地下水对建筑基础设防水位设计的影响分析（魏海燕,孙保卫,张在明）

摘要：超补偿基拙抗浮设计问题已成为影响结构设计和工程投资效益的难题之一。通过工程实例的分析, 介绍合理确定超补偿基础抗浮设防水位和地基土中孔陈水压力的有效方法。

关键词：地下水 孔陈水压力 抗浮设计水位

城市建设的高速发展带动广场式(Plaza)复合体建筑群和地下空间的利用, 场区占地面积大, 地下室层数多, 基础埋深大(20m以上增多, 北京局部埋深已达40m左右)。其中的低层裙房和纯地下车库基础往往处于超补偿状态,基础抗浮设计问题已成为影响结构设计、工程投资效益和工期的难题之一。在岩土工程师和结构工程师的重视和广泛关注之下, 新修订的《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)中第4.1.13条规定:“工程需要时, 详细勘察应论证地基土和地下水在建筑施工和使用期间可能产生的变化及其对工程和环境的影响, 提出防治方案、防水设计水位和抗浮设计水位的建议。”

目前在结构设计中合理确定基础抗浮设计水位比较困难, 主要原因之一是有关的设计规范规程中未提出明确的设计标准或设计依据, 在具体应用时还存在很多问题, 而孔隙水压力分布采用传统方法计算的结果与实际情况有一定差异, 由于不同地区的地层土质差异大且地下水的动态变化特性使孔隙水压力分布规律的研究和统计变得异常复杂。

综上所述, 合理确定建筑结构设计中的基础抗浮设计水位非常困难, 但又非常重要, 是关系到工程质的关键问题。本文结合相关研究成果和多年工作经验通过工程实例的分析, 介绍合理确定超补偿基础抗浮设防水位和地基土中孔隙水压力的有效方法。

1 存在问题及解决方法

对于超补偿结构建筑物, 不同深度上孔隙水压力的取值问题是建筑结构设计时验算地下室外墙承载力关键。

目前规范中涉及到的水压力计算方法, 是依据静水力学理论, 计算公式为P=γw h(其中P为某计算点水压力, γw为水的比重, h是某计算点至水面的高度)。实际上是自地下水位为零的深度开始计算, 即深度每增加1m,单位面积上的水压力相应增大10kPa。工程实践表明, 利用这种方法计算的结果与透水性好的砂卵石层中的实测数据比较接近, 而在北京地区浅层普遍分布的透水性相对较弱的钻性土层和粉土层中, 实际地下水压力沿竖向的分布规律并不是简单的随深度线性增长的规律, 对于这类地层组合情况, 按静水力学理论公式计算出的水压力值比实际值明显偏大。

这种传统采用的水压力计算理论是对实际孔隙水压力作用的一种简化, 计算结果将不可避免与实际情况存在差异。特别是对于建筑基础影响范围内存在多层地下水情况,这种计算方法所得出的深部私性土层中的水压力偏大很多,明显不符合实际情况。

地下水的运动特性决定了地下水位高度的随机动态变化性, 特别是在北京等城市化问题突出的大城市, 地下水位受人类活动影响显著, 多年年均水位呈不规则的高低变化。

例如, 从北京地区水文地质背景研究和多年地下水位动态监测情况看, 受人类活动的影响(主要是过量抽取地下水和阶段性放水回灌等), 北京西郊某些地段当前水位已经达到近3-5年最高水位, 并有继续上升趋势;而东郊某些地下水集中开采区, 水位自20世纪60年代以来已经持续下降了20多m, 其未来恢复到历史最高水位或近3-5年最高水位的可能性很小。上述标准在不同地区应用时可能会出现高风险或过于保守等情况。

上述分析表明, 如何解决合理确定超补偿基础抗浮设防水位取值(或基底处实际水压力值)的问题, 有待于针对地下水问题进行专门深入的研究分析。需要综合运用土力学和水文地质学原理的定性研究与定计算相结合的方法。本次采用的工作方法:进行工程场区地下水位和孔隙水压力的监测, 并科学、合理地分析工程场区及其所在区域的工程地质、水文地质条件、地下水位的动态变化规律以及可能存在的自然和非自然影响因素, 确定现状孔隙水压力分布, 在此基础上采用有限单元法模拟预测未来孔隙水压力分布规律, 综合分析确定基础抗浮设防水位, 并应用于实际工程的结构设计中。

多项工程实践证明, 该方法不但能满足合理确定基础抗浮设防水位的需要, 而且能使地基承载力、地基整体稳定性以及地基变形等问题的计算分析更加趋于合理。该方法不但可以解决单一地层条件的设防水位取值预测问题, 还可以处理复杂场地的水压力在横向上的变化情况。

2 工程实例

2.1 工程特点及其问题

中关村西区位于北京市海淀镇, 总占地面积达54.11hm2, 为北京市高科技产业中心及产品的销售集散中心, 是北京市重点工程。管廊部分全长约1.5m, 主(环形)管廊(地下3)层基础埋深10-12m, 支管廊及地下空间开发(地下2层)基础埋深7-9m, 整个工程的基础标高变化大(38-42m), 埋深大, 且均为纯地下部分, 存在明显抗浮问题。

根据场区基础设计条件和地层、地下水分布状况(见图1), 场区地层横向上变化大, 特别是埋深在地表以下约10-17m深度范围内的场区第1层砂卵石层由南向北厚度逐渐变薄, 并在场区中部尖灭, 对地下水斌存形态及工程特性产生重大影响;场区地表以下30m深度内主要斌存3层地下水, 台地潜水、承压水在场区普追存在, 并具有较好的规律性, 而层间水分布与地层结构及粉土地层分布位置有关, 分布规律较复杂。据此, 将场区分为Ⅰ区和Ⅱ区:Ⅰ区包括场区南部, 普遍分布有厚度不等的砂卵石层(第1层), 除台地潜水和承压水外, 区内局部埋深17-18m的粉土层中可测到层间水;Ⅱ区分布于场区的中部和北部, 第1层砂卵石层缺失, 分布有3层水,即台地潜水、层间水(不同深度处饱和的粉土层都能测到)和承压水。

拟建管廊和地下空间基底基本座落于层间水含水层附近, 基础抗浮设计水位受层间水控制, 但考虑到地下水在垂向上的渗漏联系以及承压水与区域地下水的密切关系, 不仅分析和预测场区台地潜水和承压水水位的上升趋势和上升幅度, 更要研究第1层砂卵石层对层间水及地层中水压力的影响, 以及由此而造成的Ⅰ、Ⅱ两区水压力分布的差别。

2.2 最高地下水位及水压力预测

根据上述分析, 首先, 通过收集和分析区域地下水位动态变化的影响因素和区域地下水与场区的关系, 根据地下水信息系统查询出场区近50年来台地潜水的最高水位,重点对与区域地下水有密切联系的承压水进行动态变化因素分析和影响程度计算, 并预测出在各种最不利因素组合共同作用下承压水可能达到的最大水头高度(场区范围有变化)。

为全面分析地下水原来横向、纵向的变化情况, 根据地下水的渗流理论以及工程场区的地质与水文地质条件建立模型。由于本工程场区地层结构差异较大, 对第1个卵石层进行特别处理, 即使该层之下的钻性土层和粉土层在离场区一定距离处尖灭(该点为原点), 并保证卵石层与承压水含水层相连通, 场区物理模型如图2所示(局部)。棋型考虑到介质不均匀性(横向上)产生的二维流影响, 根据现状和预测的台地潜水和承压水水位标高作为边界条件,在现场试验的基础上确定各含水层的水文地质参数, 进而模拟出不同位置和不同深度处的水压力大小。

本工程场区涉及范围较大, 已预测的台地潜水和承压水最高水位标高在场区有较大差异, 为了全面确定工程场区地层中水压力分布状况, 从西向东计算了南北向的3条断面(地下水压力沿垂向的分布曲线如图3), 据此计算出不同基底标高处的水压力值。为进一步考察场区范围内不同地段基底标高附近水压力分布受到第1个卵石层的影响而产生的变化, 作出中间断面上的某标高位置处的水压力横向分布曲线(现状和预测对比如图4), 可以发现, 在Ⅱ区和Ⅰ区的交界处, 水压力变化非常明显, 发生水压力陡降的范围主要在Ⅱ区, Ⅰ区中离开交界线50m左右以后,水压力降低就趋于平缓。在不同断面作出的横向水压力曲线均具同样的变化规律。

通过以上分析和计算, 并考虑到计算模型的简化所带来的误差, 建议本工程场区基底处水压力如表1。

3 结语

(1)目前, 地下水对复杂广场式建筑和地下空间开发的影响已经得到岩土工程师和结构工程师的高度重视, 并在相关规范中得到体现, 但定量的计算和评价方法仍是制约该问题解决的瓶颈。

(2)本文中根据研究成果和工程经验总结的设防水位及孔隙水压力分布预测方法, 经工程实践证明, 可以合理并有效解决目前基础结构设计中的难题, 并已经取得了可观的社会效益和经济效益。多项工程采用相应咨询成果后, 不再需要采取措施或通过适当压重、加大板厚等简化了结构设计方案(取消抗拔桩)。例如某工程采用该方法确定的基础设防水位后, 工程投资节约1500万元；另一工程取消了原来的抗拔桩方案, 仅此一项即减少250万元工程投资。

(3)上述方法有效地解决了简单和复杂工程场区的地下水问题, 并总结出一定的规律, 但仍有很多问题需要深入分析, 如影响地下水因素的不确定性分析、风险评价等。

参考文献

1 中华人民共和国岩土工程勘察规范[S].（GB 50021-2001），2002.

2 Freeze R.A.Ground Water,Prentice-Hall Inc,1979.

作者简介：魏海燕（1973-）, 女, 高级工程师。

来源：《北京水利》2005年第2期