浅谈地下水对砂质粘土岩地基的影响

浅谈地下水对砂质粘土岩地基的影响

郝斐斐

中国水利水电第七工程局有限公司四川成都611730

摘要：根据现有基坑工程事故调查发现，有70%的工程事故是由于地下水造成的。其中承压水的水头压力顶裂坑底而形成突涌尤其突出，若不采取有效的治理及预防措施，就可能造成基坑报废，维护结构坍塌，甚至危及周边建筑物的安全。因此，正确认识各种土体及岩体的渗透规律，恰当选择合理的降水方式，科学设计周边截渗结构，确保截渗效果，已成为深基坑工程中的一个重要课题。

关键词：承压水，基坑隆起变形，降水井，基础换填

一、地下水的分类与作用

地下水是埋藏在地面以下土颗粒孔隙之中以及岩石孔隙和裂隙中的水。土中水具有固、液、气三种形态，其中液态水吸着水、薄膜水、毛细水和重力水。毛细水可在毛细作用下逆重力方向上升一定高度，在0摄氏度以下仍能移动、积聚，发生冻胀。

从工程地质的角度，根据地下水的埋藏条件又可将地下水分为上层滞水、潜水、承压水。上层滞水分布范围有限，但接近地表，水位受气候、季节影响大，大幅度的水位变化会给工程施工带来困难。潜水分布广，与工程施工有密切关系。在干旱和半干旱的平原地区，若潜水的矿化度较高且埋藏较浅，应注意土的盐渍化。承压水存在于地下两个隔水层之间，具有一定的水头高度，一般需注意其向上的排泄，即对潜水和地表水的补给或以上升泉的形式出露。

工程实践表明，在对工程施工、运行与维护造成危害的诸多因素中，影响大、最持久的是地下水。水与土体相互作用，可以使土体的强度和稳定性降低，导致路基或地下构筑物周围土体软化，并可能产生滑坡、沉陷、潜蚀、管涌、冻胀、翻浆等危害。因此工程施工必须考虑地下水的类型、埋藏条件及活动规律，以便采取措施保证工程安全。

地下水位与地下水的运动规律，其他形式的水文和水文地质因素对路基或其他构筑物基础的稳定性的影响，也是影响主体结构安全和运行安全的重要因素，需要在工程建设和维护运行中充分考虑。

根据现有基坑工程事故调查发现，有70%的工程事故是由于地下水造成的。其中承压水的水头压力顶裂坑底而形成突涌尤其突出，若不采取有效的治理及预防措施，就可能造成基坑报废，维护结构坍塌，甚至危及周边建筑物的安全。因此，正确认识各种土体及岩体的渗透规律，恰当选择合理的降水方式，科学设计周边截渗结构，确保截渗效果，已成为深基坑工程中的一个重要课题。

二、地下水对地基基础影响典型案例分析

1、项目概况

南水北调北汝河渠道倒虹吸工程位于河南省宝丰县东北大边庄与郏县渣园乡朱庄村之间北汝河上。本标段总长1482m，起讫桩号SH（3）39+869.3～SH（3）41+351.3，其中含：建筑物一座，即跨北汝河的渠道倒虹吸；明渠段总长200m，进、出口各100m。渠段起点设计水位128.761m，终点水位128.254m。设计流量315m3/s，加大流量375m3/s。工程由检修闸、渠道倒虹吸、节制闸和退水闸几部分组成。本标段合同金额为2.7亿元，合同工期为：2009年12月—2012年12月。

2、事由及现状调查

本标段存在潜水与承压水，且潜水层埋深较浅，具有强～极强透水性，同时承压水水头较高。由于基坑为砂质粘土岩含承压水丰富，造成在浇筑的垫层混凝土隆起变形，从而引起管身段垫层混凝土开始出现大面积裂缝。经技术人员对现场裂缝进行踏勘和分析，发现裂缝面积进一步增大，且局部存在错台现象。随后测量人员管身段垫层混凝土典型部位进行了测量复核，发现建基面在浇筑前后存在严重隆起现象，隆起高度最高处达28.1cm。

经过技术人员对现场的实际调查和测量观测分析得出，垫层混凝土隆起变形主要是因为含砂质粘土岩地下水丰富承压力大导致而成。因此，消除地基承压水是最关键的。

3、原因分析

经技术人员现场勘查讨论和分析，将可能导致基础隆起变形的原因进行了归纳，得出如下几方面：

（1）松散层孔隙潜水流动

赋存于全新统卵石层中，该层渗透系数1.4×10-1～1.29×100cm/s，下部粘土岩为其隔水底板。该含水层分布于河床、漫滩及一级阶地，由阶地、漫滩向主河床卵石层沉积，厚度由8m渐变为3.5m。左岸一级阶地地下水埋深3.5～4.0m，漫滩、河床地下水埋深1.0～3.4m。

（2）孔隙裂隙潜水流动

赋存于砾岩中，砾岩上部1m左右钙质胶结较好，其下钙、泥质微胶结，该层透水性不均一，钻孔注水试验渗透系数2.7×10-5～5.8×10-3cm/s，平均1.5×10-3cm/s。层厚2.45～5.40m，由南向北渐变溥，分布不均。其下部粘土岩为隔水底板。地下水位埋深6m左右，该层潜水为当地群众生活、灌溉用水水源。该层潜水与松散层潜水水力联系密切，地下水动态类型属大气降水入渗～开采型。

（3）孔隙裂隙承压水扬压力

赋存于砂砾岩及含砂质粘土岩中的厚层砂砾岩透镜体中，砂砾岩承压水分布在左岸漫滩（以漫滩中部为界）以南，渗透系数K=1.1×10-4～1.0×10-2cm/s，具中等透水性，因岩性差异各处透水性不均一，粘土岩和含砂质粘土岩为其隔水顶、底板，该层承压水水位一般高出潜水位0.75～1.17m。在含砂质粘土岩中夹有多层砂岩、砂砾岩透镜体，赋存地下水。

4、制定对策

根据要因确认情况和结果分析，空隙裂隙潜水流动在增加盖重后产生的扬压力和空隙裂隙承压水产生的扬压力可以同时解决，工程技术人员制定了对策措施,如下：

首先在含承压水的部位进行抽水试验，再采取挖设地质探坑和地质探孔的方式找出潜水承压水丰富的地点，然后采用打井降水降压的方式，降水成功后进行基础保护层开挖，开挖至建基面后对基础面挖设排水盲沟，排水盲沟内换填为天然砂砾料，然后再铺设一层土工布，土工布上铺填级配砂石料，级配料顶部铺设隔水层后垫层混凝土浇筑。

5、对策的实施

（1）孔隙裂隙承压水井点降水抽水试验及试验初步结论

本地段砂砾岩承压水渗透系数推荐值K＝14.542m/d；影响半径推荐值R＝607.86m。通过恢复水位观测，抽水井停抽后，水位恢复迅速，基坑开挖及降水作业要谨慎处理。

通过抽水试验，验证了本工程施工采用管井降水措施是可行的。建议井深：高程115处25m为宜，其它处根据地表高程与之比对进行调整；管井内径300mm；井间距20m左右，施工时根据不同地段的承压含水层情况做适当调整。

（2）承压水部位地质检测

针对基础面存在涌水点并翻砂现象，在管身段基础渗水点挖取了地质探坑，探坑大小大致为3.6×1.4m，深度约2m。发现在探坑周边存在有裂隙水和高程不等的渗水点（距离建基面顶部高程0.6～1.9m），探坑内渗水量不均匀。在管身段基础布置地质探孔，孔深8.3～14.6m。探孔间距5×10m，钻探揭示成果表明在基础面3.5m以下存在一层厚度大致为0.5～3.5m厚的泥质粉（细）砂岩，该层为分布不均一的承压水赋水层。

（3）承压水头测试

在地质探孔施工完成后，将孔改装成承压水的观测孔，承压水头最大在6.6m左右（高出建基面）。其余承压水头均不大，高出建基面约1.5～2.5m。

（4）降水井实施及降水参数验证

在基坑开挖至一级马道高程113.50～113.80m时开始降水井施工，降水井设置在一级马道内坡脚处，间距20m，现场根据抽排水情况加密，孔径55cm，孔深约25m，深入粘土岩1m后停止；在基坑底部布置第二排降水井，布置在管身段混凝土轮廓线外2m，间距10m，孔深13～15m，深入建基面以下11～13m；根据现场地下水的渗水情况，考虑在基坑底部两侧布置降水井，降水井布置在管身段混凝土轮廓线以外2m左右，间距20m，孔深13～15m，深入建基面以下11～13m；根据现场基础面存在涌水点的位置，针对渗水点进行定点打降水井，井深入建基面一下11～13m。

根据以上的降水井方案，现场进行降水井施工并抽水后，降水井基本可以满足基坑降水需要。

6、预防承压水顶托破坏

（1）降水井施工

根据地质探孔揭示的承压水头资料，须将承压水降至建基面以下，否则不能进行保护层开挖和后续的混凝土作业。需布置降水井，将承压水头降下来。在管身段混凝土轮廓线外的基础面上布置了降水井，降水井穿过粉（细）砂岩层，深入底部的粘土岩1.5m左右。降水井形成后，在保证降水井抽水的前提下，加强了对观测孔内承压水水头变化的观测。经检测，在涌水点附近的承压水头下降较快，基本降至建基面以下，但距离涌水点较远部位（超过3m），承压水头仍高出建基面，最高的水头达4.4m。说明基础面内赋存的粉（细）砂岩不连通或微连通。

根据以上实验成果，在基础面比较大的涌水点附近均施工了降水井进行降水降压，但局部仍存在承压水头高出建基面。对这部分承压水，现场采用在基础设置滤水垫层进行基础换填。

（2）基础滤水垫层换填

1）基础面排水盲沟

根据基础面的渗水点分部情况，在基础面布置排水盲沟，深度10～20cm。盲沟全部穿越渗水点，并于轮廓线外的降水井联通，使渗水可以通过降水井排出。盲沟内换填天然砾石料，直径控制在5～20mm。

2）基础面反滤料铺设

排水盲沟形成后，在基础面铺设粗砂10cm（细度模数3.5以上），并在粗砂顶面铺设400g/m2的土工布进行反滤。

3）基础换填层施工

土工布铺设完成后，在土工布顶部铺设10～30cm，厚度的一级配碎石料，若换填深度大于40cm，则在级配碎石顶部在设置砂卵石换填层，级配碎石和砂卵石层采用碾压机械分层碾压，以满足基础承载力需要。换填完成后，换填层顶面铺设厚型包装纸阻水层，随后进行垫层混凝土浇筑。

参考文献：

[1]北汝河QC小组活动：消除含承压水砂质粘土岩基础隆起变形

[2]北汝河渠道倒虹吸施工组织设计