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地下水对地基基础承载力的影响及防控方法

2025-08-03 71 上传者：管理员

摘要：复杂地质条件下地下水对地基基础承载力的影响与防控是工程建设的关键难题。本研究以南京江北新区某商业综合体工程为例，研究地下水对地基基础承载力的影响机理，包括有效应力降低、工程性质劣变、砂土液化及支护结构力学行为改变。比较各类防控技术适用条件，提出分区分层控制、复合止水屏障、差异化地基处理及智能监测预警的综合防控方案。实践证明，该方案有效控制地下水位，提高地基稳定性，保障建筑安全，为复杂地质条件下的地下水控制与基础设计提供技术参考。

关键词：
地下水
地基基础
承载力
有效应力
防控技术
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随着城市建设向沿海地区及复杂地质区域拓展,地下水对地基基础工程安全的影响日益突出｡特别是在高地下水位､软弱土层分布区域,地基基础承载力控制已成为工程建设的关键挑战｡地下水位变化不仅直接影响土体强度参数,还可能导致地基长期性能退化,威胁建筑物结构安全｡

近年来,国内外学者对地下水与地基基础关系开展了深入研究｡文献[1]研究了地下水入侵导致的土壤强度变化,提出了考虑气候变化背景下地下水位上升对沿海建筑地基承载力影响的韧性模型,结果表明若不考虑地下水位上升因素,将导致不保守的结构韧性评估｡文献[2]针对滨海区软弱地基工程特性进行研究,指出地下水位高､淤泥质软土厚度大是导致地基强度低､沉降变形难以控制的主要因素,并通过水泥搅拌桩加固技术有效提高了地基承载力｡文献[3]通过对水泥粉煤灰碎石桩(CementFly-ashGravel,CFG桩)复合地基质量问题的分析,发现高地下水位对桩体强度与复合地基承载力有显著影响,采用高压旋喷桩补强后才使复合地基达到设计要求｡这些研究表明,地下水对地基基础的影响是多方面的,且在不同地质条件下表现各异,需要针对性解决方案｡然而,现有研究多着眼于单一因素分析,对地下水影响下地基性能退化的综合机理研究不足;传统防控措施在复杂工况下适应性有限,特别是当多种不利因素交织时;缺乏系统化的地下水影响防控技术体系和评价标准｡

本文基于南京江北新区某商业综合体工程实践,创新性地提出了分区分层的地下水综合防控体系:系统构建了地下水影响机理的多维度分析框架,揭示了有效应力降低､工程性质劣变､砂土液化及支护结构力学行为改变四种主要影响机制及其相互作用关系;开发了基于地质条件的差异化地基处理技术组合,有效解决了复杂地质条件下地基承载力与变形控制的技术难题;建立了智能监测预警与防控措施联动机制,实现了地下水影响的精准控制与动态调整,为类似工程提供了技术参考｡

1、工程概况

南京江北新区某商业综合体工程坐落于长江冲积平原区,工程规模大､地质条件复杂,地下水问题突出｡该项目于2018—2021年建设完成,总建筑面积13.8万m2,地下3层､地上28层,基础埋深17.8m｡工程地质环境复杂,主要体现在地层结构多变且含水层分布不均｡场地地层以杂填土､淤泥质粉质粘土､粉细砂及中密砂为主,其中淤泥质粉质粘土层压缩性高,变形模量仅为3.86MPa;粉细砂与中密砂层则作为主要含水层,渗透系数高达4.2×10-3~5.8×10-3cm/s,水力传导性强｡特别是场地局部存在的古河道沉积,形成了“水文地质窗口”,使地下水控制难度倍增｡

水文地质条件显示,该区域地下水系统由上部埋深1.5~3.2m的潜水和下部埋深4.8~6.2m的承压水组成,二者在古河道区域存在水力联系｡受长江水系和季节性降雨影响,地下水位年变幅达1.8m,高水位期地下水压力增大,对基坑稳定和基础承载构成显著威胁｡水质分析表明,地下水具有中等腐蚀性,pH值7.3~7.8,硫酸盐含量276mg/L,对混凝土结构长期耐久性构成潜在风险｡

项目施工阶段,地下水问题集中表现在三个方面:基坑开挖过程中古河道区域涌水量高达6800m3/d,远超常规设计预期;载荷试验结果显示淤泥质粉质粘土在饱和状态下承载力降低32.5%,远高于设计允许值;地下室抗浮安全系数一度降至1.08,接近临界状态｡

2、地下水对地基基础承载力的影响机理

基于南京工程实践与室内试验分析,地下水对地基承载力的影响呈现多维度､非线性的复杂特征｡通过系统研究,归纳出四种主要影响机理:

1)有效应力降低效应:地下水位变化直接改变土体骨架应力状态,是影响承载力最基础的机制｡工程实测数据表明,当地下水位从5.2m上升至2.8m时,淤泥质粉质粘土层有效应力减小42.3%,承载特征值随之从186kPa降至125kPa｡这一过程可通过Terzaghi有效应力原理(σ'=σ-u)精确描述:随孔隙水压力u增加,土体有效应力σ'相应减小,导致抗剪强度参数c'和φ'显著降低,最终造成承载力下降｡在古河道区域,这一效应更为显著,承载力降幅达到45.6%｡

2)工程性质周期性劣变:季节性水位波动导致土体反复经历饱和-非饱和过程,引起微观结构演变和工程性质累积退化｡淤泥质粉质粘土层在多次浸水-排水循环试验后,不可恢复压缩量增加76%,变形模量降低21.7%｡这种劣变主要源于水分反复作用引起的土体微观结构重排,电子显微镜观察表明,土颗粒间蜂窝状结构逐渐转变为分散状结构,结构强度弱化,压缩性显著增大(图1)｡这种累积效应解释了为何经历多次水位波动后,即使在相同水位条件下,地基承载力仍呈下降趋势｡

图1土体微观结构

3)砂土液化风险增加:高地下水位条件显著降低砂土层抗液化能力,在动力荷载作用下可能导致基础失效｡项目区粉细砂层在标准贯入试验(StandardPenetrationTest,SPT)中,随着水位上升,N值从15降至8.6,表明密实度显著降低｡基于Seed液化判别方法,当地下水位上升至临界埋深3.5m时,场地液化风险系数从0.82跃升至1.23,进入危险区域｡尤其在古河道区域,液化风险放大效应更为明显,这也解释了为何此区域的基础需采取更严格的抗液化措施｡

4)支护结构力学行为改变:地下水压力重分布引起土-结构相互作用机制变化,影响基坑支护系统稳定性｡监测记录表明,高水位条件下,地下连续墙水平位移增大25.2%,支撑轴力增加18.7%｡通过土-水-结构耦合数值模拟,发现这主要由于水压力改变了土体侧向压力系数K0,同时水位波动导致支护墙背后的土体强度参数非均质性增强,进而使支护结构受力状态复杂化｡

这四种机理在实际工程中往往交织作用,形成复杂的水土耦合效应｡南京工程实践表明,准确识别主导机理及其作用强度,是制定有效防控方案的关键前提｡

3、地下水影响防控技术

3.1常用防控技术比较

防控地下水对地基基础承载力影响的技术体系已相对成熟,可分为四大类,各具特点与适用范围[4],见表1｡

表1地下水影响防控技术比较

3.2技术选择依据与适用条件

防控技术的选择应基于综合评估,主要考虑以下四个方面:

1)地质水文条件匹配性｡防控技术必须与场地地质条件高度契合｡砂性土地层宜采用管井降水,渗透系数在10-3cm/s量级时效果最佳;粘性土层则更适合真空辅助降水,可提高降水效率2~3倍;多层复杂地层宜采用深井与井点系统相结合方式,不良地质体区域宜“隔水+降水”组合方案｡

2)工程特点与控制目标｡不同类型工程对防控技术的要求各异｡对于高层建筑,变形控制是关键,宜优先考虑地基加固;大型地下空间则需重点解决抗浮问题,通常采用抗浮锚杆､压重等方案;重要基础设施则需同时满足承载和变形双重要求,往往需采用复合防控体系｡不同阶段控制目标也有差异,施工期重点控制基坑稳定,使用期则更关注长期沉降｡

3)周边环境敏感性｡防控技术选择必须考虑环境约束｡在临近既有建筑区域,应限制降水影响范围,优先考虑隔水技术[5];在地铁､地下管线密集区域,应避免大规模降水导致的地面沉降;在水源保护区,则需严格控制注浆材料选择,避免污染地下水｡实践表明,分级､分区降水策略能有效减小环境影响｡

4)技术经济综合评价｡防控方案选择应通过多目标优化,兼顾技术可行性与经济合理性｡评价指标应包括投资成本､施工周期､安全可靠性､环境影响和维护成本等｡根据工程实践经验,低成本方案往往导致后期维护成本增加,而单纯追求技术先进性则可能造成资源浪费,应建立全生命周期成本评估体系｡

4、工程防控方案与实施效果

4.1防控方案设计与实施该项目针对前述四种地下水影响机理,结合成熟的防控技术,设计了系统化防控方案,如下:

1)分区分层精准控制系统:项目团队基于三维水文地质模型,将工程分为古河道区和常规区两大防控单元｡针对有效应力降低效应,在古河道区布置了φ600mm深井14口,间距12m,穿透全部含水层;常规区则布置了深井12口,间距18m,同时设置了三层轻型井点作为辅助系统｡这种差异化降水方案充分考虑了地质条件的非均质性,有效控制了地下水位,减轻了有效应力降低效应的影响｡此外,采用了分级降水策略:首期仅控制基坑周边30m范围,待支护结构形成后再扩大至全范围降水,有效避免了周边道路过度沉降｡

2)复合止水屏障技术:针对支护结构力学行为变化问题,项目采用了“临时+永久”复合止水体系｡首先施作了三轴水泥土搅拌桩形成初期止水帷幕,控制施工降水量;随后施作了1000mm厚钢筋混凝土连续墙作为永久性围护和防水结构｡特别在古河道穿越区段,基于数值模拟结果,将连续墙深度增加了5m,确保嵌入不透水层有效深度｡墙体接缝处采用了“双道止水带+注浆”的复合防水措施,解决了连续墙接缝这一传统防水薄弱环节,防水可靠性显著提高｡

3)差异化地基处理方案:针对工程性质周期性劣变和砂土液化风险问题,项目采用了差异化地基处理技术｡主要建筑区采用了水泥深搅桩,桩径800mm,间距1800mm,形成桩-土复合地基;高荷载柱下区域则采用了“水泥土桩+碎石桩”复合地基,既增强承载性能又加速固结排水,有效缓解了水位波动引起的工程性质劣变｡在砂土液化风险区,则通过增大搅拌桩置换率至45%,显著提高了地基抗液化能力｡这种因地制宜的差异化处理方案优化了工程投入,提高了处理效果｡

4)智能监测预警平台:项目建立了包含67个自动化监测点的智能化监测系统,实时采集地下水位､孔隙水压力､土体位移及建筑沉降数据,通过4G网络传输至云平台,实现数据可视化与智能分析｡系统设置了三级预警机制,见图2所示｡

图2三级预警机制

这种基于物联网技术的智能监测平台,为工程决策提供了及时准确的数据支持,实现了防控措施的精准调控｡

4.2效果评估与分析

方案实施后,项目取得了良好的效果,一是有效应力影响控制｡针对有效应力降低效应,防控方案有效控制了地下水位,基坑最大涌水量控制在了4500m3/d以内,较预估值降低了33.8%｡水位控制达到了设计目标,使淤泥质粉质粘土层有效应力保持在稳定范围内,避免了承载力的过度降低｡支护结构最大水平位移为26.8mm,低于35mm警戒值;周边地面最大沉降控制在14.3mm,远低于控制标准值25mm,表明有效应力状态得到了良好控制｡

二是地基承载力稳定性提升｡针对工程性质劣变问题,通过差异化地基处理方案,显著提高了地基稳定性｡载荷试验结果表明,复合地基承载特征值达到了380kPa,超过设计要求的320kPa;即使在高水位条件下,承载力降低幅度控制在了8.7%,远低于原状土的32.5%,表明加固技术在工程中取得了显著效果｡差异化地基处理的沉降控制效果也非常明显,最终建筑沉降曲线趋于平缓,满足了结构安全要求｡

三是实现了抗液化与长期性能保障｡针对砂土液化风险,采用的复合地基技术有效提高了地基抗液化能力｡原状砂土液化风险系数从1.23(危险区)降低至0.46(安全区),满足抗震设计要求｡建筑投入使用两年后的监测数据显示,总沉降稳定在了21.6mm,差异沉降率为0.0005,低于规范限值0.002;地下室防水性能良好,仅在局部管线穿墙处出现轻微渗水,经处理后完全消除;抗浮安全系数稳定在了1.35以上,满足长期使用要求｡这表明防控措施效果持久,符合长效机制要求｡

5、结论

本研究通过南京江北新区商业综合体工程实践,系统分析了地下水对地基基础承载力的影响机理,提出并验证了有效的综合防控技术体系｡主要结论如下:

1)地下水对地基基础影响表现为有效应力降低､工程性质劣变､砂土液化风险增加和支护结构力学行为改变四种主要机理,它们在工程中相互耦合,共同影响地基性能｡

2)防控技术选择应基于地质水文条件､工程特点､环境敏感性及技术经济性综合考量｡复杂地质条件下宜采用多技术组合的系统解决方案｡

3)分区分层控制与差异化地基处理相结合的策略能有效应对地质非均质性挑战｡实践证明,“降水+隔水+加固+监测”综合防控体系成功控制了涌水量､提高了承载力,保障了工程安全｡

4)智能监测预警系统是地下水防控的重要保障｡三级预警机制与防控措施联动实现了动态监测与精准调控,为类似工程提供了可借鉴的技术方案｡

本研究仍存在地下水长期作用下地基性能演变预测不足的问题｡未来研究应加强地下水动态影响评价方法､地质分区与防控技术精准匹配和防控技术智能化发展,提高工程安全性和经济性｡

参考文献:

[1]王草,AYYUBB.M.,KUMARIW.G.P..考虑地下水入侵导致土壤强度变化的沿海建筑地基韧性模型[J].岩土力学,2023,44(01):67-74.

[2]周磊.滨海区软弱地基工程特性及水泥搅拌桩加固效果[J].铁道建筑,2024,64(09):127-132.

[3]宋德朝,郑燕,常勤慧,等.CFG桩复合地基质量问题的检测与分析[J].岩土工程技术,2023,37(03):314-319.

[4]裴开杰.富水软土地层城市地铁明挖深基坑开挖施工技术[J].中国建筑金属结构,2025,24(03):83-85.