2010年第1期(总第91期) 华东建工勘察 5 岩土工程中水的作用与

2010年第1期（总第91期） 华东建工勘察 5岩土工程中水的作用与影响陈家冬江苏地基工程总公司【提要】 论述了岩土工程中水的作用与影响，分别针对地基基础、桩基工程、地基处理、深基坑支护等不同岩土工程领域内水的有利作用与不利作用提出了看法，并指出保护与合理利用地下水是今后岩土工程中的一个非常重要的原则问题。

【关键词】岩土工程 水的作用与影响 合理利用 地下水1 概述多年来，岩土工程由于地下水的影响，导致工程失败的例子已经举不胜举，越来越多的工程师已经认识、体会到地下水的处理妥当与否直接决定了工程的成败，因此，充分认识岩土体中水的物理力学特性以及其对岩土体物理力学性质的影响显得尤为必要。

在岩土体中地下水的赋存形态可分为强结合水（吸附水）、弱结合水（扩散层水）与自由水三类。

强结合水是受电分子吸引力作用吸附于土粒表面，其密度比普通水高1倍左右，可以抗剪，但不传递静水压力。

弱结合水是结合水膜中除强结合水以外的水，受到吸力较小，这部分水是粘滞体状态，抗剪强度较小，在受荷载状况下变形所需时间较长，在外来作用较强时会脱离土粒。

弱结合水对粘性土的影响最大，它的存在是土体在某一含水量范围内体现出可塑性的主要原因。

砂土可以认为不含弱结合水。

无论是强结合水还是弱结合水都会因蒸发而由土中逸出。

自由水处于土粒的电分子吸力以外，受重力法则控制，不能抗剪。

自由水又分二种，一种叫重力水，位于地下水位以下，仅受本身的重力作用而运动；另一种称为毛细水，位于地下水位以上，基础中的防潮层就是为了阻止毛细水上升而设置的，在低温度地区毛细水的上升会引起基础的冻胀现象出现。

根据地下水的埋藏条件，地下水可分为上层滞水、潜水、承压水、裂隙水、岩溶水等多种。

上层滞水——直接受当地大气降水或地表水补给，水量随季节变化，雨季出现，旱季消失，极不稳定。

潜水——埋藏在地表以下第一稳定隔水层以上的具有自由水面的重力水。

潜水主要有大气降水、地表水和凝结水补给。

当承压水与潜水有联系时，承压水也可补给潜水。

承压水——承压水是存在于两隔水层间的有压地下水，由于压力影响，开挖基坑时能使地基土层产生隆起现象。

裂隙水——埋藏在各种岩石裂隙中的地下水，主要补给是大气降水和地表水，会引起地区的地下水条件改变，发生涌水事故。

岩溶水——埋藏在可溶性岩层地区岩溶裂隙和溶洞中的重力水。

这类水可以是上层滞水、潜水或承压水。

岩溶水的补给直接来自大气降水和地表水。

6 陈家冬：岩土工程中水的作用与影响 2010年第1期（总第91期）在岩土工程中水的作用与影响如此之大，以至于在土力学中，土中含水量指标是三个基本指标之一，不论研究有效应力原理还是固结排水，研究土的基本性质都离不开研究土中水的含量及水与土结合的状况。

土中的含水量及水与土结合的状况对土的物理力学指标起着关键的作用，从而对地基基础工程、桩基工程、地基处理以及深基坑支护都有很大有利或者不利的作用与影响。

2 地基基础工程中水的作用与影响2.1 水对地基土的强度的作用与影响地基基础顾名思义就是埋入自然地坪以下的建筑物基础，它是建筑结构的组成部分之一。

土中水的存在影响着土的物理力学指标，改变着土的微观结构形态土颗粒之间的相互作用，是影响地基基础的内因；同时地下水也会改变土的强度承载力性质指标，可用有效应力原理（1）和摩尔-库仑定律（2）简单解释。

u +='σσ （1） c +=ϕστtan ' （2）孔隙水压力上升时，土的有效应力减小，抗剪强度降低，承载力相应减少，而地下水下降时则反之，所以地下水是影响地基基础的外因。

尤其当地下水位上升较高时，可直接导致地基土软化，坍塌，丧失强度，最终只能进行处理或者换填，如图1所示。

在实际设计中也体现了这一点，如《建筑地基基础设计规范》中的公式：f a =f ak +ηb γ(b-3)+ηd γm (d-0.5)中f ak主要是地基土本身的承载力指标，实际上这一指标与土中水有着很密切的关系，而γ及γm 又与地下水的深度位置有着很大关系，若地下水位高于基础的埋深，式中γ与γm 的值会低些，则经宽深度修正后的地基承载力特征值也会低些。

同样，从地下水位的角度来看，基础浅埋效果会好些，尤其有腐蚀性水的地区，基础更应浅埋。

但必须指出的是公式中的d 值加大后，f a 的值会比基础浅埋计算的值大很多，故土木工程师在条件许可下会采取加大埋深来提高修正后基底土的承载力，只不过是过分加深会造成施工上难度。

《建筑地基基础设计规范》中的临界荷载公式f a =M b γb+M d γm d+M c c k 是根据土的抗剪强度指标来确定地基承载力特征值的公式，这一公式中的M b 、M d 、M c 及c k 是与土的抗剪强度指标十分关联的，而抗剪强度指标又与土中含水量有着密切的关系，公式中的γ及γm 是地下水的深2010年第1期（总第91期） 华东建工勘察 7 度位置有着密切的关系，若地下水位高于基础的埋深，f a 的数值会变得低些，故从地下水的角度来看，建筑地基基础应力求浅埋，基底尽量埋置在地下水位以上。

2.2 水对建筑基础位移（变形）的作用与影响对于有地下室的箱形基础等，地下水位对基础产生的浮力不可忽视，浮力的计算是根据阿基米德原理进行计算的。

实际工程中地下室底板上浮或地板局部开裂事故发生。

关于浮力计算的水位高度确定，有按常年地下水位的平均水位作计算，有按常年地下水位最高水位作计算，有按洪水位设防高度水位作计算，有按50年一遇最高洪水位作计算。

笔者认为设计上应绝对保证在任何情况下基础不会产生上浮，应在考虑经济的同时，对罕遇高水位采取应急对策，同时设计上还应考虑当洪水来时基础抗浮的临时应急措施，以便确保地下室在任何情况下不会产生上浮现象。

此外，地下水位如果下降幅度过大，则会引起建筑物基础下沉，影响建构筑物的正常运行。

如在本世纪80年代，苏锡常地区由于深层地下水开采过量，导致大范围的地层沉降，后来及时采取控制地下水开采规模等方法应对。

总体而言，地下水对地基基础的影响一方面是间接改变地基土的力学性质进而影响建构筑物；另一方面是其产生浮托等作用直接影响建构筑物的使用。

3 桩基工程中水的作用与影响3.1 水对桩基承载性能的作用与影响地下水位的下降，地基土中有效应力增加，同时地基土会产生固结沉降，桩周土的沉降对桩会产生负摩擦，影响桩基的承载性能。

还有一种值得注意的情况，就是由于桩基一般深度较大，在其施工完毕后，深层承压水往往会沿桩土界面上升，在桩基周围形成出水点，对桩身的承载性能有一定影响。

3.2 水对桩基施工的作用与影响地下水与土中水对桩基工程的施工影响亦较大，对某些打入式桩来讲土中水含量较高时，比较好施工，便于打入，同样地下水位较高时桩也便于打入。

主要是水作为一种润滑介质，减少了桩与土的摩阻，在大面积人工降水的区域范围内打入式桩比较难以成桩，故成孔时应采取相应措施包括先引孔等方法进行施工，否则须等水位恢复后再进行施工。

对于干钻孔来讲，地下水位越高越不利于桩的成孔，因为在水压力的作用下，水位越高越8 陈家冬：岩土工程中水的作用与影响 2010年第1期（总第91期）容易坍孔，地下水位高低对水钻孔的影响要小些，不管地下水位在哪一个位置，其孔内水位总是要到自然地坪位置，故孔内水对孔壁的压力是不受地下水位上下的影响。

对于挖孔桩来讲，地下水位的影响是显而易见的，所以挖孔桩的设计与施工应尽量在低水位的地区使用，否则应采取相应的降水措施才能开挖。

在某些地区或区域土层中打入夯扩桩或沉管桩时，地下水位会在桩中某些部位向上冒出，把未凝结混凝土的水泥砂带出桩外，造成桩的缺陷，主要原因是该区域内土中水压力较大造成，也应在近旁采取相应减压措施后再进行桩的施工。

此外在压桩过程中，如果压桩速度过快，则超孔隙水压力不能及时消散，常常引起周边建构筑物隆起开裂，特别对于目前预应力管桩经常遇到大面积密集长桩设计，需采取有效措施进行处理。

4 地基处理中水的作用与影响水的问题对地基处理来讲其影响较大，因为经地基处理后一般形成复合土或加固土，改良的地基土也同时参加受荷、发挥其改良后的作用。

同时各种地基处理的不同方法也影响着土中的水，如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋等多重作用，石灰桩又挤密又吸水，吸水后又进一步挤密。

水对换土垫层法进行地基处理方法的影响较小。

因为换土垫层法通常换土深度为2～3m，此时土中地下水位还未到达该深度，不管要换掉的土中含水多少，终归是要换掉的，故水的影响较小。

对于振密、挤密处理地基的方法水的影响较大。

如表层压实法处理，就要求该层土的含水量达到土的最优含水量，否则表层压实法的处理会不够理想。

为了达到最优含水量可对土进行含水量的预处理。

重锤夯实发对土中水的含量要求亦较高，否则容易夯成橡皮土，反而降低土的强度。

当地基土的含水量大于24%，饱和度大于65%时不宜选用灰土挤密桩法或土挤密桩法。

水对排水固结法影响较大，其基本原理是地基在附加荷载的作用下逐渐排出孔隙水，使孔隙水压力逐渐消散，从而增加土的有效应力。

排水固结对于砂土在固结的时间与效果上比粘土要好。

由于砂土基本不含强弱结合水，加之砂土的渗透性较好，故排水固结较适用于砂性软土，对于粘性软土，要达到同样的加固效果，所花的时间与金钱会大大超过砂性软土。

通过降低地下水使土中孔隙水压力减2010年第1期（总第91期） 华东建工勘察 9 小是排水固结法的最基本方法。

对于置换法处理地基的方法，水的影响亦较大。

置换法就是把软土中部分软土用较好的材料进行置换，从而改善软土的性能，一般情况下经置换后形成一复合地基承受上部荷载。

由于原有软土中含水量对地基土强度的影响，经置换后其影响也一直存在着，置换法中仅有砂石桩法灌入生石灰后能吸收土中的水。

水对加筋法处理地基影响亦较大。

加筋法主要是在软土中加“筋”，而筋的材料主要是土工合成材料、抗拉能力很强的拉筋、土层锚杆等材料，这些“筋”材与土一起形成抗拉或抗压复合体。

如对于土层锚杆来讲，在地下结构抗浮中主要靠与土层的粘结强度来提供承载力，而土中含水量的多少对粘结强度有着很大的影响。

对于胶结法处理地基水的影响亦较大。

如水泥土搅拌桩法若地基土的天然含水量小于30%，大于70%不宜采用干法搅拌。

水对人工地层冻结技术处理法地基处理的影响很大，当地层中地下水的流速过大或者地下水含量偏低时都直接影响冻结壁的形成和强度。

5 基坑支护中水的作用与影响水对深基坑的影响之大可以说大部分的基坑工程事故都是由于水的原因而造成的。

土的内聚力c和土的内摩擦角φ是深基坑的设计过程中两个重要参数，一般采用三轴剪切室内试验获取。

有三种不同的方法来求取这两个参数：一是固结排水剪、二是固结不排水剪、三是不固结不排水剪。

三种方法实际上都是与土中水有很大的关系，试验方法不同得到的强度指标也不同。