土建工程基础施工的重要性

［摘要］土建工程中的深基坑基础在我国具有广泛的应用。为分析地下水对深基坑工程的危害，提出有效的预防措施，本文对土建工程中基坑降水方案设计及降水引发的地面沉降规律进行了研究。首先分析了地下水的主要危害，其次介绍了基坑基础降水基本方法、设计理论，提出了深基坑工程中地下水处理思路。选取了适合本土建工程实例对基坑基础降水方案进行数值模拟，现场实测表明得出了方案有效，为类似工程提供借鉴。

［关键词］地基基础;地下水;基坑;危害

随着我国城镇化建设的发展，为了有效利用土地资源，人们对地下空间发展的需求越来越大，如地下室、地下通道、地下地铁站等，地下空间的发展推动了基坑工程的发展。近年来在大中城市里，尤其是一线城市中，大量的地铁车站、高层建筑以及地下通道都涉及到了深基坑工程［1－2］。深基坑工程的广泛应用，促使人们对于深基坑工程降水的研究，基坑的降水开挖过程，尤其是在地下水丰富的地区，地下水的处理直接影响到了基坑工程的安全。富水地区的地下水位较高，如上海、广州等沿海地区。这些地区开挖基坑时，基坑内外产生的巨大的水头压力差会致使地下水发生渗流运动，甚至可能发生流沙和管涌现象，从而影响整个基坑的稳定性。而随着地下水降水的进行，降水又不可避免的涉及到固结沉降问题［3－6］。目前城市空间十分紧张，基坑降水引起的地面沉降必然影响到周边建筑物，如建筑物的开裂、基坑周围市政管道的爆裂等。因此，如何避免地下水产生的不良影响，对周围建筑产生威胁，带来损失以及影响到工程的施工进度，使建筑工程的安全性和施工质量都能够有所保障将是日后我们需要清楚了解和探索的方向［7－8］。

1地基基础工程中地下水主要危害

1．1地下水埋藏分类。按埋藏条件地下水可以分为上层滞水、潜水与承压水三类。上层滞水没有稳定的补给源，不是基坑施工考虑的主要问题。潜水一般位于地表以下第一个拥有自由水面的含水层中，以大气自然降水的补给为主，对基坑施工的危害不大。承压水是指两个稳定隔水层中的地下水，其最重要特征就是具有承压性，性质及形态比潜水稳定。当开挖到一定深度时，承压水对工程的影响是最具危害的，是地下水处理的主要对象。1．2土建工程基础施工的重要性。我国高度重视基础设施建设。土木工程的基础施工必须按照更严格的模式进行，否则会造成很大的疏漏和挑战。结合以往的工作经验和目前的工作标准，土木工程基础施工的重要性主要体现在以下几个方面:第一，在土木工程基础施工过程中，可以为今后的工程施工提供更多的帮助。例如，在一些地方的小型土木工程建设中，由于缺乏对基础建设的重视，很难达到良好的水资源利用效果，不仅在短期内造成了严重的经济损失，土木工程的保护还不够，导致更大的安全风险。二是在土木工程基础施工过程中，及时发现问题和不足，选择正确的解决办法，为今后的工作提供更多的保障。1．3基坑地下水主要危害。1．3．1渗透破坏。渗透破坏是指土壤颗粒在渗流作用下的局部运动或损失，导致土体变形和失稳。在基坑工程中，主要表现为流沙，管涌和潜在腐蚀，这些都会影响基坑的稳定性和安全性。当渗流通过松散土体孔隙时，土体颗粒会阻碍水流过孔隙，水流与土体颗粒会产生相互作用的力(渗透压力)，该力方向垂直于土体颗粒的表面。此外，土体颗粒还承受切向渗流摩擦。在渗流压力和渗透摩擦力的共同作用下，土体颗粒会和水流一起滚动或者使其发生整体失稳。1．3．2水压力破坏。图1水压力破坏示意图当基坑中的土壤继续挖出时，当上覆的土壤层不足以抵抗水的压力，挖掘深度达到临界值时，承压水的水头压力会使基坑底部的水和沙子涌出(如图1)。其表现是基坑底部的土壤被隆起，出现裂缝，同时向外喷水和喷砂。与此同时基坑底部充满水，土壤变软，基土失去强度，承压水位降低，并且在基坑外部发生表面沉降。如果底座的不渗透层很薄并且下部有较大的压头，则在达到临界状态后可能会引起隆起和损坏。

2基坑地下水预防基本理论与设计方法

2．1基坑降水的作用。在基坑工程中，采取各种降水举措具有以下作用:(1)便于人员施工，防止基坑坡面和基底的发生渗水现象。(2)在干燥的环境中，可以杜绝基坑中常见的流砂现象，对基坑侧壁和坑底的稳定性有加强的作用。(3)伴随着水位的下降，土体的物理力学指标会相应的得到改善;减小支护结构的变形以改善基坑支护的稳定性和安全性。(4)降低地下水位时，土体会由于孔隙水压力减小有效应力增大发生固结，在这个过程中，土体的抗剪强度增强，并且得到了加固，所以降水也是一种土层加固方式。2．2基坑降水的方法。目前现有的基坑降水方法有很多种，在深基坑工程中应用的较多的是井点降水方法，这是由于深基坑开挖的范围往往到了地下含水层以下。在开挖前，需要把地下水降低到边坡面和坑底以下。在水文地质条件，遇到基坑底下含水层为承压含水层的时候，尤其需要注意，即使上面的潜水含水量极少，我们通常也会采用降水的方法，将承压水抽出，避免渗透水压力差过大，基坑底部发生隆胀和突涌的破坏现象。地下水的降水方法根据基坑开挖时基坑的尺寸和深度、场地地质条件和土的特性，一般有明排水和井点降水两类方案，分述如下。2．2．1明排水法。明排水时基坑中开挖集水井和集水沟，集水沟和集水井组成排水系统。水由集水沟流入集水井，然后水从集水井抽出，随着开挖的进行，集水井和集水沟需要重新施设。2．2．2井点降水。(1)轻型井点轻型井点降水原理是真空作用降水。其可设置多级降水，单级井点降低水位一般小于5～6m，在弱含水层中降水尤其有效。在国内外降水系统中采用最多了就是此类方法，采用轻型井点降水的优点在于，它的井点的间距设置比较灵活，在设置小间距的时候，可以很好的减小滞水层中的水量，并对阻断地下水补给特别有效，对保证基坑壁的土体稳定有明显效果，特别是对小基坑、降低水位不深时尤为适宜，井点系统也可设置多级。缺点在于，占地面积大，设备较多，维护管理复杂。轻型井点的平面布置可由分为环形、U形和线性，这种布置形式是根据基坑的水文地质条件、基坑的平面形状、大小、要求降深等确定。一般布置在基坑的外侧1．0～1．5m。(2)喷射井点喷射井点属于真空抽水的一种，它的工作原理是内部的水流经过高压泵的作用，以极高的速度被喷出，在这种速度下，周边形成了真空环境，在真空的作用下，周围的水流不断的被吸入抽出。此法适用于对降水深度要求较大和含水层是粘土等基坑工程，缺点是降水管网布置较为复杂，工作效率不高，费用较高，人工管理要求高。喷射井点的布置形式和轻型井点相同。(3)电渗井点接通电流后，土中的水由于带正电荷，而土中的粘土颗粒带负电荷，两者移动方向相反，在电渗流和真空抽吸的双重作用下，粘土和水被逐渐分离开来，达到了降水的效果。此法一般适用于难以降水的弱透水地层，如地层中含有渗透系数较小的饱和软粘土或是淤泥、淤泥质土。(4)管井井点管井井点降水是通过机械钻孔打井，从井中不断抽取地下水以达到降水目的降水方法。适用于粘性土以外的各类土，地下水丰富，降水深、面积大、时间长的情况，对于有流沙和重复挖填土方区使用效果尤佳。常用的降水方法及其适用条件如表1所示。2．3基坑井点降水的基本理论与设计原则。以上假设是井点降水设计的基本理论。法国水力学家Dupuit对完整承压井和完整潜水井分别进行了研究，并根据达西的渗流理论，分别得出了不同完整井的流向井的水量公式。流向井中的水量根据降水井的类型、地下水水文地质情况以及降水井的布置情况主要分为潜水完整井、承压完整井、承压－潜水完整井、潜水非完整井、承压非完整井，根据降水井布置的不同情况分为线性圆基坑和形基坑。表2为常见的降水井类型下流向井的水量的计算公式。降水井的布设有坑内降水井点和坑外降水井点布设两种，其适用条件和优缺点，见表3。降水井布设设计步骤主要如下:(1)选取降水井类别和降水井布设形式根据降水的要求(表3)选取降水井的布设，根据土层要求(表1)选取合适的降水井类别。(2)初步确定井深、井距井管总长;(3)按圆形(矩形、不规则形换算为圆形)或线形基坑计算基坑出水量Q;(4)估算单井出水量及单井单位长度出水量q;(5)井点数量(6)水位降低检验

3地基基础地下水处理思路探讨与应用

3．1处理思路探讨。土建工程是建筑工程建造的基础工程，也是影响建筑工程质量的主要因素。随着城市经济的不断发展，我国建筑工程的数量不断增多，土建工程建造也随着建筑工程增加而不断的增加。正因为如此，我国建筑工程遇到的问题越来越多，其中地下水对深土建工程的开挖影响极大，为了土建的施工可以避免由于地下水带来的不便，相关人员应对其作出研究。(1)若开挖过程遇水，则停止开挖，整体站区高程根据现场情况抬高，高度0．5～1m。场平填筑料采用级配良好的砂砾石。场区基础回填砾石要求压实度不小于0．96，分层夯实，每层填筑厚度不大于30cm。(2)站区回填砂砾石后，若局部地面继续出现出水情况，可根据现场实际情况在回填砂砾石层上部铺设25cm厚的C25混凝土垫层，抗渗等级W4。铺设垫层范围为全站区(除主变、事故油池、管理房区域外)，其余电气设备基础可直接坐落于该垫层上，取消原有基础的垫层和换填。基础施工完成后回填土压实系数不小于0．94，最终站区地面坡度应与场平图中坡度一致。最终地面高程以实际情况为准。(3)条形基础若场址区有地表水出露，施工前应采取降水措施确保干地施工，清除基础位置处的表层松软淤泥，使基础坐落在砂砾石层上。(4)灌注桩若施工过程中遇到塌孔或孔内有水应采用套筒、水下混凝土浇筑等施工工艺。(5)对于地下水位较深且持力层为砂砾石或块碎石土的的地区采用钻孔灌注桩基础的形式。对于地下水位较浅的湿地、草甸地区，土质松软，不易成孔，则采用PHC管桩基础。(6)箱型浅基础:若开挖过程遇水，则停止开挖，以遇水面高程以上100mm为基底高程进行基础施工，确保基础总高度不变的前提下，对箱变四周地面进行填高处理，回填处理范围:平面超出基础四周各2m，高度确保回填土上表面距基底不小于1．2m，回填土与周围自然地坪斜坡过渡，回填土压实系数不小于0．94。3．2工程数值模拟与应用。以上海黄浦江附近某建筑物为研究背景，研究区地基土均为第四系松散沉积物，物理力学性能较差。施工场地浅层为滩涂土，由古黄浦江形成。承压含水层在施工现场不连续分布，显著增加了排水难度。基坑内地下水的主要类型为浅层粘土含水层中的无承压水、浅层含水层2的第一承压水和深层含水层中的第二承压水。第2层和第2层的测压头埋深分别为8．10～8．90m(高程－3．40～4．20m)和8．07～8．58m(高程－3．37～3．88m)。根据有限差分法(FDM)进行模型计算。范围设定为2000×2000m，共有89行146列。各单元的初始水头由现场观测结果求得。模型的边界条件定义为一个恒定的头部边界，地下连续墙被定义为不透水边界。为了避免由于承压含水层中的水压引起的开挖底板的抬升，基坑底板对承压含水层顶板的压力必须大于承压水的升力。根据地质调查，在不利条件下，2层测压头埋深为7．00m(高程4．70m)。开挖时，为便于施工，埋置测压头应在底板以下1m以上。基坑底板的稳定性可以计算如下∑H•γs≥Fs•γw•h(1)其中H是从基坑底板到承压含水层(m)的顶板的距离;γs是计算域(kN/m3)中土体的单位重量;h是承压水的压头与承压含水层(m)的顶板的距离;γw是水的比重量(kN/m3);Fs是安全系数，在本计算中定义为1．1。各开挖深度降深要求计算结果见表4。根据降水要求和以往经验，将需要降水的开挖场地划分为三个小区域。地下水流动与地面沉降的数值模拟这三个区域分别计算。为了保证计算结果的一致性，数值模拟采用了离散化的反分析网格。(1)一区:QJ1－QJ7抽油井运行120h，抽完后一区测压头轮廓线如图2所示。坑内测压头高度小于－13m，是测压头控制要求的两倍以上。选取距计算区域5m的8个点进行沉降计算。计算结果表明，大部分计算点的地面沉降均超过控制要求。因此，应提供额外的处理，以保护周围环境。图2一区测压头轮廓线(2)二区:QJ23－QJ26泵井运行120h，二区泵后测压头轮廓线如图3所示。降水区测压头高程小于－10m，超过了测压头控制要求。选取距计算区域5m处的6个点进行沉降计算。计算结果表明，大部分计算点的地面沉降均超出控制要求。应提供额外的处理措施以保护周围环境。(3)三区:QJ8－QJ22泵井运行120h，三区泵后测压头轮廓线如图4所示。除QJ13外，抽水后排水区内测压头高程满足控制要求。在检查了所有可能的因素后，在岩土工程勘察报告中发现，破坏是由于QJ13周围地层分布不正确造成的。过滤管安装在不透水层内。通过提高滤水管进入承压含水层的高度，修正了误差。上述降水计算结果表明，该降水方案是合理的。但整个降水区内测压头高程均大于控制要求，导致降水区外沉降较大。在工程实践中，需要较少的抽油井来满足降深要求，并且多余的井可作为储量。应加强对周围环境的监测，并为基坑外的超量沉降准备额外的处理措施，如补给。

4结语

本文介绍了地下水埋藏的分类情况、基坑降水的作用，以及可能会产生的不良现象，并对目前已有的降水设计方法及其适用条件做了系统的介绍基坑降水工程是一项复杂的工程项目。每一个特定的基坑场地降水都有其工程与水文地质条件，必须根据不同的地质条件和降水要求选择经济、安全、合理的降水方法。基坑降水设计中，降水试验是必须做的，通过降水试验对降水设计的参数提供参考设计依据，并能对数值模拟试验提供必要的合理参数，从而进一步减小基坑降水方案的设计误差。

作者:李欣哲 单位:甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司