純砂性土地基施工排水對周邊影響因素的計算與分析

吳　俊　康　慷　袁海霞　金大偉

（1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司　揚州　225007　2.江蘇省駱運水利工程管理處　宿遷　223800）

純砂性土地基施工排水對周邊影響因素的計算與分析

吳俊1康慷1袁海霞1金大偉2

（1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司揚州2250072.江蘇省駱運水利工程管理處宿遷223800）

純砂性土地基施工排水時容易對影響范圍內(nèi)地面以上建筑物造成塌陷性破壞，針對抽水半徑以及涉及到的相關(guān)道路開裂影響到的問題作為實例進行地基排降水計算和對出現(xiàn)問題的分析，提出了一些建設(shè)性的意見。

純砂性土地基滲透系數(shù)涌水量抗滑安全系數(shù)

1　引言

純砂性土透水性極強，滲透系數(shù)達到A×10-4左右。此類地基地下水充沛，埋藏深度也較淺，閘基開挖后易受到擾動而形成液化。故水工建筑物的興建施工排水顯得十分重要。土質(zhì)透水性強，只要排水方法得當(dāng)，土質(zhì)也易脫水，地下匯水速度取決于排水方法和排水動力的配置，抽水能力越大，地下水位曲線越陡。隨之涉及到抽水影響的半徑范圍，拉動的范圍越大，不僅無形中加大生產(chǎn)成本，也對周邊造成影響性損失。較為明顯的是由于地下水位的拉力形成地下水位過速下降，使土體壓縮下陷，將會對影響范圍內(nèi)地面以上建筑物造成塌陷性破壞。因此如何正確合理的配置設(shè)備動力，要充分考慮到影響范圍，應(yīng)通過計算取得。

2015年10月某市某河道征地拆遷影響工程中在某渠首閘施工時地基排水時碰到了類似的問題，基礎(chǔ)排水在采用輕型針井排水形式，水工建筑物場地同時又緊挨著交通道路交叉的施工，當(dāng)時造成半幅未施工的老瀝青路面1000m范圍內(nèi)開裂。文中針對抽水半徑以及涉及到的相關(guān)道路開裂影響到的問題作為實例進行地基排降水計算和對出現(xiàn)問題的分析，提出了一些建設(shè)性的意見，有助于在今后純砂土地基排水過程中對排水設(shè)施的計算和對相關(guān)建議的運用。

2　工程概況

某市某河道征地拆遷影響工程中某渠首閘閘塘開面積為100m×40m，閘塘面高程為12.0m。在渠首施工的同時閘塘東側(cè)進行著“某等級公路”的加寬建設(shè)，該處地面情況詳見附圖1、圖2。

通過查閱土質(zhì)資料，該區(qū)域土質(zhì)為砂性土，滲透系數(shù)k=A×10-4，地下水位埋置高程為15.0m，根據(jù)設(shè)計要求和建議，該工程排水形式采用輕型井點排水，輕型井點布置形式為沿閘身布置，其南北長度為80.0m，東西長度20.0m；抽水機械動力配置，輕型井點排水4臺套，額定出水量5.0～10m3/h，Q額=4×10/3600=0.011m3/s；當(dāng)渠首閘塘開挖成型后，就進行了正常24h的排水。道路的擴建也在同時進行中，主要進行了路基的積土晾曬工作。當(dāng)時將積土放置在南側(cè)，堆高3m左右。雙方施工一周以后，發(fā)現(xiàn)在閘塘開挖邊口向東側(cè)延伸半幅的老瀝青路面出現(xiàn)了縱向的裂縫，長達1000m左右。

3　分析思路

排水與裂縫究竟是否有關(guān)聯(lián)性，或是否有其他因素的存在而導(dǎo)致裂縫：①排水影響半徑范圍的確定，主要通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)進行水力計算，并與現(xiàn)場實際排水出量比較而推求出抽水影響半徑（R）；②現(xiàn)場道路開裂是否與邊荷載過重而誘發(fā)邊坡滑動（圓弧滑動破壞）；考慮到道路南側(cè)自身的積土過高，達3m以上，北側(cè)僅不足10m左右平面半幅路，且北側(cè)道路△23.0～17.0m（積水溝），計6m高差，在道路的邊載過重作用下而向側(cè)面滑動，是否誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，對裂縫圓弧滑動面的計算；③水工建筑物閘塘內(nèi)△23.0～12.0m是否也產(chǎn)生了圓弧滑動，其影響程度如何；④對計算成果篩選作出評述，找出問題的所在。

圖1　閘塘開挖斷面圖（東西向）

圖2　公路側(cè)堤身斷面圖

圖3　輕型井點水力計算簡圖

4　輕型井點水力計算

4.1對計算采用形式的確定

根據(jù)計算要求，井底到達不透水層的稱完整井；井底未到達不透水層的稱為非完整井。根據(jù)地下水有無壓力又分為水井布置在兩層不透水層之間、充滿水的含水層內(nèi)，地下水有一定壓力的稱為承壓井；水井布置在無壓力的淺水層內(nèi)的稱為無壓井，則按照無壓非完整井涌水計算出抽水影響的半徑R。計算簡圖見圖3。

4.2涌水量計算

式中：k—土質(zhì)滲透系數(shù)，k=A×10-4，折換為k=5m/d；

s—水位降低值（m），s'=6.0-1.0-1.0-0.5=3.5m，

H0值計算值見表1。

科學(xué)管理之父泰羅認為，管理就是“確切地知道你要別人去干什么，并使他用最好的方法去干”。[4]在泰羅的眼里，管理就是指揮他人能用其最好的工作方法去工作。20世紀末，“知識管理”首次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)界，不同領(lǐng)域的學(xué)者從不同視角給出了一些定義。英國學(xué)者Rowley認為，[5]知識管理關(guān)注的是在促進實現(xiàn)組織目標觀念指導(dǎo)下，如何對組織知識資產(chǎn)進行挖掘與開發(fā)。知識管理的對象，既包括外顯的、文檔化的知識，也包括內(nèi)隱的、主觀化的知識。知識管理的過程包括知識的識別、共享和創(chuàng)造等過程。它要求創(chuàng)建和共享知識體系，培養(yǎng)和促進組織學(xué)習(xí)。

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

則影響半徑：Rmax=56.61m

表1　H0值計算表

表2　圓弧穩(wěn)定分析計算成果匯總表

5　對縱橫斷面抗滑安全系數(shù)的計算

縱斷面抗滑安全系數(shù)的推求主要采用圓弧穩(wěn)定分析方法、瑞典條分法進行計算，分別在南渠首閘側(cè)深基坑和“徐淮路”半幅側(cè)高堆土（邊載作用下）圓弧滑動形成的最危險滑裂面，邊坡滑動安全系數(shù)成果見表2。

6　成果篩選

（1）水力計算成果。通過對現(xiàn)場采集的抽水相關(guān)參數(shù)進行水力計算，現(xiàn)場布置的輕型井點排水為4臺套。機械額定出水量為5～10m3/h，而實際出水量僅半管，在4m3/h左右。為推求出最大的抽水影響半徑，采用了 Q=10×4× 1/3600=0.011m3/s，采集相關(guān)參數(shù)進行理論計算復(fù)核，布設(shè)井點的出量二者基本吻合，則Q實=Q理=0.011 m3/s，故抽水影響半徑Rmax=56.61m，則依據(jù)計算的成果，可以看出針井排水對道路縱向剪切破壞關(guān)系不大。

（2）圓弧滑動計算成果。道路高積土側(cè)，由于邊荷載過高過重造成了自北側(cè)滑動的趨勢。其邊坡安全抗滑系數(shù)k=0.711＜［k］=1.05，而基坑側(cè)k=1.082＞［k］=1.05，因此道路從邊坡安全看出該斷面不夠穩(wěn)定，而形成深層滑動。因此認為道路面層在邊載過重情況下產(chǎn)生了深層滑動。由于滑動面的形成，從而形成了縱向剪切破壞，導(dǎo)致了道路面的開裂。其開裂范圍見圖4、圖5。

（3）根據(jù)對渠首閘塘開挖邊坡圓弧滑動計算看出，圓弧滑動面僅在△23.0～16.0m，而△16.0～12.0m未形成滑動面，因此反映出邊坡是不穩(wěn)定的。閘塘開挖斷面圓弧滑動成果見圖5。

（4）運用圓弧滑動曲線并通過條分法計算兩個不同斷面的穩(wěn)定安全系數(shù)k分別為：①高程△23～12m閘塘穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.087＞1.05；②高程△23.0～17.0m穩(wěn)定安全系數(shù)k=0.711＜1.05，故不安全邊坡已形成，實際已形成了△23～17m之間的破壞，這樣也形成了對道路面層的拉裂。

圖4　高堆土堤身斷面圓弧滑動成果圖　

圖5　閘塘開挖斷面圓弧滑動成果圖

7　裂縫原因分析

（1）此次閘塘排水采用輕型井點排水，抽水影響半徑Rmax=56.61m，又通過對閘塘邊坡的穩(wěn)定以圓弧滑動的方式進行計算，二者計算成果基本吻合，抽水半徑Rmax=56.61m，而據(jù)現(xiàn)場反映平時針井僅半管出水，未超過額定抽水功率，因此抽水最大影響范圍應(yīng)該不會超過56.61m。相比較而言，抽水影響半徑R應(yīng)為Rmax=56.61m，屬于最大值，地下抽水能量還是較小的，這樣的影響長度應(yīng)該不足以導(dǎo)致1000m范圍內(nèi)的路基產(chǎn)生剪切作用。

（2）閘塘兩側(cè)僅東側(cè)路基均為縱向裂縫，無任何橫向裂縫。從受力狀態(tài)反映滑動，老路的力作用于南北向，其產(chǎn)生的力應(yīng)由邊坡滑動失穩(wěn)而引起；并經(jīng)現(xiàn)場勘測，而閘塘西岸無任何裂縫的痕跡。同樣的抽水動力、同樣的抽水影響半徑，而不同的是西側(cè)靠近閘塘開挖施工面200m范圍內(nèi)無高積土，在此范圍未出現(xiàn)裂縫，而再向西側(cè)200m又同樣存在高堆土，其范圍內(nèi)同樣出現(xiàn)了老路基開裂的問題，從而證明了高堆土（△26.0～23.0m）是造成裂縫的主要原因之一。

（3）高堆土重量G=［（12+18）/2×3×1.6］/10=7.2t/m2。堆積高度之高，北側(cè)外口高程為△17.0m，形成高度為6m（△23.0～17.0m）。這部分堆積重量與高度，經(jīng)了解是在短時間內(nèi)形成的。南側(cè)路基幫寬3.0m（△23.0m）時，未出現(xiàn)裂縫，后在堆積到3m（△23.0～26.0m）位置上，不到10天全部完成。從而反映在較窄路面上筑路堆土速率過快，再加上排水不斷進行，雖然不在影響范圍內(nèi)，由于地下抽水比降的不斷下跌，源頭不斷補充，地下形成了動水，鑒于土質(zhì)顆粒細，也帶動了一部分土體，再加之短時間內(nèi)，加載過快（受力拉動）而形成液化，從而加速了地基變形，形成較大的水平和垂直位移；另一原因為東向閘塘開挖面與堆高面高差達到11m（△23.0～12.0m），但由于△23.0面設(shè)置了的距離45m的平臺，未放置任何積土，故未造成壩體的變形和滑動面的產(chǎn)生，也充分反映了有邊荷載和無荷載邊坡的穩(wěn)定性是不一樣的，與擴散的距離大小給基塘產(chǎn)生的安全性是不一樣的；計算出的坡面穩(wěn)定系數(shù)二者不一，而產(chǎn)生滑動面安全系數(shù)小于1的高填土斷面邊載過重，形成了向下滑動趨勢，從而導(dǎo)致了老路面拉裂的現(xiàn)象發(fā)生。

（4）通過計算認為南北側(cè)較窄面為最不安全的圓弧滑動面，從圓弧滑動分析圖中可以看出圓弧滑動面始點是在平臺（△23.0m）上，北向南3.2m范圍內(nèi)形成的滑動面拉開，從而導(dǎo)致路面的開裂，而現(xiàn)場開裂位置是由路基北口向南7m范圍內(nèi)，充分反映3～7m范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了滑動，滑動的形成導(dǎo)致此范圍內(nèi)產(chǎn)生剪切破壞。

8　結(jié)論及建議

（1）通過計算可以看出，水工建筑物基坑排水計算對現(xiàn)場排水設(shè)施的配置，具有一定的實用價值。可以解決人為的盲目性、隨意性，使布置排水設(shè)施能達到工程實際需要，反映了事前設(shè)計計算的必要性。

（2）對純砂性土地基且地下水較充沛的地基排水，可以考慮管井排水與針井排水相結(jié)合的辦法。當(dāng)閘室寬度達到20m左右就可以采用深井排水，一般設(shè)計井深在20m左右，通過對地下水位的觀測來間隔排水，既節(jié)約成本，也減少了由于排水對地面產(chǎn)生的影響。

（3）在純砂性土的地基中排水，不管哪種形式都應(yīng)注重井底濾層的設(shè)置，確保濾層的耐久性和有效性。堤防由于排水而產(chǎn)生管涌、漏砂，不僅造成排水井（管）的破壞，更重要的是引起水土流失，而造成地面的塌陷，使地面附著物遭受損失。

（4）通過對實例的計算分析，認為抽水時切忌有靜載和動載作用，嚴禁在閘塘口邊50m范圍以內(nèi)有靜、動荷載的存在。

（5）純砂性土地基的排水是否會對周邊產(chǎn)生影響，尤其對周邊附筑物是否會發(fā)生破壞性作用，作為設(shè)計單位在進行具體設(shè)計時也應(yīng)有所估量，并在規(guī)劃設(shè)計時進行必要的驗證，若遇到周邊附筑物較多時，應(yīng)在設(shè)計中提出必要的措施，并在設(shè)計中做好防范保護手段，從而確保設(shè)計的意圖，使得施工單位順利執(zhí)行