浅谈地下水对地基基础的影响及防治措施

伊浩然,关民全,李 鹏,张 浩,万雪林,段江飞

(1.中煤地华盛水文地质勘察有限公司,河北 邯郸 056004;2.中国煤炭地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院,河北 邯郸 056000)

0 引言

地下水,顾名思义,即存在地下的土体或者岩体中的水,亦是指岩土体三相中的液相。它的存在不仅会直接影响岩土体的结构和性质,还会影响地基基础的承载能力,进而对上层建筑的稳定性和耐久性起着至关重要的作用;与此同时,地下水位频繁地升降,也会对地基基础的承载能力带来诸多不利作用。随着我国经济的高速发展,许多大城市高层建筑越来越多,基础埋深也随之越来越深,地下水作为地基基础的主要影响因素,也越来越被工程界所重视,雨季地下水位上升而导致地基基础上浮等质量事故屡见不鲜。因此,在岩土工程勘察和地基基础设计的过程中,必须要非常重视地下水对地基基础的影响。

1 地下水的成因与分类

1.1 地下水的成因

地下水,作为大自然一种比较特殊水体的存在形式,它的结构自然也是比较特殊的。在这种情况下,要防治地下水对地基基础的不利作用,就要根据实际分类情况研究它的成因,这样才能“对症下药”,确保地基基础的承载能力。

1.1.1 渗透作用

大部分的地下水均是由地表水(包括大气降雨、降雪等)通过岩土体的裂隙、孔隙等渗透至地表以下而形成的,这类地表水的特点是大气中的降水量越多,地下水补给来源或渠道越丰富,地下水位也就越高。

1.1.2 凝结作用

除了渗透作用外,还有一部分地下水是由大气中的水蒸气遇较冷的岩土体,在岩土体的孔隙中冷凝、凝结成小水滴,这些小水滴在重力的作用下由上向下流动,从而形成地下水。

1.2 地下水的分类

据地下水埋藏条件的不同,可以将地下水分为包气带水(也叫上层滞水)和潜水。

包气带水,即蕴藏于地表浅处岩土体的孔隙中,跟大气直接相连,主要靠日常的大气降水作为补给来源,丰水期水位明显升高,枯水期水位明显下降。潜水,顾名思义,即存在于地表以下较为稳定的含水层中,补给来源通常是大气降水渗透补给及周边河流等地表水的侧向径流。

在建筑物进行工程勘察和地基基础设计的过程中,一定要提前分析这两种地下水的水位变化情况对建筑物将会产生的不利影响。

2 地下水对地基基础的物理与化学作用

地下水作为大自然一种比较特殊水体的存在形式,是一种非常复杂的自然水体,不同地域的地下水也会含有不同的成分,这些不同的成分可以在指定环境下同周边的岩土体进行复杂的物理、化学反应,物理作用包括润滑作用、湿软化作用,泥化解作用,结合水的强化作用;化学反应包括离子交换、溶解作用、水解作用、溶蚀作用。这些都将会导致岩土体的结构发生变化,进而影响整个地基基础的承载能力。

举例说明,若地下水中含有过多的硫酸根离子时,将会与氯化钙发生化学反应,其产物硫酸钙是结晶体,会导致岩土体内部产生的膨胀力导致体积增大,进而直接破坏上部的混凝土结构;另一种情况,如果地下水中含有过多的氢离子、重碳酸离子及游离二氧化碳时,将会对上部结构中的混凝土产生分解作用导致破坏;另外还有一种情况是pH过大,即俗称碱性大的地下水还会严重腐蚀上部结构中的金属材料,造成的不良后果也是极其严重的。

3 地下水频繁升降对地基基础的不利作用

当地下水水位因季节的变化而频繁升降的时候,肯定对地基基础产生诸多不理的作用。因此在进行岩土工程勘察及地基基础设计过程中,要非常注意当地地下水水位的季节性变化,避免上部建筑结构因地下水水位频繁升降而导致的严重事故。

六里屯反建成功之后，2010年政府决定在同处海淀区的苏家坨大工村的一处建设垃海淀循环经济产业园再生能源发电厂(即垃圾焚烧厂)。该处位于六里屯西侧，海淀区和门头沟交界处。因垃圾焚烧厂建设需要，政府对苏家坨进行了搬迁工作。该项目涉搬迁腾退涉及海淀的大工村、周家巷、徐各庄、南安河、北安河、北四社区、位于门头沟区的金隅集团回迁楼。然而部分居民因不满意政府的拆迁政策，没有搬迁。从此“留下的”苏家坨村民便开始与垃圾焚烧厂的拉锯战。2017年2月27日该项目烟囱排放出红棕色烟体，这引发了周边群众的恐慌，居民通过各种渠道投诉，这使得该项目于居民之间的矛盾更加凸显。

3.1 地基岩土体承载能力及稳定性下降

在丰水期,地下水水位普遍升高,这时地基岩土体可能会发生浸润或者软化的现象,进而引起地基岩土体的压缩系数大幅度增加,承载能力大幅下降,其上部建筑结构由此将会产生较大沉降,发生安全事故;在枯水期,地下水水位明显下降,这时会因为地基岩土体中的孔隙水压力消散,稳定性大幅降低,带来的不利后果就是地基基础发生不均匀沉降,上部结构开裂等,使安全性大打折扣。因此,在进行岩土工程勘察及地基基础设计的过程中,一定要重视地下水水位频繁升降可能带来的不利影响,防微杜渐,确保上部建筑结构的安全。

3.2 地基基础不良地质影响大

由于外部环境变化,地下水动力增大后,水力坡度i也会随之变化。水力坡度,又称比降,物理定义是流体从机械能较大的断面向机械能较小的断面流动时,沿流程每单位距离的水头损失,即总水头线的坡度。其计算公式如下:

i=(H1-H2)/s=hf/s

(1)

式中:hf为沿程损失,s为均匀流长度。

水力坡度i发生变化后,地下水在地基岩土体中会产生渗透力,发生渗透作用。水在土中流动的过程中将受到土阻力的作用,使水头逐渐损失。同时,水的渗透将对土骨架产生拖曳力,导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透力。

Gd=i×γw

(2)

式中:i为水力坡度(等于水位差除以渗流路线的长度)γw为水的容重KN/m3。

在许多水工建筑物、土坝及基坑工程中,渗透力的大小是影响工程安全的重要因素之一。实际工程中,也有过不少发生渗透变形(流土或管涌)的事例,严重的使工程施工中断,甚至危及邻近建筑物与设施的安全。因此,在进行工程设计与施工时,对渗透力可能给地基土稳定性带来的不良后果应该具有足够的重视,避免其对地基基础产生的不良地址作用。

4 地下水对地基基础不利影响的防治措施

众所周知,地下水作为大自然一种比较特殊水体的存在形式,是一种非常复杂的自然水体,因此想要对其进行防治也需要做到“因地制宜,对症下药”,从实际情况出发,具体问题具体分析,这样才能从根本上解决问题。

4.1 做好资料收集工作

上文也提到了,地下水作为大自然一种比较特殊水体的存在形式,跟季节、气候、地表水分布、周边环境及人类生产活动等外部因素密切相关,它并不是一成不变的,而是一直处于动态变化中,并且呈现一定的规律性、区域性。

4.2 做好真实地下水位测量工作

准确无误地获取地下水位值,也是在进行岩土工程勘察及地基基础设计过程中的关键因素之一,根据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001(2009年版)关于地下水水位量测的相关规定:(1)在钻进中初次遇到地下水时就应立即停钻,量测地下水初见水位;(2)地下水稳定水位应在初见水位后经一定的稳定时间后量测,对砂土和碎石土不得少于0.5 h,对粉土和粘性土不得少于8 h,并宜在勘察结束后统一量测地下水稳定水位。量测读数至厘米,精度不得低于2 cm;(3)当对多层含水层的地下水水位进行量测时,应采用相应的止水措施,将被测含水层与其他含水层隔离开,然后分别量测不同含水层的水位。只有做好了真实地下水水位的量测工作,获取准确的地下水位,才能为下一步的地基基础设计提供详实的基础数据。

4.3 合理确定抗浮设防水位

4.3.1 相关规范规定

要想防治地下水水位频繁升降对地基基础产生的不利作用,最关键的一点就是准确、合理地确定抗浮设防水位。根据《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ476-2019)关于抗浮设防水位的相关要求:

在施工期抗浮设防水位应取下列地下水水位的最高值:(1)水位预测咨询报告提供的施工期最高水位;(2)勘察期间获取的场地稳定地下水水位并考虑季节变化影响的最不利工况水位;(3)考虑地下水控制方案、邻近工程建设对地下水补给及排泄条件影响的最不利工况水位;(4)场地近5 a内的地下水最高水位;(5)根据地方经验确定的最高水位。

在使用期抗浮设防水位应取下列地下水水位的最高值:(1)地区抗浮设防水位区划图中场地区域的水位区划值;(2)水位预测咨询报告提供的使用期最高水位;(3)与设计使用年限相同时限的场地历史最高水位;(4)与使用期相同时限的场地地下水长期观测的最高水位;(5)多层地下水的独立水位、有水力联系含水层的最高混合水位;(6)对场地地下水水位有影响的地表水系与设计使用年限相同时限的设计承载水位。

4.3.2 地下水水位预测分析方法

在我国国内,相关专家对于地下水水位的预测分析等方法从不同维度进行了广泛研究,在大量搜集和研究已有成果的基础上,可以将已有的方法分成4类,即:(1)基于水资源平衡关系的宏观预测方法;(2)基于供水模拟模型的方法;(3)数值模拟方法;(4)基于宏观数据反分析于渗流数值分析相结合的工程分析方法。

随着我国经济科技的高速发展,计算机技术和数值方法技术的广泛应用,使得数值模拟方法在地下水水位预测方面起到越来越重要的地位。目前国外已经开发出很多地下水模型软件,较常用的有GMS(Groundwater Modeling System)、Visual Modflow、PMWIN(Proceeding Modflow for Windows)、FEFLOW(Finite Element subsurface FLOW system)等。其中,GMS是由美国Brigham Young University研制的综合地下水模型软件包,可用于各种情况下的地下水渗流、地下水污染运移模拟,并具有参数优化求解、GIS等功能,是目前该领域最先进的模拟软件之一;其余的Visual Modflow和PMWIN都是基于Modflow开发的软件,易于使用;FEFLOW采用有限元方法,是20世纪70年代德国WASY公司开发的,其最大的优势是具有良好的GIS接口,目前在国内应有逐渐增多。以上的分析说明,对于地下水分析,数值模拟方法已经形成了强大的支撑,具备了良好的条件。

4.4 做好长期、定期对地下水水位的观测工作

由于地下水是一种非常复杂的自然水体,有许多不确定的外部环境因素都会引起地下水水位的频繁升降,因此想要准确地掌握一个区域内的地下水水位动态变化规律,就要做好长期、定期对地下水水位的观测工作,就必须要设立水文长观孔,定期量测水位埋标高及埋深,获取原始数据资料并加以分析整理,为后续工作提供准确、详实的数据。

4.5 做好地基不均匀处理工作

防治地基岩土体不均匀沉降最有效的措施就是设置细砂垫层,其中,细砂材料的卵石参量大约为36%,还需要满足《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的相关技术处理要求,做好地基变形允许值验算。这样,可以大幅度提升地基的承载能力,极大程度地减小地基的不均匀沉降。

5 结语

综上所述,当地下水水位频繁升降时,水中的某些成分与岩土体中的某些成分发生的物理、化学反应(润滑、湿软化,泥化解,结合水的强化;离子交换、溶解、水解、溶蚀作用)是地下水对地基基础产生不利影响的关键因素。地下水水位的频繁升降不仅会对地基基础承载能力及稳定性产生诸多不良影响,同时还会对地基以下的基础施工带来不利的外部施工条件,进而直接影响整个上部建筑结构的安全。

因此,在进行岩土工程勘察及基础设计的过程中,不仅要全过程、全方面搜集精确的地下水水位动态变化的相关资料外,还得准确、合理地确定抗浮设防水位等相关水文地质参数,才能对建筑物范围内的地下水位变化规律进行定量分析,做好预测、预报工作,从而确保地基基础及上部建筑结构的安全运营。