地下水對地基穩定性影響的研究

1飽和土體質量一般來說，有地下水結構的基礎。如果地下水水位較低，則不會影響基礎的穩定性。如果地下水水位較高，則會影響基礎的穩定性。當地下水位較高,地基土處于飽和狀態,承載能力就會相對降低。例如:一般硬塑狀態或堅硬狀態的粘土地基,承載力可達250kPa以上,而處于飽和狀態的粘土地基承載力會降低至100kPa左右。特別是濕陷性黃土,在特定的含水量界限狀態時強度高,壓縮性小,但在飽和狀態下,即使在其自重作用下也會發生劇烈而大量的變形,強度也會隨之迅速降低,土體結構迅速破壞,而且發生顯著附加下沉。還有我國分布廣泛的膨脹土浸水膨脹強烈,失水收縮,地基由于脹縮不均勻引起的差異變形對構筑物危害性很大。如在坡降較大的沖溝建筑攔水壩、尾礦壩;在山坡腳下砌擋土墻或深基坑維護擋土墻,當蓄水位或地下水位較高,地下水滲透壓力大時,會導致地基土機械管涌或者液化流土。從而導致地基破壞,構筑物基礎開裂、沉陷。總而言之,地下水的滲透作用對地基有弊無利,危害甚大。2地下水動力學處理地下水對地基的作用主要是由于其使土體含水量變化和地下水滲透壓力變化,而使地基土物理力學性質發生變化,導致原土體的結構失去平衡而破壞。顯然地下水量和地下水的滲透壓力(地下水位差)是對地基穩定產生影響的主要因素。對地下水位以下的地基處理可以采用改變地基土體結構,增強穩定性和抗滲能力的處理方法。例如:打砂樁、碎石樁、水泥旋噴樁和硅化加固等。也可采用降低地下水位,減少地下水量,減少地下水滲透壓力的處理方法。例如:采用抽水、引流、井點降水法等。在此,僅從地下水動力學角度,通過兩項成功實例,即在處理地下水影響地基與基坑邊坡穩定的設計方法。探討如何應用達西定律減少地下水滲透壓力,達到使地基土穩定的目的。從地下水動力學分析,地下水對地基和邊坡穩定影響的主要因素是地下水水量變化和地下水滲透壓力變化。地下水在土中的運動(滲透)屬于層流,是遵循達西(Darcy)線性滲透定律的。因此,對地下水位以下的地基處理關鍵是:(1)減少地基含水量;(2)降低地下水滲透壓力。根據土體平衡條件,地基土穩定必須同時滿足兩個水力方程式:根據《尾礦設施設計》介紹的非粘性砂土計算公式:將(3)、(4)式和達西定律代入(1)、(2)式,導出有效滲徑長度公式:式中,I為滲流坡降(達西定律I=H/L);I1為砂粒土允許滲流坡降;V為滲流水流速(m/s)(由達西定律V=KI=KH/L),V1為砂粒土允許滲流水流速(m/s),H為水位差(m),L為滲徑長度(m),K為滲透系數(m/s),G為土體比重,e為土體孔隙比,Kζ為滲透安全系數(粘土取Kζ=1.5;非粘土取Kζ=2～2.5)。由上式可見,水力坡降與滲透水流速均與滲徑長度有關,而且滲徑長度為可變因素。所以,合理地確定滲徑長度,既能在技術上確保地基和基坑邊坡穩定,又能做到投資省,經濟合理。3項目的例子3.1鋪設工壩及護坡處理方案廣西恭城縣栗木錫礦尾礦壩建在14m厚的尾礦砂層上(圖1)。尾礦設施排水系統出口高于尾礦壩腳。1992年5月山洪暴發,壩前水位增高,尾礦水經壩底地基尾礦砂層連砂帶水涌出下游壩腳,嚴重污染下游農田并危及尾礦壩壩坡穩定。經現場踏勘分析,查明是由于尾礦砂層地基滲透系數大(K=3.32×10-5m/s),上游洪水水位增高后滲透水壓力增大,造成尾礦壩基嚴重滲透所致。要地下水以下土體穩定必須滿足根據達西定律可知,地下滲透水作用與水位差、滲透系數K和滲徑長度L有關。所以處理地下水滲透問題要結合實際情況綜合考慮,要設法改變其中相關的某種因素,選擇技術可靠,經濟合理的最優方案。根據栗木錫礦尾礦壩滲透情況分析,由于尾礦壩基為尾礦砂層,要增加尾砂層的密實度,改變其物理力學性質,減少其滲透系數K,需要在尾礦壩身、壩基進行混凝土帷幕灌漿、加固,或者在壩前設十幾米深的混凝土隔墻。此方法投資高,施工難度大。要降低水位差H,在洪水季節不可能做到。只有設法增加滲徑長度L,降低滲透水力坡降和滲透流速,達到減少地下水滲透壓力,確保壩基尾礦砂層穩定。現場提供的尾礦相關物理力學性質指標見表1。將表1數值代入(5)、(6)式求出有效滲徑長度(取Kζ=2.5)經計算,L=14.19m時,滿足尾礦砂層滲透穩定要求。所以決定,采用在尾礦壩上游鋪設一段長20m的粘土相對隔水墻護坡處理方案(圖2)。從而將洪水壓離壩腳,增加滲透水滲徑長度,有效地降低了滲透水壓力,確保壩基尾砂不再移動、流失。同時,采取尾礦壩前分散放礦的方法,即在壩前逐年形成尾礦沉積灘,從而成功地處理了該尾礦壩的滲透問題。3.2永勝大廈加固示例3.2.1地層地質情況廣西南寧永華大廈位于市區園湖路和建政路交叉口南面。建筑場地東北兩側為市區交通道路,西南兩側為建筑物。該工程是一綜合商業大樓,建筑面積21831m2。地上建筑十層,高43.6m,結構形式為框架結構。地下室一層,基坑深5.1m。根據工程地質資料,該場地地質情況如下:(1)素填土:可塑狀態,層厚0.0～8m。(2)粘性表土;可塑狀態,層厚0.0～1.5m。(3)粘土:可塑～硬塑狀態,層厚0.7m～3.3m。(4)中粗砂:呈飽和、中密狀態,層厚0.0～1.65m。(5)圓礫:呈稍密～中密、飽和狀態,層厚2.6m～4.3m。(6)強風化泥巖:密實、堅硬狀態,層厚4.6m～8.3m。(7)中風化泥巖:堅硬狀態,埋深11.4m～15.1m以下。3.2.2擋土墻方案比選由于永華大廈地處南寧市繁華鬧市區,因此,要求支護結構確保不能產生位移,也不能大量抽水,以免引起附近道路、建筑物產生開裂。根據地質資料,地下水位以下土層為中粗砂、圓礫層,這兩種土層透水性很強。從水文資料可知,地下水位深為2.2m,且略具承壓性。工程基坑深為-5.1m,設計持力層為圓礫層,基礎類型為筏基。由于圓礫層處于地下水位以下,該土層凝聚力很小邊坡穩定性很差基坑開后中粗砂和圓礫層會產生流砂,嚴重坍塌,從而引起上部粘土層邊坡失穩、塌方。同時,地下水位高,水量豐富,施工時又不能進行大量抽水,為此,支護結構除了考慮擋土以外,另一個突出問題是止水。為解決上述兩個問題,作了兩個方案比較:方案一:采用800mm鉆孔樁,間距1300mm,后再作止水混凝土帷幕灌漿。灌漿伸至泥巖深度約8m,總投資約147萬元。方案二:采用擋土墻,基礎為C15毛石混凝土,上部為M7.5水泥砂漿砌片石,總投資52萬元。從經濟上分析,方案二比方案一省。技術上主要是兩個難題:(1)止水效果問題。止水效果差,圍護開挖后場地內水量太大,基礎底板無法施工。如采用場地內抽水,會造成地基沉陷導致相鄰建筑物開裂。(2)在地下水位以下的砂層、圓礫層挖的基坑太深,塌方嚴重,無法施工。可見主要矛盾是止水問題,也即如何合理地確定有效滲徑長度,確定毛石混凝土的埋深問題。為了做到技術可靠可行,經濟最優,確定采用擋土墻方案。技術上做了精心設計,同時又與施工單位研究了周密的施工方案。3.2.3擋土墻驗算及應力驗算根據現場地形,建筑外墻軸線與相鄰建筑、道路都有6m左右的距離。由地質資料可知,地下水位以上土層凝聚力較大,土質較好可放坡,為了減少擋土墻高度,決定采用如圖3所示的擋土墻斷面。根據地質水文資料提供持力層圓礫物理力學性質指標見表2。要保持圓礫層中的砂粒穩定,滲徑長度需滿足(3)、(4)式,計算得(取Kζ=2.0)通過地下水動力學計算,合理地確定有效滲徑長度及擋土墻毛石混凝土基坑深度h。取毛石混凝土基深h=1.4m,實際有效滲徑長度L=6.9m>5.475m。擋土墻的滑動穩定性驗算、傾覆穩定性驗算、地基土容許承載力驗算以及墻身材料應力驗算按設計規范進行計算。驗算結果證明圖3中的擋土墻斷面完全滿足安全要求。4地下水滲透水動力方面研究以上兩項工程均已竣工。栗木錫礦尾礦壩現已使用六年運行正常未出現任何流砂現象。經濟上與混凝土帷幕灌漿方案相比省投資十多萬元。南寧市永華大廈基坑擋土墻竣工后止水效果很好,地下室基坑場內基本不冒水,集水坑抽水機(流量Q=7.2m3/h)晝夜抽水累計不到1小時,給基礎施工創造了良好的條件。經濟上方案二比方案一省投資九十多萬元。實踐證明:處理地下水對地基的滲透問題,應根據工程的實際情況,除了從工程力學研究處理外,還要從地下滲透水的運動規律