工程勘察中对沿海软粘性土层水文地质归属的讨论

工程勘察中对沿海软粘性土层水文地质归属的讨论

马志伍

上海辉固岩土工程技术有限公司上海200120

摘要：上海岩土工程勘察规范将浅埋软粘性土层统归作潜水含水层处理，使传统的水文地质学对含水层和隔水层判别模式受到挑战。文章就此展开讨论，认为在岩土工程勘察中本着工程安全处理原则对沿海软粘性土还是作为隔水层处理为宜，但应严格关注这种高含水量的软粘性土层的低渗透性所体现的微弱的给水度及迟缓的水位恢复特点所导致的基坑涌水和底板浮托问题。

关键词：软粘性土；含水层；隔水层；微含水层

引言

水文地质工作中一般将低渗透性的软粘性土作为隔水层处理。近年在上海地区岩土工程界有将这一土层作为含水层处理的做法，尤其是2012年版上海市《岩土工程勘察规范》[1]出版后，这似乎是对传统的水文地质理论的挑战。作为岩土工程者，试对该问题进行探讨，以取得共同认识。

1相关地层的一般特征和归属处理

这里所讨论的软粘性土层，在上海地区工程地质分层编号为第③层和第④层。按第四纪地质研究属于全新世冰后期的大西洋期浅海—滨海相堆积（mQ24）和亚大西洋期滨海相堆积物（al-mQ34）。该土层一般为连续堆积，厚近20m。埋藏深度在5-20m左右，以淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土为主，不稳定夹有粉性土成分。具有高孔隙性，高压缩性，高含水量，低渗透性等特点，从表1可见。

第③层和第④层在传统的上海地区地面沉降研究中划为第一压缩层。在我国东部沿海平原地区不具有供水水文地质意义，作隔水层处理。在始编于2004年作为国土资源部和上海市人民政府合作项目“上海市三维城市地质调查”最终成果之一的“上海市城市地质图集”[2]中的“潜水含水层埋深分布图”中也没有像现行的上海勘察规范那样把第③层和第④层作为潜水含水层。

随着我国东部沿海平原地区深入开发，浅埋的第③层和第④层软粘性土常常作为基坑、隧道、地道等各类地下工程空间环境开发利用，软土的不稳定性和持续少量出水及对地下基坑底板浮托力问题等持续给地下工程带来挑战!成为软土地区地下岩土工程工作重点。长期工程实践使岩土工程技术人员认识到淤泥质软土并不是简单的隔水层。它含水量高达40%～60%，有极大的给水能力；同时还是个有很大潜力的持力层。但是它渗透能力极低，渗透系数k为10-6～10-7cm/s。工程中无法用传统的集水和取水的工艺将地下工程遇到的这部分水及相应问题排除，从而出现了井点降水一类不同于常规的专门的集水降水方法。相应地在部分岩土工程师中对于这些地层出现了否定“隔水层”的想法，出现了以现有上海市勘察规范为代表的将这些渗透系数小于10-6～10-7cm/s的地层也按含水层处理的倾向。

2水文地质分类归属讨论

主张将上海地区第③层和第④层土判为潜水含水层的人们主要出于以下认识：“虽然其渗透性较差，但其含水量远大于液限，除含有大量结合水外，孔隙中还充填有较多的、能传递静水压力的重力水。淤泥质粘性土中的地下水和相邻粉性土、粉砂层中的地下水不但具有水力联系，而且对地下构筑物会产生同样大的浮力，因此也属于潜水，淤泥质粘性土层同样应属于潜水含水层。”[3]下面对上述观点进行一些探讨。

2.1对土的含水量指标的认识

按定义土的含水量指标是由试验室测得的土体中水和固体物质的质量之比。它真实地反映了土体中含有的水的多少，而且其中几乎全是重力水。这是由室内土工试验操作规程所规定的操作要求所决定的!用土的含水量指标可以表征相应土层的含水程度，也可以看作水文地质概念上的富水程度。但是将上海地区深近百米传统的松散地层中的含水层和隔水层各自的含水量相比较，就会发现一个令人十分惊讶的结果，见表2。

上海地区沉降研究第一压缩层

以上除⑥层土含水量小于30%以外，③、④层以至⑤层软土的含水量都不低。这说明全新世未达到正常固结的淤泥质软土的絮状结构中均充填了大量的水分，这并非最近才发现。第③层和第④层土含水量很大，但它的渗透系数k却较小，因而它是典型的高富水性、低给水性的地层，在传统的水文地质工作中将它们判为隔水层是合适的。

改革开放以来我国沿海平原成为世界上最大的建筑工地，广泛的软土地下工程显现的岩土工程问题中就包含着软土地基的地下坑洞持续渗水和对基坑底板的浮托作用问题，甚至造成不少损失和事故!在正视这些传统的“隔水层”并采取相应工程对策的时候，岩土工作者在水文地质概念的处理上难免偏于单一。但是不应否认这些地层单位时间的给水量是有限的，对基坑底板的浮托力的增加速度是有时间过程的，与正常的潜水和承压水均存在数个数量级的差异。

2.2水力联系问题

软粘性土中的孔隙水既然是重力水就必然会传递静水压力，必然会与相邻土层中地下水产生水力联系并且达到天然平衡状态，故有岩土工程师称现场测得第③层和第④层土中的潜水位和浅层土的潜水位一致，我们相信这二者的稳定水位是一致的。但是在勘察现场即时测得值的一致性据笔者经验判断多数是观测孔观测质量或者存在套管漏水导致地表水或者其它异水导入所致，实际上是混合水位，因为深十余米在第③层和第④层土中的观测孔的水位恢复至少需要一、二天时间，这是淤泥质粘性土的微弱的渗透性所决定的。新版上海市《岩土工程勘察规范》[1]推荐第③层和第④层土的渗透系数k值范围符合本地同行长年经验数据（③层淤泥质粉质粘土（2-5）×10-6cm/s，④层淤泥质粘土（2-4）×10-7cm/s），足以证实以上推断。

第③层和第④层低渗透性软粘性土中的地下水存在对地下构筑物产生巨大的浮托力，其前提是其间孔隙水稳定地存在。一旦这部分水被疏干后，该浮托力的恢复是迟缓的，因为土中水的排出速度或者输入（饱和）速度都十分迟缓。众多基坑工程事故的发生往往是中断了疏干监测控制或未达到规范要求疏干到基坑底板以下0.5m的要求。

不应否认在厚层淤泥质软土中夹有粉性成分，当所夹薄层粉砂稳定普遍存在时，土层渗透系数将明显提高二个数量级，一般达（0.7-3.0）×10-4cm/s。必然和周围发生密切的水力联系。但是这时候在岩土工程勘察报告的单元体划分已不是我们所讨论的厚层淤泥质粘性土层了!单元体土体命名一般为“淤泥质粘质粉土”或“淤泥质粘性土夹粉砂”甚至是“粉性土夹泥”，并按上海地区习惯按“微承压含水层”处理。但若第③层和第④层土均判为潜水层时，这就麻烦了!

2.3对基坑底板稳定性评价的影响

只有将第③层和第④层土判为相对隔水层，才能将同时存在的砂层、粉性土层进行合理的地下工程岩土工程稳定性评价，以下以上海市区西南徐家汇城区某改建办公楼为例。

该楼地上12层，地下2层，底板埋深11.6m，地面以下40m深度以内均为全新世堆积，以淤泥质粘性土为主。10m以内除上部褐黄色表土层（②层）外，主要为③层灰色淤泥质粉质粘土，下部有约1m的③夹层为灰色粘质粉土夹粘性土薄层，k=8.21×10-5cm/s。④1层为灰色淤泥质粘土，厚约6m，饱和，软-可塑。下部是厚1.0-1.5m的砂质粉土层④2层，呈松散-稍密状态，饱和，富水，k=5.21×10-4cm/s。对④2层微承压水有Y1与Y2二个观测孔进行各历时168小时观测得承压水位恢复实测记录，见表3。经整理可知其稳定承压水位埋深为9.80m，并测得观测承压水位恢复曲线，见图1。

图1④2层承压水埋深观测曲线

二个观测孔的观测记录明显反映出④2层地下水具有承压水特征，在成孔1小时后水头迅速恢复至4-6m，至3小时后即已恢复至稳定水位。证明了上覆④1层淤泥质粘土层所起到的隔水层作用，至于在上海地区将浅部软土中所夹的承压含水均冠以“微”字系受五、六十年代上海地区沉降研究时将下伏第⑦、第⑨二个含水层定名为第一和第二承压含水层之故。“微承压含水层”并无对所指含水层在含水量和水头上大小（偏小）的含义。按上海地区经验该承压水位一般在埋深3.0m左右，该工程区段处于长年工程施工范围，各层水受相邻工程疏干影响较频繁，埋深偏浅。

本改建工程地下二层，底板埋深11.6m，该深度已超越③层粉质粘土，属于④1层淤泥质粘土层内。如上分析，底板4.0m以下有④2层“微承压水”含水层，存在地下室底板受承压水头顶托失稳硬土层的可能性。若按地区经验承压水头埋深取3.0m计算，可得到基坑底板稳定系数为0.55，小于规范要求的1.05。所幸本工程处于场地局部地下水位疏干区，测得④2层承压水位埋深为9.8m，计算得基坑底板稳定系数为1.08>1.05。但是应密切关注在工程施工过程中④2层水头变化，若发现高于9.8m情况则应迅速报告，并采取相应对策措施。以上讨论是基于④1层作为隔水层为前提，否则可能产生的工程事故将是一连串的。

2.4对水文地质学有关定义的理解

王大纯教授在《水文地质学基础》中[4]中指出包括含水层、隔水层、弱透水层等水文地质学概念的相对性。根据传统的供水水文地质学理论，渗透系数仅为10-6～10-7cm/s的地层均划为隔水层，因为其渗透性太差，开采取水、供水意义不大。但是在当前如火如荼的软粘性土地下工程中无时无刻不受到软粘性土由于开挖卸荷后发生的涌水问题并由此导致的对地下工程地板浮托影响，这时软粘性土起着与含水层相类似的作用。

这时就需要按照王大纯教授在书中所指出的水文地质学理论的相对性认识。看到第③层和第④层土虽然含有大量的重力水，但由于其渗透性极小，水压力传递十分迟缓，所以其一般应作为隔水层处理。但它在地下工程中所起作用的敏感性应视作潜水含水层，同时也要注意它与正常的粉土、粉砂等含水层在渗透性、水力联系以及给水能力上存在着巨大的差异。在软土中遇到上述基坑稳定问题时，不能用常规方法作隔水层处理，也应注意与正常的含水层相区别。

在沿海平原供水水文地层工作中也常将表土层即厚层软土表的氧化带的孔隙裂隙水作为农村居民地方性供水水源。它具有质淡、分散，易于打井开采为传统供水，它水量小，渗透系数一般为10-6～10-7cm/s。民用井开采出水量约1T/日，在改革开放以前全国水文地质工作中均作为农村供水工作重点。在全国水文地质图集编制中作为浅部第一层潜水含水层处理，说明含水层/隔水层处理的相对性。

由此我们认为在隔水层、含水层和微含水层的命名取用时，应当注意到自然科学研究中的相对性和绝对性。鉴于我国沿海软土地基岩土工程勘察中遇到的新问题，我们觉得它对于水文地质学整体仅是一部分问题，仅仅是在工程勘察中碰到的个别地层层次问题，未必动摇水文地质学原有分层习惯，只需在必要时将第③层、第④层土作微含水层处理即可。将它视作正常的含水层是不合适的，它不仅漠视了哲学上的量变质量定律，甚至会在工程中酿成事故!

3结论

（1）上海地区浅部第③层、第④层淤泥质粘性土具有渗透性低、采井水水量很小特点，不具供水水文地质意义。在水文地质工作中不作为含水层处理，当下伏有③2层、④2层等粉性、砂性土含水层时，应作为承压含水层的上复隔水层处理。

（2）岩土工程勘察中遇到第③层、第④层土中地下水对基坑涌水和浮托影响，需要将第③层、第④层淤泥质软土由传统的隔水层改判为微含水层是必要的，也符合水文地质学有关定义确定的相对性。

（3）当岩土工程勘察中将③1层、④1层视作微潜水含水层，必须注意是否存在下卧③夹层、④2层等粉性、砂性含水层。若属于该性况，必须将③1层、④1层视作相对隔水层，下卧含水层判为承压含水层。进而开展承压水头测定以及基坑底板稳定性判别某一系列岩土工程安全判别工作以消除隐患，确保工程安全。

参考文献

[1]DGJ08-37-2012，岩土工程勘察规范2012[s]

[2]上海城市地质图集[Z].地质出版社.2010

[3]张文龙.上海全新统地层中地下水类型和不良作用分析[J].上海地质，2008，2：3-6

[4]王大纯.水文地质学基础[M].北京.地质出版社，1986，6-38