某公路基坑滲流穩(wěn)定性計算及工程應用

左雅婭 杜 杰

(1.四川振通公路工程檢測咨詢有限公司，四川 綿陽 621000； 2.中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

YK高速橋基抽水基坑長4.3 m×寬4.2 m×深4.5 m(凈空)，有效開挖深度4.5 m基坑所處位置處地下水埋深0.5 m～1.0 m；區(qū)內(nèi)地層呈現(xiàn)典型的上軟下硬二元結(jié)構(gòu)基坑側(cè)壁巖土體，主要分三類，即粉質(zhì)粘土層、中砂層和卵石土層(見圖1)。

①粉質(zhì)粘土：褐黃色～灰黃色，濕，可塑，含鐵錳質(zhì)氧化物、鈣質(zhì)結(jié)核狀物、云母碎屑，間有條斑狀高嶺土，一般厚度0.50 m，場地內(nèi)廣泛分布，層底埋深0.5 m；

②中砂：褐黃色，濕～很濕，稍密，含云母、石英等礦物成分，該層中部和底部夾含少量卵石(圓礫、角礫)及粘性土。該層厚度1.5 m，場地內(nèi)廣泛分布，層底埋深2.0 m；

③卵石土層：黃灰色，很濕～飽和，松散～中密。卵石以火成巖為主，混有硅質(zhì)灰?guī)r、長石、云母；一般粒徑2 cm～6 cm，最大大于10 cm；卵石磨圓度較好，呈亞圓形，層頂埋深2.0 m。

2 滲流場計算參數(shù)及邊界條件

在滲流計算過程中，滲透系數(shù)(水力傳導率)是表征土體導水能力的重要參數(shù)。

結(jié)合區(qū)域勘察資料，基坑所屬區(qū)淺表層土體滲透系數(shù)k為1.9×10-5m/s～4.84×10-5m/s，其中上限值為二元結(jié)構(gòu)中上部層(粉質(zhì)粘土層～中粗砂層)，下限值為二元結(jié)構(gòu)中下部層(砂卵石層)，下伏基巖為砂巖，根據(jù)巖體透水性與巖性有關(guān)，一般砂巖或粉砂巖為弱透水層，泥巖為微透水層，最終選取砂巖滲透系數(shù)取1×10-6m/s(通過類比法得到)；年降水量900 mm～1 000 mm，參數(shù)取值見表1。

表1 基坑地層力學參數(shù)表

邊界條件：該基坑邊界條件較為簡單，基本可取為穩(wěn)定滲流情況下的降雨入滲時的邊界條件，考慮基坑下覆巖土層的滲透性，及基坑坑壁為不透水材質(zhì)，選取基坑左、右側(cè)水位線以下的邊界取為定水頭邊界，水頭差為0.5 m，在基坑側(cè)壁和縱向方向取為定流量邊界條件，流量的大小等于降雨強度或蒸發(fā)率。程序運行時，自動判斷降雨強度和滲透率的關(guān)系，如果降雨強度大于表層土滲透率，則按定水頭邊界條件處理；如果降雨強度小于表層土滲透率時，按定流量邊界條件處理。

3 滲流場模擬結(jié)果

通過對基坑側(cè)壁滲流模擬，得出了基坑側(cè)壁巖土體內(nèi)部各點水頭壓力、水頭分布及變化規(guī)律，對水頭和水頭壓力分布的觀察可直觀的認識其內(nèi)部水與力的分布，見圖2～圖5。

由滲流場流線圖圖2可見，基坑側(cè)壁地下水滲流流線較為平緩，流線分布較為均勻，在基坑側(cè)壁陰角部位流線呈現(xiàn)密集狀，其現(xiàn)實意義為：基坑在開挖過程中，轉(zhuǎn)角部位極易產(chǎn)生管涌、滲流等水力沖蝕破壞，因而應當加強陰角部位的防滲處理及相應提高其材料強度。

由圖3可見，基坑開挖前，地下水水頭分布應當為平順曲線，地下水水頭高差10.5 m(相對高程)，基坑坑底水頭應為6.0 m；在基坑開挖后，地下水水頭分布曲線由近水平狀變?yōu)榇怪睜?基坑坑底水頭值10.16 m～10.32 m)，導致基坑坑底部位高水頭值范圍延伸，同開挖前相比基坑坑底水頭值增加近4.0 m，其現(xiàn)實意義為：基坑坑底在強降雨所引起的地下水位上漲過程中，極易遭受坑底高水頭壓力作用而引發(fā)的基坑坑底隆起等變形破壞。

由圖4，圖5可見，開挖后滲流速率曲線在X向上呈“駝峰”狀，Y向上呈“雙曲線”狀，這種變化直接影響到基坑側(cè)壁與基坑坑底的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為：X向速率曲線在側(cè)壁處變化值為1e+008～1e+010，Y向速率曲線在坑底的變化值為大于1e+008(無量綱單位)，速率的變化影響到地下水的滲流速率，差異性的滲流速率將直接產(chǎn)生動水壓力，其現(xiàn)實意義為：基坑坑底出現(xiàn)管涌或坑底隆起，基坑側(cè)壁在動水頭壓力作用下產(chǎn)生側(cè)壁垮塌。

4 工程措施

根據(jù)滲流模擬計算結(jié)果，對YK高速橋基抽水基坑采取如下處理措施(見圖6)：采取鋼制支撐進行護壁，主要起到防止基坑側(cè)壁在動水壓力作用下產(chǎn)生側(cè)壁垮塌，同時兼顧考慮后期基坑防滲等問題。

鋼制支撐(0 m～3.0 m)采用鋼板進行焊接(h=10 mm)，鋼材采用Q235-A或Q235-A·F級組，機械除銹，達到ST3級，然后進行加強絕緣防腐，四面墻體設置φ=50 mm鋼管面支撐，四角處采用鋼管角支撐處理，3.0 m之上采用370 mm磚墻作為基坑池壁，基坑外側(cè)與主基礎(chǔ)及混凝土換填之間采用C15混凝土進行封閉處理，具體應用見圖7。

5 結(jié)語

1)基坑開挖后直接導致原地下水滲流場發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為：流線發(fā)生變化且在基坑轉(zhuǎn)角部位呈現(xiàn)密集狀；地下水水頭線由平順狀轉(zhuǎn)為垂直狀；地下水滲流場X向、Y向滲流速率線呈現(xiàn)“駝峰狀”(X向)與“雙曲線”(Y向)。

2)受開挖及地下水位變幅影響，基坑坑底可能出現(xiàn)管涌或坑底隆起變形破壞，基坑側(cè)壁在動水頭壓力作用下產(chǎn)生側(cè)壁垮塌。