地下水对基坑工程的影响分析

　　提要：本文叙述了地下水对基坑的影响并对其作了简要的力学分析。
　　关键词：地下水、基坑、渗透
　　1、前言
　　随着城市化进程的快速度推进，地下停车场,人防地下室、及地下车站、地下商场、地下仓库以及多种地下民用和工业设施等地下空间正被开发利用，并且规模和深度不断加大。我国近年来在各城市兴建了大量的高层建筑常附带各种地下设施,由此需处理大量的深基坑工程。
　　基坑工程是一个实践性很强的岩土工程，迫切需要理论来指导、充实和完善。关于基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周围建筑物和地下管线等的影响的计算分析，目前尚没有准确地得出定量的结果，但是，有关地基的稳定及变形的理论，对解决这类实际工程问题仍有非常重要的指导意义。
　　基坑工程同时还是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中的强度与稳定问题，又包含了变形和渗流问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。例如，在城市改建时，深基坑开挖不仅要保证基坑的稳定，还要满足变形控制的要求，以确保基坑周围建筑物、构筑物、地下管线和道路等的安全。这不仅有赖于有限元等现代分析工具，还有赖于土体参数测定和选择的正确性，将室内试验与现场测试结果相结合才能较为满意地解决这一课题。对这些问题的认识及其对策的研究，随着土力学理论、计算技术、测试仪器以及施工机械、施工工艺的发展和进步逐步完善。因此，完善基坑工程的设计理论和施工技术等已成为建筑、市政、水利等行业地下工程建设中的一个急待解决的重要工程技术问题。
　　岩土体在水的作用下常常导致岩土体自身的工程性质的劣化，在这种情况的出现又可能进一步导致岩土工程项目的失败，造成严重的后果。这种效应几乎都与地下水有关系，可以统称岩土体的水损伤效应。在基坑工程中存在人类动力、岩土体应力与地下水之间的相互影响，相互作用和耦合作用等问题。据统计60%以上的基坑事故直接或间接与地下水相关。因此研究水对基坑失稳的的理论研究以及对实际支护进行指导都有十分重要的作用。
　　2、水对岩土体的作用。
　　地下水是一种重要的地质营力，它与岩土体的相互作用，一方面改变着岩土体的物理、化学和力学性质，另一方面也改变着地下水自身物理、力学性质以及化学成分。一般说来地下水对岩土体有三种作用，即物理作用（润滑作用、湿软化作用，泥化解作用，结合水的强化作用），化学作用（离子交换、溶解作用、水解作用、溶蚀作用），力学作用（包括孔隙静水压和孔隙动力压力）。地下水岩土体相互作用影响着岩土体的变形和强度。
　　地下水作为地质环境内最活跃的成分，对岩土体的力学性质的影响不可忽视。主要体现在三个方面：1）地下水通过物理、化学作用改变岩土体的结构，从而改变岩土体的C、￠值的大小；2）地下水通过孔隙静水压力作用，影响岩土体中的有效应力，从而降低岩土体的抗剪强度。
　　3、水与土钉相互的作用
　　在土钉支护工程中，水对土钉墙的作用不仅有水土作用，还表现为对土钉体的作用，即由于水的存在造成钉土间粘摩阻力的降低甚至完全丧失。土钉体为支护结构中的加筋体，一方面通过土钉体的抗拉锚固体用对土体产生约束作用；另一方面土钉在支护体中担任骨架，将不同部位的土体联接成一个整体的共同作用，增加了土体本身的抗剪能力。土钉对土体的以上加筋锚固作用主要源于土钉体表面与土体界面接触粘结力与摩擦阻力。
　　土体含水量的变化直接影响土钉赋存工作环境的变化，含水量的大小直接影响了钉土相互作用机制，从而对钉体产生作用。
　　混凝土或砂浆凝因后，是一种多孔性的材料，其内部具有许多毛细孔与微裂隙，这些孔洞对水有强的吸附作用，在其孔隙及周围土体中形成相对富水区。而且土体孔隙中的水也同样具有吸附作用，在含水量高土体中，地下水将在土钉体表面形成一层结合或粘结水膜。水膜类似壳体结构紧紧包裹在土钉体的表面，成为一种隔离体将土钉外表面与土体界面分离开，钉土界面的无接触使二者接触粘结力迅速降低甚至完全丧失；同时水膜具有很强的润滑作用，这就使钉土间的摩擦力也大为减少。钉土界面接触粘摩阻力的降低或丧失使钉体的锚固约束作用及骨架联接作和减弱，土体的抗剪能力及自稳能力也随之下降，整个支护结构的整体性与支护作用被破坏。
　　从土钉支护特殊的支护机量可知，土钉在土体中充当骨架并对坡体土体产生锚固作用。这两种作用都源于土体本身的强度和土体与土钉间的粘摩阻力作用。
　　静水压力作用增加了土体及支护结构的荷载；渗透作用不仅对土体产生渗透力作用增加支护荷裁，而且由于渗流与冲刷带走了土体中的粗骨粒，造成土体孔隙比增大与抗剪强度的降低；软化作用造成支护体失稳的机制可以概括如下：水土作用降低了土体的抗剪强度，在外力、主动土压力与渗透力作用下，坡体土体内部首先出现微裂纹，且裂纹有增大贯通趋势，土体随之发生微小位移。这种微位称的发生使主动支护性质的土钉的锚固力得以发挥，但由于基坑的空间效应及相对富水区部位不同影响，不同部位的土钉受力不均匀，土钉的不同部分受力也有很大区别；且由于土体抗剪强度降低使得土钉也将发生微小位移。钉体的位移影响了其在土体中的骨架与锚固作用。这就使土体中的微裂隙进一步增大并开始贯通，土体的位移也变得越来越大，受其影响；土钉的位移量不断增大。土体微裂隙的贯通与土钉体骨架锚固作用的降低相互促进，使得支护体的整体形式逐渐恶化，最终导致支护结构失稳。
　　土钉对土体的锚固抗拉作用主要源于钉体与土体界面之间的接触粘结力与摩阴力，这种接触粘摩阻力的丧失。所以，在外力及主动土压力作用下，由于水钉作用造成土钉墙体的破坏的破坏将呈现出这样一种机制；土钉在坡体土体的初始微位称下，锚固作用逐渐发挥，坡体位移趋于稳定，但水的不断介入使土钉与土体界面间接触粘摩阻力不断降低。土钉锚拉抗力降低首先造成然体的松动或微量位移，接着土钉位移造成移动区土体与钉体复合作用降低。土钉墙整体强度在该区减弱，形成软弱松动区，且由于土钉锚拉作用降低使土体分担的外荷载增大，坡体土体内部在软弱区产生微裂缝逐渐恶化，软弱松动带内宏观裂隙最后形成支护体的滑动面，最终导致支护体破坏。
　　4、基坑水作用的影响因素
　　在分析岩土体工程中的水破坏效应时，必须要考虑破坏效应的强度，研究水破坏效应对工程的危害程度，以便采取有效的措施保证工程的安全。一般来说，水破坏效应的强度取决于多个方面，所以在设计时要充分考虑，权衡轻重。
　　（1）岩土的物理化学性质；一般的岩土体都具有遇水软化的特点，在与水作用后，岩土体的抗剪强度指标C和￠会有较大幅度的降低，危及工程的安全。这方面主要是一些对水损伤比较敏感的一类特殊的岩土体。
　　（2）渗透强度、持续时间及类型：水的入渗透引起坡体稳定性降低的主要机理：在渗透时间相同的条件下，渗透强度愈大，斜坡安全系数与何持极端渗透强度的渗透持续时间呈现比较复杂的关系，在一定的条件下，当饱和渗透持续时间的增加而降低，并在某个持续时间达到最低值，然后随着渗透持续时间的增加而增高，但饱和渗透系数等于该值时，安全系数则随持续时间的增加而单调的下降；平均渗透强度及渗透持续时间都相同时，渗透强度愈均匀对斜坡安全稳定性愈不利。同时需要注意的是，在基坑开挖支护中，某些管道的渗漏有时候比渗透更具有危险性不可预测性。（3）排水模式：采取工程排水，坡体稳定系数随排水率的增加均匀增大；如果坡体自然排水，最初坡体稳定系数随着排水率的增加而缓慢增加，随后稳稳定系数增加幅度逐渐增大。防渗保护层对维持斜坡的稳定性具有很重要的作用。但如果防渗保护层存在渗漏，即便少量水的入渗也会导致安全系数显著下降。
　　（4）裂隙对水损伤效应强度的影响：由于膨胀土饱和渗透过程中，土体含水率增大，强度降低，造成坡体安全系数大幅度下降。在分析坡体稳定性的时候，根据实际情况是否考虑裂隙的影响是一个关键的问题。
　　（5）阻水层及土体渗透各向异性的影响：坡体浅部存在阻水层时，会对稳定性产生不利影响，其影响程度取决于阻水层的埋深与厚度之比d/t；当渗透强度与饱和渗透系数比较接近时，在渗透强度与持续时间均相同的条件下，渗透系数愈高者安全系数下降幅度也越大，当渗透强度远低于渗透系数时，渗透数较低者，安全系数下降幅度也越大；各向异性渗透系数比kx/kz愈高，初始浸润线位置也愈高，水的入渗对斜坡稳定性的不利影响也愈大。
　　5、结论
　　纵观目前大量的研究成果，不管岩土体失稳破坏与水的作用过程有多么复杂的物理化学效应，从总体表现上来看，本质上是一个力学过程，发生在失稳与破坏中的许多现象，如：开挖效应、渗流作用、支护措施等都是力学现象。这些必然受到力学规律的失控制，可以用相关的力学定律来研究。因此可以认为，岩土体的失稳破坏都是在人为开挖或某种自然因素的扰动激励下，受到岩土体内部应力和地下水共同作用而导致岩土体的破坏，并伴随着坍塌等现象。这一系列变化都是受到各种力的作用引起的。因此由于水的作用引起的失稳破坏在总体上可以归结为力学问题来研究。
　　参考文献
　　【1】林宗元，《岩土工程勘察设计手册》，辽宁科学技术出版社，1996年3月