淺談地下水對(duì)地基基礎(chǔ)的影響及防治措施

伊浩然,關(guān)民全,李 鵬,張 浩,萬(wàn)雪林,段江飛

(1.中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司,河北 邯鄲 056004;2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院,河北 邯鄲 056000)

0 引言

地下水,顧名思義,即存在地下的土體或者巖體中的水,亦是指巖土體三相中的液相。它的存在不僅會(huì)直接影響巖土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),還會(huì)影響地基基礎(chǔ)的承載能力,進(jìn)而對(duì)上層建筑的穩(wěn)定性和耐久性起著至關(guān)重要的作用;與此同時(shí),地下水位頻繁地升降,也會(huì)對(duì)地基基礎(chǔ)的承載能力帶來(lái)諸多不利作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,許多大城市高層建筑越來(lái)越多,基礎(chǔ)埋深也隨之越來(lái)越深,地下水作為地基基礎(chǔ)的主要影響因素,也越來(lái)越被工程界所重視,雨季地下水位上升而導(dǎo)致地基基礎(chǔ)上浮等質(zhì)量事故屢見不鮮。因此,在巖土工程勘察和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,必須要非常重視地下水對(duì)地基基礎(chǔ)的影響。

1 地下水的成因與分類

1.1 地下水的成因

地下水,作為大自然一種比較特殊水體的存在形式,它的結(jié)構(gòu)自然也是比較特殊的。在這種情況下,要防治地下水對(duì)地基基礎(chǔ)的不利作用,就要根據(jù)實(shí)際分類情況研究它的成因,這樣才能“對(duì)癥下藥”,確保地基基礎(chǔ)的承載能力。

1.1.1 滲透作用

大部分的地下水均是由地表水(包括大氣降雨、降雪等)通過(guò)巖土體的裂隙、孔隙等滲透至地表以下而形成的,這類地表水的特點(diǎn)是大氣中的降水量越多,地下水補(bǔ)給來(lái)源或渠道越豐富,地下水位也就越高。

1.1.2 凝結(jié)作用

除了滲透作用外,還有一部分地下水是由大氣中的水蒸氣遇較冷的巖土體,在巖土體的孔隙中冷凝、凝結(jié)成小水滴,這些小水滴在重力的作用下由上向下流動(dòng),從而形成地下水。

1.2 地下水的分類

據(jù)地下水埋藏條件的不同,可以將地下水分為包氣帶水(也叫上層滯水)和潛水。

包氣帶水,即蘊(yùn)藏于地表淺處巖土體的孔隙中,跟大氣直接相連,主要靠日常的大氣降水作為補(bǔ)給來(lái)源,豐水期水位明顯升高,枯水期水位明顯下降。潛水,顧名思義,即存在于地表以下較為穩(wěn)定的含水層中,補(bǔ)給來(lái)源通常是大氣降水滲透補(bǔ)給及周邊河流等地表水的側(cè)向徑流。

在建筑物進(jìn)行工程勘察和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,一定要提前分析這兩種地下水的水位變化情況對(duì)建筑物將會(huì)產(chǎn)生的不利影響。

2 地下水對(duì)地基基礎(chǔ)的物理與化學(xué)作用

地下水作為大自然一種比較特殊水體的存在形式,是一種非常復(fù)雜的自然水體,不同地域的地下水也會(huì)含有不同的成分,這些不同的成分可以在指定環(huán)境下同周邊的巖土體進(jìn)行復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng),物理作用包括潤(rùn)滑作用、濕軟化作用,泥化解作用,結(jié)合水的強(qiáng)化作用;化學(xué)反應(yīng)包括離子交換、溶解作用、水解作用、溶蝕作用。這些都將會(huì)導(dǎo)致巖土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而影響整個(gè)地基基礎(chǔ)的承載能力。

舉例說(shuō)明,若地下水中含有過(guò)多的硫酸根離子時(shí),將會(huì)與氯化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其產(chǎn)物硫酸鈣是結(jié)晶體,會(huì)導(dǎo)致巖土體內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹力導(dǎo)致體積增大,進(jìn)而直接破壞上部的混凝土結(jié)構(gòu);另一種情況,如果地下水中含有過(guò)多的氫離子、重碳酸離子及游離二氧化碳時(shí),將會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)中的混凝土產(chǎn)生分解作用導(dǎo)致破壞;另外還有一種情況是pH過(guò)大,即俗稱堿性大的地下水還會(huì)嚴(yán)重腐蝕上部結(jié)構(gòu)中的金屬材料,造成的不良后果也是極其嚴(yán)重的。

3 地下水頻繁升降對(duì)地基基礎(chǔ)的不利作用

當(dāng)?shù)叵滤灰蚣竟?jié)的變化而頻繁升降的時(shí)候,肯定對(duì)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生諸多不理的作用。因此在進(jìn)行巖土工程勘察及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中,要非常注意當(dāng)?shù)氐叵滤坏募竟?jié)性變化,避免上部建筑結(jié)構(gòu)因地下水水位頻繁升降而導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。

六里屯反建成功之后，2010年政府決定在同處海淀區(qū)的蘇家坨大工村的一處建設(shè)垃海淀循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園再生能源發(fā)電廠(即垃圾焚燒廠)。該處位于六里屯西側(cè)，海淀區(qū)和門頭溝交界處。因垃圾焚燒廠建設(shè)需要，政府對(duì)蘇家坨進(jìn)行了搬遷工作。該項(xiàng)目涉搬遷騰退涉及海淀的大工村、周家巷、徐各莊、南安河、北安河、北四社區(qū)、位于門頭溝區(qū)的金隅集團(tuán)回遷樓。然而部分居民因不滿意政府的拆遷政策，沒(méi)有搬遷。從此“留下的”蘇家坨村民便開始與垃圾焚燒廠的拉鋸戰(zhàn)。2017年2月27日該項(xiàng)目煙囪排放出紅棕色煙體，這引發(fā)了周邊群眾的恐慌，居民通過(guò)各種渠道投訴，這使得該項(xiàng)目于居民之間的矛盾更加凸顯。

3.1 地基巖土體承載能力及穩(wěn)定性下降

在豐水期,地下水水位普遍升高,這時(shí)地基巖土體可能會(huì)發(fā)生浸潤(rùn)或者軟化的現(xiàn)象,進(jìn)而引起地基巖土體的壓縮系數(shù)大幅度增加,承載能力大幅下降,其上部建筑結(jié)構(gòu)由此將會(huì)產(chǎn)生較大沉降,發(fā)生安全事故;在枯水期,地下水水位明顯下降,這時(shí)會(huì)因?yàn)榈鼗鶐r土體中的孔隙水壓力消散,穩(wěn)定性大幅降低,帶來(lái)的不利后果就是地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降,上部結(jié)構(gòu)開裂等,使安全性大打折扣。因此,在進(jìn)行巖土工程勘察及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,一定要重視地下水水位頻繁升降可能帶來(lái)的不利影響,防微杜漸,確保上部建筑結(jié)構(gòu)的安全。

3.2 地基基礎(chǔ)不良地質(zhì)影響大

由于外部環(huán)境變化,地下水動(dòng)力增大后,水力坡度i也會(huì)隨之變化。水力坡度,又稱比降,物理定義是流體從機(jī)械能較大的斷面向機(jī)械能較小的斷面流動(dòng)時(shí),沿流程每單位距離的水頭損失,即總水頭線的坡度。其計(jì)算公式如下:

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

(1)

式中:hf為沿程損失,s為均勻流長(zhǎng)度。

水力坡度i發(fā)生變化后,地下水在地基巖土體中會(huì)產(chǎn)生滲透力,發(fā)生滲透作用。水在土中流動(dòng)的過(guò)程中將受到土阻力的作用,使水頭逐漸損失。同時(shí),水的滲透將對(duì)土骨架產(chǎn)生拖曳力,導(dǎo)致土體中的應(yīng)力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流作用對(duì)土骨架產(chǎn)生的拖曳力稱為滲透力。

Gd=i×γw

(2)

式中:i為水力坡度(等于水位差除以滲流路線的長(zhǎng)度)γw為水的容重KN/m3。

在許多水工建筑物、土壩及基坑工程中,滲透力的大小是影響工程安全的重要因素之一。實(shí)際工程中,也有過(guò)不少發(fā)生滲透變形(流土或管涌)的事例,嚴(yán)重的使工程施工中斷,甚至危及鄰近建筑物與設(shè)施的安全。因此,在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與施工時(shí),對(duì)滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來(lái)的不良后果應(yīng)該具有足夠的重視,避免其對(duì)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生的不良地址作用。

4 地下水對(duì)地基基礎(chǔ)不利影響的防治措施

眾所周知,地下水作為大自然一種比較特殊水體的存在形式,是一種非常復(fù)雜的自然水體,因此想要對(duì)其進(jìn)行防治也需要做到“因地制宜,對(duì)癥下藥”,從實(shí)際情況出發(fā),具體問(wèn)題具體分析,這樣才能從根本上解決問(wèn)題。

4.1 做好資料收集工作

上文也提到了,地下水作為大自然一種比較特殊水體的存在形式,跟季節(jié)、氣候、地表水分布、周邊環(huán)境及人類生產(chǎn)活動(dòng)等外部因素密切相關(guān),它并不是一成不變的,而是一直處于動(dòng)態(tài)變化中,并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性、區(qū)域性。

4.2 做好真實(shí)地下水位測(cè)量工作

準(zhǔn)確無(wú)誤地獲取地下水位值,也是在進(jìn)行巖土工程勘察及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵因素之一,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001(2009年版)關(guān)于地下水水位量測(cè)的相關(guān)規(guī)定:(1)在鉆進(jìn)中初次遇到地下水時(shí)就應(yīng)立即停鉆,量測(cè)地下水初見水位;(2)地下水穩(wěn)定水位應(yīng)在初見水位后經(jīng)一定的穩(wěn)定時(shí)間后量測(cè),對(duì)砂土和碎石土不得少于0.5 h,對(duì)粉土和粘性土不得少于8 h,并宜在勘察結(jié)束后統(tǒng)一量測(cè)地下水穩(wěn)定水位。量測(cè)讀數(shù)至厘米,精度不得低于2 cm;(3)當(dāng)對(duì)多層含水層的地下水水位進(jìn)行量測(cè)時(shí),應(yīng)采用相應(yīng)的止水措施,將被測(cè)含水層與其他含水層隔離開,然后分別量測(cè)不同含水層的水位。只有做好了真實(shí)地下水水位的量測(cè)工作,獲取準(zhǔn)確的地下水位,才能為下一步的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3 合理確定抗浮設(shè)防水位

4.3.1 相關(guān)規(guī)范規(guī)定

要想防治地下水水位頻繁升降對(duì)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生的不利作用,最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是準(zhǔn)確、合理地確定抗浮設(shè)防水位。根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ476-2019)關(guān)于抗浮設(shè)防水位的相關(guān)要求:

在施工期抗浮設(shè)防水位應(yīng)取下列地下水水位的最高值:(1)水位預(yù)測(cè)咨詢報(bào)告提供的施工期最高水位;(2)勘察期間獲取的場(chǎng)地穩(wěn)定地下水水位并考慮季節(jié)變化影響的最不利工況水位;(3)考慮地下水控制方案、鄰近工程建設(shè)對(duì)地下水補(bǔ)給及排泄條件影響的最不利工況水位;(4)場(chǎng)地近5 a內(nèi)的地下水最高水位;(5)根據(jù)地方經(jīng)驗(yàn)確定的最高水位。

在使用期抗浮設(shè)防水位應(yīng)取下列地下水水位的最高值:(1)地區(qū)抗浮設(shè)防水位區(qū)劃圖中場(chǎng)地區(qū)域的水位區(qū)劃值;(2)水位預(yù)測(cè)咨詢報(bào)告提供的使用期最高水位;(3)與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)限的場(chǎng)地歷史最高水位;(4)與使用期相同時(shí)限的場(chǎng)地地下水長(zhǎng)期觀測(cè)的最高水位;(5)多層地下水的獨(dú)立水位、有水力聯(lián)系含水層的最高混合水位;(6)對(duì)場(chǎng)地地下水水位有影響的地表水系與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)限的設(shè)計(jì)承載水位。

4.3.2 地下水水位預(yù)測(cè)分析方法

在我國(guó)國(guó)內(nèi),相關(guān)專家對(duì)于地下水水位的預(yù)測(cè)分析等方法從不同維度進(jìn)行了廣泛研究,在大量搜集和研究已有成果的基礎(chǔ)上,可以將已有的方法分成4類,即:(1)基于水資源平衡關(guān)系的宏觀預(yù)測(cè)方法;(2)基于供水模擬模型的方法;(3)數(shù)值模擬方法;(4)基于宏觀數(shù)據(jù)反分析于滲流數(shù)值分析相結(jié)合的工程分析方法。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)科技的高速發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得數(shù)值模擬方法在地下水水位預(yù)測(cè)方面起到越來(lái)越重要的地位。目前國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出很多地下水模型軟件,較常用的有GMS(Groundwater Modeling System)、Visual Modflow、PMWIN(Proceeding Modflow for Windows)、FEFLOW(Finite Element subsurface FLOW system)等。其中,GMS是由美國(guó)Brigham Young University研制的綜合地下水模型軟件包,可用于各種情況下的地下水滲流、地下水污染運(yùn)移模擬,并具有參數(shù)優(yōu)化求解、GIS等功能,是目前該領(lǐng)域最先進(jìn)的模擬軟件之一;其余的Visual Modflow和PMWIN都是基于Modflow開發(fā)的軟件,易于使用;FEFLOW采用有限元方法,是20世紀(jì)70年代德國(guó)WASY公司開發(fā)的,其最大的優(yōu)勢(shì)是具有良好的GIS接口,目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)有逐漸增多。以上的分析說(shuō)明,對(duì)于地下水分析,數(shù)值模擬方法已經(jīng)形成了強(qiáng)大的支撐,具備了良好的條件。

4.4 做好長(zhǎng)期、定期對(duì)地下水水位的觀測(cè)工作

由于地下水是一種非常復(fù)雜的自然水體,有許多不確定的外部環(huán)境因素都會(huì)引起地下水水位的頻繁升降,因此想要準(zhǔn)確地掌握一個(gè)區(qū)域內(nèi)的地下水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,就要做好長(zhǎng)期、定期對(duì)地下水水位的觀測(cè)工作,就必須要設(shè)立水文長(zhǎng)觀孔,定期量測(cè)水位埋標(biāo)高及埋深,獲取原始數(shù)據(jù)資料并加以分析整理,為后續(xù)工作提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

4.5 做好地基不均勻處理工作

防治地基巖土體不均勻沉降最有效的措施就是設(shè)置細(xì)砂墊層,其中,細(xì)砂材料的卵石參量大約為36%,還需要滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的相關(guān)技術(shù)處理要求,做好地基變形允許值驗(yàn)算。這樣,可以大幅度提升地基的承載能力,極大程度地減小地基的不均勻沉降。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,當(dāng)?shù)叵滤活l繁升降時(shí),水中的某些成分與巖土體中的某些成分發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)(潤(rùn)滑、濕軟化,泥化解,結(jié)合水的強(qiáng)化;離子交換、溶解、水解、溶蝕作用)是地下水對(duì)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響的關(guān)鍵因素。地下水水位的頻繁升降不僅會(huì)對(duì)地基基礎(chǔ)承載能力及穩(wěn)定性產(chǎn)生諸多不良影響,同時(shí)還會(huì)對(duì)地基以下的基礎(chǔ)施工帶來(lái)不利的外部施工條件,進(jìn)而直接影響整個(gè)上部建筑結(jié)構(gòu)的安全。

因此,在進(jìn)行巖土工程勘察及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,不僅要全過(guò)程、全方面搜集精確的地下水水位動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)資料外,還得準(zhǔn)確、合理地確定抗浮設(shè)防水位等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù),才能對(duì)建筑物范圍內(nèi)的地下水位變化規(guī)律進(jìn)行定量分析,做好預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)工作,從而確保地基基礎(chǔ)及上部建筑結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。