朱榮軍,曾惠芬
[悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司,江蘇 蘇州215000]
井點降水常見于深基坑開挖過程中,通過降水和隔水墻使地下水位低于基坑底部,使施工得以安全進行。在濱海地區(qū),地下水位較高、土壤含水量高的場地進行市政道路施工時,井點降水可以起到增加土壤固結度、提高土壤強度、保障管線施工的作用,具有廣泛的應用價值。本文結合了蘇州鹽城沿海合作開發(fā)園區(qū)市政道路工程,介紹了井點降水在市政道路工程的設計原理與方法。
蘇州鹽城沿海合作開發(fā)園區(qū)是2013年經(jīng)蘇州市政府和鹽城市政府攜手共建的沿海合作開發(fā)園區(qū),落戶于鹽城大豐市。大豐市屬于淤積平原,地形南寬北窄,呈不規(guī)則的三角形,似葫蘆,全市地勢東高西低,南高北低。中部老斗龍港兩側(cè)為槽形洼地,地面標高在2.2~2.8 m之間。東南部川東港以南地區(qū)為高亢地,海岸線長112 km,灘涂面積約140多萬畝。
蘇鹽沿海合作開發(fā)園區(qū)規(guī)劃總面積50.5 km2,采取“一區(qū)兩園”的發(fā)展模式,著力建設先進制造業(yè)集聚區(qū)、機制創(chuàng)新試驗區(qū)、現(xiàn)代服務業(yè)示范區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)承載區(qū),打造南北共建的示范區(qū),推進區(qū)域共同協(xié)調(diào)發(fā)展。
擬建啟動區(qū)由同慶路、豐朗路等道路組成,其設計技術指標作為后續(xù)片區(qū)開發(fā)建設的技術標準,啟動區(qū)道路工程設計方案既要合理性又要經(jīng)濟性,具有十分重要的指導意義。
大豐市地處江蘇沿海,淮河流域尾閭,蘇北濱海淤積平原的中段,里下河腹部地區(qū)下游。擬建場地勘察揭示81.30 m以淺各土層主要為全新世和晚更新世松散堆積層,由第四系人工推填土、濱海相沉積砂性土及粘性土組成,周邊河道、灌溉渠水面及潛水穩(wěn)定水位標高在1.45 m左右,與河道水位基本持平。對比軟土鑒別指標含水量30%,天然孔隙比0.9,該項目內(nèi)土體含水量為24.3%~26.3%,孔隙比0.63~0.76,且壓縮性中等偏差為主。因此,本項目內(nèi)土體并不屬典型的軟土,路基技術處理可結合道路與管線基礎同步協(xié)調(diào)處理。
本項目內(nèi)土體工程性質(zhì)一般,無軟弱土層,潛層以粉土為層為主承載力為80 kPa,地下水位較高。綜合比選后需對土路基進行淺層換填結合降低地下水處理,使土體滿足路基使用要求。
填筑前清除表層30 cm素(回)填土,超挖至車行道路床下120 cm,分層采用6%石灰土+路床下80~120 cm4%水泥石灰土回填,路床下80 cm采用8%石灰土回填至路面結構底。
因道路埋設有污水主管及雨水管等各類市政管線,需采取降水措施保證基坑開挖時不滲水,防止邊坡失穩(wěn)及流砂。降低地下水可防止管道施工時基坑滲水,保證基坑坡面穩(wěn)定,同時可降低土體含水量,提高土體固結度,增加承載力,降低地下水位是路基及管道施工的首要目標。
市政道路新建工程常采用開挖施工,但過高的地下水會對工程施工有影響,且污水管道等施工開挖面均低于地下水位,地下水將不斷滲入開挖的基坑內(nèi),造成坑內(nèi)地基土強度降低、壓縮性增大,施工質(zhì)量堪憂。若放坡施工,則將使邊坡失穩(wěn)并產(chǎn)生流砂的可能。
本工程同慶路路幅內(nèi)設有污水主管,設計管底標高為-3.5 m;雨水管管底標高最低為0.2 m,污水管與雨水管溝槽底部標高最低分別為-4.0 m和-0.3 m,管道溝槽采用明挖施工。該區(qū)域地下水位標高約1.45 m,為保證開挖后溝槽底部施工質(zhì)量,改善溝槽底土壤含水量,增強地基承載力,減少壓縮性,設計采取井點降水措施,要求水位降至基坑底下0.5 m處,見圖1。
擬建同慶路基坑底部主要為粉土和粉土夾粉砂層,根據(jù)滲透試驗顯示,透水系數(shù)建議值為5.0×10-4cm/s,屬弱透水。因透水系數(shù)偏低,如采用開挖溝渠將無法達到理想的排水效果。設計采用了強制式降水方式,即井點降水,該方法能克服流砂現(xiàn)象,穩(wěn)定基坑邊坡,降低承壓水位,防止坑底隆起并加快土層固結。
井點降水有輕型井點(單級、多級輕型井點)、噴射井點、電滲井點、管井井點和深井井點等不同工法,由于本工程為市政道路,屬非建筑的基坑開挖,降水區(qū)域為帶狀,設計采用增大井間距,減少井點數(shù)量可有效降低工程成本,且為降低對施工機械的干擾影響要求井點設置不宜過密。但輕型井點井間距較近,一般為1~5 m,并需設置集水總管和井外排水泵[1],在實際施工過程中較為復雜,成本較高?;诖吮卷椖坎捎昧松罹c,該工法使地下水通過設置在井管內(nèi)的潛水電泵將地下水抽出,具有排水量大,降水深,不受吸程限制,排水效果好的優(yōu)點;井距大(10~30 m),對平面布置的施工干擾較小。
井點降水的設計需結合實際路幅布置,在30 m寬的擬建同慶路,采取單排井點降水,將排水井布置在道路中分帶位置。根據(jù)當?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件,設計使用經(jīng)驗公式進行設計計算。井點的計算內(nèi)容包括:井點深度的確定、涌水量的計算、井點管間距的確定和抽水設備的選擇。受水文地質(zhì)和井點設備等多種因素的影響,理論計算值只作為近似參考值。井點管的埋置深度HA(不包括濾管)可根據(jù)工程具體情況按式(1)計算。
式中:H1為井點管埋設面至基坑底部的高差;h為基槽中心線底面至地下水位降低后水位線的距離,一般為0.5~1.0 m;i為地下水降落坡度,單排井點可取1/4~1/5;L為井點管至基坑中心線的距離。
該工法主要用于粉土、粉砂內(nèi)淺層降水,對應的井類型為無壓非完整井,涌水量計算時考慮50 m井段進行計算。根據(jù)基坑的長寬比大于10,確定為窄長式基坑,總涌水量Q由式(2)計算得出,而非在基坑工程中常見的虛擬圓環(huán)法[2]。
式中:Q為總涌水量,m3/d;K為土層滲透系數(shù),m/d;H為含水層厚度,m;S為水位降低值,m;R為抽水影響半徑,由式(3)得出:
單井最大涌水量主要取決于井點管濾管的半徑與長度以及土層的滲透系數(shù),由式(4)得:
式中:q為單井涌水量m3/d;l為過濾器進水部分長度,m;r為過濾器半徑,m。
在50 m井段內(nèi),井點管最少根數(shù)nmin可根據(jù)總涌水量和單井涌水量由式(5)得出
由此也可得出50 m井段內(nèi)井點管的最大間距Dmax見式(6):
抽水設備的選擇主要應考慮滿足流量和揚程的要求,水泵功率的計算見式(7):
式中:H0為包括揚水、吸水以及由各種阻力所造成的水頭損失在內(nèi)的高度總和,引進η1后可將H0近似為HA;k為安全系數(shù),一般為2;η1為水頭損失系數(shù),取0.4~0.5;η2為水泵效率系數(shù),取0.75~0.85。
由上述公式計算得出,在設計道路中央每50 m井段設置4個深井井點即可滿足降水要求,設計井點間距為12.5 m。單井涌水量理論結果為92.5 m3/d,井深計算設計為8 m,考慮到水文地質(zhì)條件的不確定性,實際井深采用12 m以保證降水效果。路寬50 m的豐朗路由于路幅較寬,在中央分隔帶設置單排排水井無法滿足路幅寬度的降水需求,故分別在道路兩側(cè)機非分隔帶中分別設置排水井。井點降水處理在道路上路堤40 cm水泥石灰土施工完成后拆除以滿足施工期降水要求。
通過經(jīng)驗公式設計計算深井井點的布置可簡便得出設計結果,但由于經(jīng)驗性過強,計算有失精準確,且經(jīng)驗公式法是對地下水滲流三維空間的簡化,基于了土體的均勻性及各項同性的假設,隨著有限元分析軟件的不斷發(fā)展,通過數(shù)值模擬法來精確地進行滲流分析地下水在井點降水后的水頭空間分布情況,并可考慮到土體的各項異性以及土體的變化,在工程設計實踐中是可行有效的。
本次計算模擬在井點處不斷抽水后,井點附近地下水位隨之降低,但地下水由離井點群中心線30 m外的定水頭邊界不斷補給,當?shù)叵滤唤档椭聊繕烁叨葧r,地下水補給流量與井點抽水流量相等,達到穩(wěn)定狀態(tài),采用三維穩(wěn)定流數(shù)學模型計算[3],見式(8)。
式中:T=K(H-Z)(無壓水時),K為滲透系數(shù),Z為含水層底板標高,H為水頭;B1為定水頭邊界,即一類邊界;H1(x,y,z)為第一類邊界定水頭值;B2為零流量邊界。
在假設土體均為各項同性情況下,單排井點降水后,地下水水頭的分布具有良好的對稱性,故僅需用有限元數(shù)值分析最小對稱單元的水位降低情況即可。
由于本有限元模型主要研究土體內(nèi)潛水的滲透情況,淺層潛水主要儲存在粉土層內(nèi),滲透系數(shù)建議值為5×10-4m/s,下有粘土層可作為不透水底面,標高-17m,地面標高約為3 m,因此土體可簡化為一層20 m厚的粉土。
在理論計算模型中,由于對土體的簡化,以及深井的平面排布呈一直線,具有良好的對稱性,僅需通過有限元軟件對其中最小的對稱單元進行數(shù)值模擬即可得到預想的計算結果。本次模型計算的計算單元劃分見圖2,井點布置在XX軸上,間距12 m,滲透計算結果應關于xx軸對稱,yy軸于井點中心垂直x軸,y’y’軸為相鄰井點的對稱軸,都應為計算結果的對稱軸。這三類對稱軸有垂直于對稱軸方向的滲透流速為0的特性,即可認為是零流量邊界。這三類對稱軸可劃分得出最小計算單元為30 m×6 m×20 m的土體,并在井點處設置一個1/4圓弧面用來模擬井點,井點12 m深,井底滲透面為1.5 m厚。
圖2 理論模型簡化對稱軸示意圖
邊界條件的確定直接決定了有限元模型的計算結果。在本次計算中,參考經(jīng)驗公式得出的抽水影響半徑,離井點中心線30 m處的土體內(nèi)水位被設定為1.5 m,與地下潛水位一致,井點處水位設置為井底,即-9 m。
網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要環(huán)節(jié),合適的網(wǎng)格劃分可以保持計算精度與計算速度的平衡。在本項目中,采用四面體網(wǎng)格的形式,整體網(wǎng)格精度為0.5 m,在井點附近提高網(wǎng)格劃分的精度至0.05 m,以保證計算精度,模型見圖3。
圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖
數(shù)值計算結果的水頭見圖4、圖5,可見在靠近井點處,水頭等勢面呈漏斗狀,與理論情況符合,遠離井點中心處,水頭分布近似線性分布,符合長窄形基坑降水的結果。根據(jù)零水頭等勢面,可見基坑中心處地下水位深7.62 m,即標高-4.62,滿足低于基|坑底部0.5 m的要求。同時滲流分析也得出了單井涌水量,為22.9 m3/d,約為理論值的1/4。
圖4 有限元模型水壓頭計算結果
圖5 有限元模型計算結果零水頭等勢面
圖6左圖所示在采取降水措施之前,場地內(nèi)土質(zhì)偏軟較泥濘,施工設備及人員進場施工較困難?;娱_挖一晝夜時間,坑內(nèi)便會滲入大量地下水,基坑內(nèi)管線施工無法進行,邊坡不穩(wěn)。
圖6 井點降水前后現(xiàn)場土質(zhì)情況
圖6右圖所示井點降水后,由于地下水位降低,坑內(nèi)涌水問題得到解決,土壤固結,工程性能得到了明顯提高,基坑邊坡得以穩(wěn)定。施工器械和人員能順利進場并安全施工。以此可證明井點降水工法在高地下水位,低滲透性土層的地區(qū)進行市政道路施工時,有廣泛的應用價值。
在沿海地區(qū)進行基礎設施開發(fā)是我國經(jīng)濟發(fā)展的趨勢,在這類高地下水,土壤具有一定滲透性的地區(qū),井點降水不僅限于建筑基坑開挖,在市政道路建設中也有廣泛的應用價值。
相較于常見的地基處理方法,井點降水法經(jīng)濟性強,效果良好,可有效提高土體固結程度,保證邊坡穩(wěn)定,保障市政管線及道路路基安全穩(wěn)定。在土質(zhì)較差工況下,井點降水后土體性能的提升可有效減少地基處理的工作量,節(jié)約工程經(jīng)濟,在新建開發(fā)區(qū)等建設資金較緊張的片區(qū)開發(fā)建設中有較大的實用參考意義。