伊浩然,關民全,李 鵬,張 浩,萬雪林,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。它的存在不僅會直接影響巖土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),還會影響地基基礎的承載能力,進而對上層建筑的穩(wěn)定性和耐久性起著至關重要的作用;與此同時,地下水位頻繁地升降,也會對地基基礎的承載能力帶來諸多不利作用。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,許多大城市高層建筑越來越多,基礎埋深也隨之越來越深,地下水作為地基基礎的主要影響因素,也越來越被工程界所重視,雨季地下水位上升而導致地基基礎上浮等質(zhì)量事故屢見不鮮。因此,在巖土工程勘察和地基基礎設計的過程中,必須要非常重視地下水對地基基礎的影響。

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,要防治地下水對地基基礎的不利作用,就要根據(jù)實際分類情況研究它的成因,這樣才能“對癥下藥”,確保地基基礎的承載能力。

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,這類地表水的特點是大氣中的降水量越多,地下水補給來源或渠道越豐富,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,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給來源,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,補給來源通常是大氣降水滲透補給及周邊河流等地表水的側(cè)向徑流。

在建筑物進行工程勘察和地基基礎設計的過程中,一定要提前分析這兩種地下水的水位變化情況對建筑物將會產(chǎn)生的不利影響。

2 地下水對地基基礎的物理與化學作用

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

舉例說明,若地下水中含有過多的硫酸根離子時,將會與氯化鈣發(fā)生化學反應,其產(chǎn)物硫酸鈣是結(jié)晶體,會導致巖土體內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹力導致體積增大,進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多的氫離子、重碳酸離子及游離二氧化碳時,將會對上部結(jié)構(gòu)中的混凝土產(chǎn)生分解作用導致破壞;另外還有一種情況是pH過大,即俗稱堿性大的地下水還會嚴重腐蝕上部結(jié)構(gòu)中的金屬材料,造成的不良后果也是極其嚴重的。

3 地下水頻繁升降對地基基礎的不利作用

當?shù)叵滤灰蚣竟?jié)的變化而頻繁升降的時候,肯定對地基基礎產(chǎn)生諸多不理的作用。因此在進行巖土工程勘察及地基基礎設計過程中,要非常注意當?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致的嚴重事故。

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垃海淀循環(huán)經(jīng)濟產(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。因垃圾焚燒廠建設需要，政府對蘇家坨進行了搬遷工作。該項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)的金隅集團回遷樓。然而部分居民因不滿意政府的拆遷政策，沒有搬遷。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，居民通過各種渠道投訴，這使得該項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,這時地基巖土體可能會發(fā)生浸潤或者軟化的現(xiàn)象,進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,這時會因為地基巖土體中的孔隙水壓力消散,穩(wěn)定性大幅降低,帶來的不利后果就是地基基礎發(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,在進行巖土工程勘察及地基基礎設計的過程中,一定要重視地下水水位頻繁升降可能帶來的不利影響,防微杜漸,確保上部建筑結(jié)構(gòu)的安全。

3.2 地基基礎不良地質(zhì)影響大

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

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

(1)

式中:hf為沿程損失,s為均勻流長度。

水力坡度i發(fā)生變化后,地下水在地基巖土體中會產(chǎn)生滲透力,發(fā)生滲透作用。水在土中流動的過程中將受到土阻力的作用,使水頭逐漸損失。同時,水的滲透將對土骨架產(chǎn)生拖曳力,導致土體中的應力與變形發(fā)生變化。這種滲透水流作用對土骨架產(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。實際工程中,也有過不少發(fā)生滲透變形(流土或管涌)的事例,嚴重的使工程施工中斷,甚至危及鄰近建筑物與設施的安全。因此,在進行工程設計與施工時,對滲透力可能給地基土穩(wěn)定性帶來的不良后果應該具有足夠的重視,避免其對地基基礎產(chǎn)生的不良地址作用。

4 地下水對地基基礎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,是一種非常復雜的自然水體,因此想要對其進行防治也需要做到“因地制宜,對癥下藥”,從實際情況出發(fā),具體問題具體分析,這樣才能從根本上解決問題。

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)活動等外部因素密切相關,它并不是一成不變的,而是一直處于動態(tài)變化中,并且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性、區(qū)域性。

4.2 做好真實地下水位測量工作

準確無誤地獲取地下水位值,也是在進行巖土工程勘察及地基基礎設計過程中的關鍵因素之一,根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001(2009年版)關于地下水水位量測的相關規(guī)定:(1)在鉆進中初次遇到地下水時就應立即停鉆,量測地下水初見水位;(2)地下水穩(wěn)定水位應在初見水位后經(jīng)一定的穩(wěn)定時間后量測,對砂土和碎石土不得少于0.5 h,對粉土和粘性土不得少于8 h,并宜在勘察結(jié)束后統(tǒng)一量測地下水穩(wěn)定水位。量測讀數(shù)至厘米,精度不得低于2 cm;(3)當對多層含水層的地下水水位進行量測時,應采用相應的止水措施,將被測含水層與其他含水層隔離開,然后分別量測不同含水層的水位。只有做好了真實地下水水位的量測工作,獲取準確的地下水位,才能為下一步的地基基礎設計提供詳實的基礎數(shù)據(jù)。

4.3 合理確定抗浮設防水位

4.3.1 相關規(guī)范規(guī)定

要想防治地下水水位頻繁升降對地基基礎產(chǎn)生的不利作用,最關鍵的一點就是準確、合理地確定抗浮設防水位。根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標準》(JGJ476-2019)關于抗浮設防水位的相關要求:

在施工期抗浮設防水位應取下列地下水水位的最高值:(1)水位預測咨詢報告提供的施工期最高水位;(2)勘察期間獲取的場地穩(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、鄰近工程建設對地下水補給及排泄條件影響的最不利工況水位;(4)場地近5 a內(nèi)的地下水最高水位;(5)根據(jù)地方經(jīng)驗確定的最高水位。

在使用期抗浮設防水位應取下列地下水水位的最高值:(1)地區(qū)抗浮設防水位區(qū)劃圖中場地區(qū)域的水位區(qū)劃值;(2)水位預測咨詢報告提供的使用期最高水位;(3)與設計使用年限相同時限的場地歷史最高水位;(4)與使用期相同時限的場地地下水長期觀測的最高水位;(5)多層地下水的獨立水位、有水力聯(lián)系含水層的最高混合水位;(6)對場地地下水水位有影響的地表水系與設計使用年限相同時限的設計承載水位。

4.3.2 地下水水位預測分析方法

在我國國內(nèi),相關專家對于地下水水位的預測分析等方法從不同維度進行了廣泛研究,在大量搜集和研究已有成果的基礎上,可以將已有的方法分成4類,即:(1)基于水資源平衡關系的宏觀預測方法;(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。

隨著我國經(jīng)濟科技的高速發(fā)展,計算機技術(shù)和數(shù)值方法技術(shù)的廣泛應用,使得數(shù)值模擬方法在地下水水位預測方面起到越來越重要的地位。目前國外已經(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、地下水污染運移模擬,并具有參數(shù)優(yōu)化求解、GIS等功能,是目前該領域最先進的模擬軟件之一;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70年代德國WASY公司開發(fā)的,其最大的優(yōu)勢是具有良好的GIS接口,目前在國內(nèi)應有逐漸增多。以上的分析說明,對于地下水分析,數(shù)值模擬方法已經(jīng)形成了強大的支撐,具備了良好的條件。

4.4 做好長期、定期對地下水水位的觀測工作

由于地下水是一種非常復雜的自然水體,有許多不確定的外部環(huán)境因素都會引起地下水水位的頻繁升降,因此想要準確地掌握一個區(qū)域內(nèi)的地下水水位動態(tài)變化規(guī)律,就要做好長期、定期對地下水水位的觀測工作,就必須要設立水文長觀孔,定期量測水位埋標高及埋深,獲取原始數(shù)據(jù)資料并加以分析整理,為后續(xù)工作提供準確、詳實的數(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置細砂墊層,其中,細砂材料的卵石參量大約為36%,還需要滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)的相關技術(shù)處理要求,做好地基變形允許值驗算。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

綜上所述,當?shù)叵滤活l繁升降時,水中的某些成分與巖土體中的某些成分發(fā)生的物理、化學反應(潤滑、濕軟化,泥化解,結(jié)合水的強化;離子交換、溶解、水解、溶蝕作用)是地下水對地基基礎產(chǎn)生不利影響的關鍵因素。地下水水位的頻繁升降不僅會對地基基礎承載能力及穩(wěn)定性產(chǎn)生諸多不良影響,同時還會對地基以下的基礎施工帶來不利的外部施工條件,進而直接影響整個上部建筑結(jié)構(gòu)的安全。

因此,在進行巖土工程勘察及基礎設計的過程中,不僅要全過程、全方面搜集精確的地下水水位動態(tài)變化的相關資料外,還得準確、合理地確定抗浮設防水位等相關水文地質(zhì)參數(shù),才能對建筑物范圍內(nèi)的地下水位變化規(guī)律進行定量分析,做好預測、預報工作,從而確保地基基礎及上部建筑結(jié)構(gòu)的安全運營。