对于地基基础的安全而言,地下水是一个非常重要但又易于被忽视的问题,水是岩土体的组成部分,直接影响岩土体的工程特性,如黏性土的物理力学性质、砂土的液化、泥岩的软化、湿陷性土和膨胀土的工程特性等都和水有关系;同时水又是基础工程的主要环境因素之一,影响建筑物的稳定性和耐久性,如建筑物的抗浮、冻胀等。太沙基(Terzaghi)在其1943年著作《理论土力学》^[1] 里这样写到:“在土工工程领域内每年都发生数个重大事故,而且这些事故不止一次是因为没有预料到水的作用”。太沙基(Terzaghi)在70年前的描述与我国的现状非常类似,我国每年发生很多起由水引起的地基基础工程事故,涉及到土木工程的各个领域,如基坑漏水、降水引起的地面沉降、地下构筑物上浮等。一些事故损失巨大,如2003年7月1日凌晨,上海轨道交通4号线联络通道采用冰冻法进行施工,因大量的水和流砂涌入,引起约270m长隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降,最大沉降量达到7m,导致3栋建筑物严重倾斜,黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌,事故造成直接经济损失1.5亿元左右。本文总结了一些近年来和水有关的、容易引起地基基础工程事故但常常被忽略的问题,希望能够引起相关工程技术人员的注意。

根据埋藏条件的不同,地下水可分为上层滞水、潜水和承压水3大类,这3类地下水均可能导致严重的地基基础事故。

上层滞水的分布常见于局部隔水层以上的地层中,如图1所示。上层滞水受水文、气象及地下管线泄漏等因素的影响,具有埋藏浅、变化大的特点,工程勘察期间不易掌握其分布及变化规律,故常常在施工阶段突然引起工程事故。近年来若干工程实例表明,由大气降水、生活用水排污等引起的暂时性滞水对地基基础安全的影响不容忽视。

潜水是埋藏在地表以下第1个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水(见图1)。潜水具有自由水面,为无压水,在自然界中分布很广,一般埋藏在第四纪松散沉积物的孔隙及坚硬基岩风化壳的裂隙、溶洞内。潜水具有潜水面不断变化和流动性强等特点,容易引起地基基础工程事故。潜水面升降的原因有2个:(1)潜水含水层上部没有连续隔水层,大气降水和地表水可直接补给潜水;(2)当承压水位高于潜水位、承压含水层与潜水含水层之间存在弱透水层时,承压水也可补给潜水,称为越流补给,两者都可能造成潜水面的升降。

承压水是埋藏较深的、赋存于2个隔水层之间的地下水(见图1)。这种地下水往往具有较高的水头,这是其最主要的特点,特别是当上下2个隔水层呈倾斜状时,隔水层中的土体要承受更大的水压力。当桩基施工或打井穿过上层隔水层时,强大的压力就会使水体喷涌而出,形成自流水。

地下水的季节性、流动性、潜水面的升降、承压水、排水通道的改变等都可能引起地基基础工程事故,以下分别介绍。

当在勘察报告中有明确的地下水描述和对工程的影响分析时,设计人员会重视并采取措施。有些情况下地下水是季节性或暂时性的,设计人员往往重视不够,表现在设计人员忽略季节性水的影响,如图2所示。某4层框架结构建筑建在山坡上,场地地质条件很好,采用柱下承台基础。由于勘察报告指出在勘察深度范围内没有地下水,设计时没有采取任何防水措施。该建筑物还没有完工,遇到雨季地面就开始冒水。分析其原因是雨季山上汇集的水,通过岩石裂隙流向山下,该建筑基础切断部分岩石裂隙,水流至基础下时,由于山上水存在一定的承压性,从建筑物地面冒出。

施工方应对施工期间季节水对工程的影响有充分的考虑,并有足够的防范措施,如防止地表水汇入基槽内,有足够的降排水设备等,否则可能造成地基基础工程事故。北京南部某工程为全埋式1层地下车库,设计为人防地库,东西向总长153.9m,南北向总长72.6m,建筑面积4 195m²,主体为框架结构,基础为梁板式筏形基础。顶板设计覆土厚度为2.0m,如图3a所示。

该工程于2015年5月主体结构封顶,基坑采用降水井降水,6月初回填肥槽后停止降水,此时设计的顶板2m覆土没有回填(见图3b)。而后经过6,7月份雨季后,地下水位上升明显,施工单位在7月份发现地下车库某些框架柱及框架梁均有不同程度的裂缝,经过测量后发现整个地下车库都有不同程度上浮,上浮最大量为900mm。施工单位随后采取降水措施,上浮量回落。

上浮量回落后,地下车库没有恢复到原位(见图3c)。地下车库柱的平均上浮量为186mm,最大上浮量为436mm,东西向相邻柱基最大倾斜率为8.4‰,南北向相邻柱基最大倾斜率为19.89‰。车库基础上浮变形严重,使得基础开裂严重,造成车库底板防水被拉裂,地下水渗入地下车库内部。

以上工程事故对设计、施工单位具有以下几点启发:(1)对于建于坡地、低洼地的建筑设计应考虑季节性地下水的影响;(2)纯地下室结构上部没有完成覆土时不能轻易停止降水,防止季节性降水造成地下结构上浮;(3)要防范季节性极端降水,防止地表水进入基坑及肥槽,进而引起建筑物上浮。

造成地下水流动的原因有人为的和天然的2种。人为流动如基坑降水、人工挖孔桩时的降水、基坑止水帷幕漏水引起的周围地下水流动等。天然流动如江、河、湖、海水的涨落和流动、岩溶地区的地下泉水引起的地下水流动。

地下水流动可能会引起灌注桩的质量问题、基坑止水帷幕失效、填土地基的沉降等。

地下水的流动可能引起灌注桩桩身质量问题,即在桩身混凝土凝固前,由于地下水的流动,混凝土中部分水泥颗粒被水带走,桩身混凝土强度降低甚至没有强度,进而导致桩的承载力不满足要求。图4为云南某建筑沉降量和沉降速率,该工程为剪力墙结构,采用墙下布桩,为泥浆护壁钻孔灌注桩,勘察报告揭示该场地存在溶洞和地下水。从图4可看出5,6号点沉降量和沉降速率明显高于其他点,特别是5号点是2号点沉降量的2倍,沉降速率为其3倍以上。由于一些部位沉降速率过大,最后造成建筑物基础沉降超出规范规定,新建成的建筑物还没有投入使用,被迫拆除,造成的直接经济损失超过5 000万元。建筑物拆除后,对事故原因进行分析发现,沉降量大的位置桩身混凝土强度很低,不能满足承载力设计要求。通过更进一步分析发现,沉降量大的部位地基存在古泉眼,泉水涌出造成周围地下水出现较大流动,流动的地下水侵入尚未凝固的混凝土,带走混凝土中的水泥颗粒,进而使桩身强度不满足要求,最终酿成了工程事故。

地下水的流动容易带走止水帷幕中的水泥颗粒,使止水帷幕局部失效,造成基坑漏水,影响基坑开挖。图5为广东某基坑被水浸泡的图片,由于基坑止水帷幕局部失效,造成地下水大量涌入。该项目止水帷幕先期采用水泥土搅拌桩,开挖发现局部漏水后又采用高压旋喷对漏水部位进行堵漏,但均以失败告终。事故原因分析发现,漏水部位附近有一条流动的河水,正是河水的流动,引起附近的地下水产生一定的流动,带走了止水帷幕中的水泥颗粒,使止水帷幕失效。最后该基坑采用钢板连锁桩止水,才顺利完成基坑开挖。

绝大部分回填土地基是在低洼地上回填的,由于水的重力作用,原低洼地汇集周围高地水,在达到一定水位高度后外排。场地回填后,周围高地的水仍会以一定的方式(如渗流、径流)进入回填土地基内部,达到一定含水量后在填土地基中流动,特别是回填粗颗粒土、碎石土时。水的流动会带走土中的细小颗粒,长时间会造成土中孔隙率增大,引起地基下沉。

图6为河北某工程回填土地基示意,场地回填前是一个山沟,具有汇水和排水的功能。回填最大深度约18m,回填后修建广场和配套建筑,几年后广场出现较大沉降,最大沉降量超过400mm。分析原因发现,造成回填土地基下沉的主因是水,而水的来源主要是周围高地上水的汇集、渗入。由图7可以看出,该工程台阶上面是高地,而台阶踢面石材板的接缝处有长期流水的白色痕迹,据此可推断,回填土表面以下,也会有高地的水不断渗入。

地下水水位的天然变化是区域性、季节性渐变的,而且变化幅度较小。但是,由人为因素引起的局部地下水位升降的幅度和速度往往大于天然变化,它对岩土工程的危害更为严重。

1)若水位在基础压缩层范围内上升时,软化地基土,使其强度降低、压缩性增大,建筑物可能产生较大的沉降变形。

2)斜坡岩土体产生滑移、崩塌等,主要发生于风化作用强烈的丘陵台地区。

3)崩解性岩土软化、崩解,岩体结构破坏,强度降低,压缩性增大。主要发生于风化残积土及强风化岩地区。

4)导致粉细砂及粉土被水饱和呈松散状态,可能产生流砂、砂土液化等。主要发生于第四系全新统冲积、海积松散粉细砂层中。

5)可能造成地下洞室内充水淹没,基础上浮,使建筑物失稳。

6)在湿陷性黄土地区,当地下水位上升时,岩土体中的可溶盐类被溶解,黄土特有的粒状架空结构遭到破坏,强度降低,在自重或附加压力作用下,会发生突陷变形,使基础产生不均匀沉降。如潞安矿区一综合楼,施工前因没有搞清场地地下水位的变化幅度,地基处理措施不当,雨季时地下水位显著上升,黄土层发生湿陷变形,导致基础产生不均匀沉降,最大下沉量达25cm。

7)在膨胀土地区,地下水多为上层滞水或裂隙水,随着季节水位的变化,可使膨胀性岩土产生不均匀胀缩变形,而当地下水位变化频繁或变化幅度较大时,会使得岩土体因多次膨胀收缩或胀缩幅度较大,引起建筑物基础出现不均匀沉降、变形甚至开裂破坏。

8)在寒冷地区,地下水位升高,由于冻结作用,岩土中的水分往往迁移并集中分布,形成冰夹层或冰锥等,使地基土产生冻胀,地面隆起、桩台隆胀。西南某高填方工程^[2] ,海拔4 230m,由于填筑体水平排水层失效,致使填筑体内富集了大量的上层滞水,沿填筑体边坡长时间缓慢渗出。渗出的水及边坡体一定厚度内地下水在春、秋和冬季结冰,在春、秋和夏季融化,反复冻融,造成了边坡及护坡结构破坏。

地下水位的降低多是由于人为因素造成的,如集中大量抽取地下水、采矿活动中的矿床疏干以及上游筑坝、修建水库截夺下游地下水的补给等。地下水位过大下降,常常诱发地裂、地面沉降、地面塌陷等地质灾害以及地下水源枯竭、水质恶化等环境问题,对岩土体、建筑物的稳定性和人类自身的居住环境造成很大威胁。

在建筑工程的地基内,若水位在压缩层范围下降时,岩土的自重应力增加,可能引起地基基础的附加沉降,如果土质不均匀或地下水位的突然下降也可能使建筑物发生变形破坏。

改变排水通道和路径主要发生在施工场地在坡地上,当建筑物建在山坡上,基坑的开挖会切断原来的排水通道,改变了地下水的排水路径。例如内蒙古某项目,建筑物建在坡上,原排水通道为地表径流和岩石裂隙的渗流,基坑开挖后,原排水通道被人为改变,坡上的水会顺着基坑开挖面流入坑底。而根据勘察报告提供的资料,最大勘探深度35m,未见地下水。简单的看勘察报告,设计和施工都不用考虑水的影响。实际上,由于排水通道改变,坡上的水汇入坑底,可能造成施工期间的地下室上浮,还可能由于坡地水的长期汇集,造成积水,引起建筑物整体上浮、基础底板开裂等地基基础工程事故。类似的地基基础工程事故在我国多有发生。

如某工程位于山东省泰安市泰山脚下,地上3层,地下1层,地上为现浇钢筋混凝土框架结构,基础为钢筋混凝土梁板式筏基^[3] 。场地为强风化岩石地基,在地质勘察和基坑开挖验槽时均未发现地下水,故设计中未考虑地下水的影响。可基坑回填完工1个月后,地下室基础梁微裂缝和顶板、顶梁产生多条裂缝。通过开挖地下室周边回填土,发现地下水位高于基础底板3.9m,故基础梁及顶板裂缝由地下水浮力所致。地下水发生变化的原因主要是,工程施工前,雨水可以从地表自由排走,渗入强风化基岩的水量较小,故场内无地下水分布,而基坑施工后改变了原场地的排水通道,雨水汇入基坑内,而基坑周围为不透水的岩层,坑内汇集的雨水逐渐升高产生水浮力。

承压水常常引起地基基础工程事故,其中发生概率最高的是基坑工程。

在一些地区开挖深基坑时,常会遇到承压水,由承压水引起的基坑失稳风险包括以下2种类型。

是指在基坑底部存在承压水时,随着开挖的进行,含水层上覆坑底土层厚度逐渐减小,当存在局部超挖或勘察孔在隔水层封堵方面存在问题时,隔水层常被顶穿,地下水涌入坑内,伴随坑外地表下陷的现象。一般基坑突涌有3种形式:(1)基底顶裂,出现网状或树枝状裂缝,地下水从裂缝中涌出并带出下部土颗粒;(2)基坑底发生流砂现象,从而造成边坡失稳和整个地基悬浮流动;(3)基底发生类似“沸腾”的喷水冒砂现象,使基坑积水,地基土扰动。图8为上海某项目因承压水造成基坑支护失败的照片。该项目基底下存在承压水,基坑支护采用地下连续墙内支撑体系,止水采用悬挂式止水帷幕。基坑开挖到底后,首先在桩侧出现冒水泡的现象(见图8a)。虽然采取降承压水等措施,但很快桩间土发生类似“沸腾”的喷水冒砂现象(见图8b)。由于过度抽取承压水,对周围地铁正常运行的沉降产生影响,降水被迫停止,基坑积水(见图8c)。由于基坑突涌,该项目直接经济损失超过1亿元。

当粉土、粉砂层处于基坑侧壁或基坑底部附近,没有帷幕、帷幕深度不能满足渗流稳定要求或帷幕有漏点时,可能形成流土、流砂。承压层上部过渡层中的粉土、粉砂层,即使在降低地下水位的情况下,如果过渡层土的垂直向渗透系数较小,其水位下降明显滞后于抽降层位的水位下降,若含有较厚的黏性土夹层,降水很长时间后,过渡层中还存在具有承压性的层间水。如果出现渗流破坏、处理不及时,其发展速度较快,容易形成恶性事故。流土、流砂对基坑边坡及周围地面、已有浅基础建筑具有极强的破坏力,在几个小时或1~2d里,由于局部地层掏空引起上部土层下陷,导致建(构)筑物地基破坏。另外,在粉土、粉砂层中施工锚杆时,如果锚孔孔壁保护措施不能防护砂层中的承压水,使承压水沿锚孔流入基坑,并形成流土、流砂,将导致周边建筑物大量下沉。

周红波^[5] 收集了27个深基坑工程承压水风险案例,并进行了风险原因的统计,如表1所示。

由表1可知,深基坑工程承压水风险中,坑底突涌风险事故所占比重较大,且显著大于围护结构漏水、流砂引起的风险事故。承压水风险与隔水帷幕深度、围护结构形式、承压含水层面覆土厚度等有关;灌注桩+水泥土隔水帷幕围护结构形式发生围护结构漏水、流砂风险的相对概率较大,达到50%,显著大于地下连续墙围护结构形式;在隔水帷幕无法隔断承压含水层情况下,出现22例承压水风险事故,明显大于隔水帷幕隔断承压含水层情况;承压含水层顶面覆土厚度<5m时发生围护结构漏水、流砂的风险概率较大。这是因为覆土厚度较小时,基坑抗突涌稳定性不易满足规范要求,因而常采取截水帷幕的处理方式,而当围护结构隔水帷幕进入下层隔水层时,对支护结构的要求更高,承压水风险也主要体现为隔水帷幕渗漏、流砂风险。

对于灌注桩,承压水可能造成桩身质量问题,一些成桩工艺如沉管灌注桩、后插钢筋笼压灌桩,钢管上拔速度过快引起的承压水的涌入,造成桩体混凝土破坏,如图9所示。

为避免或减少由地下水引起的地基基础工程事故,需要勘察、设计、施工和建设单位高度重视,需注意以下几点。

1)当勘察报告结论没有地下水时,应正确分析施工、使用期间是否存在对地下水有不利影响的外来水源,并采取必要防范措施。

2)地下水的流动可能会造成灌注桩桩身质量、基坑止水帷幕失效、填土地基沉降等问题。

3)地下潜水面发生大的改变时,不论上升还是下降,都可能引起很多地基基础工程事故。

4)基础施工造成地下水排水路径改变时,应分析对地基基础安全的影响。

5)承压水对基坑支护安全影响重大,勘察、设计和施工不当都可能造成基底突涌和围护结构的漏水、流砂问题,进而造成基坑破坏。