个不同断面的稳定安全系数k分别为：①高程△23～12m闸塘稳定安全系数k=1.087＞1.05；②高程△23.0～17.0m稳定安全系数k=0.711＜1.05，故不安全边坡已形成，实际已形成了△23～17m之间的破坏，这样也形成了对道路面层的拉裂。

图4　高堆土堤身断面圆弧滑动成果图　

图5　闸塘开挖断面圆弧滑动成果图

7　裂缝原因分析

（1）此次闸塘排水采用轻型井点排水，抽水影响半径Rmax=56.61m，又通过对闸塘边坡的稳定以圆弧滑动的方式进行计算，二者计算成果基本吻合，抽水半径Rmax=56.61m，而据现场反映平时针井仅半管出水，未超过额定抽水功率，因此抽水最大影响范围应该不会超过56.61m。相比较而言，抽水影响半径R应为Rmax=56.61m，属于最大值，地下抽水能量还是较小的，这样的影响长度应该不足以导致1000m范围内的路基产生剪切作用。

（2）闸塘两侧仅东侧路基均为纵向裂缝，无任何横向裂缝。从受力状态反映滑动，老路的力作用于南北向，其产生的力应由边坡滑动失稳而引起；并经现场勘测，而闸塘西岸无任何裂缝的痕迹。同样的抽水动力、同样的抽水影响半径，而不同的是西侧靠近闸塘开挖施工面200m范围内无高积土，在此范围未出现裂缝，而再向西侧200m又同样存在高堆土，其范围内同样出现了老路基开裂的问题，从而证明了高堆土（△26.0～23.0m）是造成裂缝的主要原因之一。

（3）高堆土重量G=［（12+18）/2×3×1.6］/10=7.2t/m2。堆积高度之高，北侧外口高程为△17.0m，形成高度为6m（△23.0～17.0m）。这部分堆积重量与高度，经了解是在短时间内形成的。南侧路基帮宽3.0m（△23.0m）时，未出现裂缝，后在堆积到3m（△23.0～26.0m）位置上，不到10天全部完成。从而反映在较窄路面上筑路堆土速率过快，再加上排水不断进行，虽然不在影响范围内，由于地下抽水比降的不断下跌，源头不断补充，地下形成了动水，鉴于土质颗粒细，也带动了一部分土体，再加之短时间内，加载过快（受力拉动）而形成液化，从而加速了地基变形，形成较大的水平和垂直位移；另一原因为东向闸塘开挖面与堆高面高差达到11m（△23.0～12.0m），但由于△23.0面设置了的距离45m的平台，未放置任何积土，故未造成坝体的变形和滑动面的产生，也充分反映了有边荷载和无荷载边坡的稳定性是不一样的，与扩散的距离大小给基塘产生的安全性是不一样的；计算出的坡面稳定系数二者不一，而产生滑动面安全系数小于1的高填土断面边载过重，形成了向下滑动趋势，从而导致了老路面拉裂的现象发生。

（4）通过计算认为南北侧较窄面为最不安全的圆弧滑动面，从圆弧滑动分析图中可以看出圆弧滑动面始点是在平台（△23.0m）上，北向南3.2m范围内形成的滑动面拉开，从而导致路面的开裂，而现场开裂位置是由路基北口向南7m范围内，充分反映3～7m范围内已经发生了滑动，滑动的形成导致此范围内产生剪切破坏。