水利工程不良地基類型及土的抗剪強度與滲透性分析

河南嵩縣水利局 趙正強 賈小峰河南嵩縣舊縣鎮人民政府 趙紅偉

水利工程不良地基類型及土的抗剪強度與滲透性分析

河南嵩縣水利局 趙正強 賈小峰
河南嵩縣舊縣鎮人民政府 趙紅偉

實踐表明，大部分水利工程建筑物的破壞或失事都是由于地基缺陷或基礎設計不妥而造成的。而基礎土的物理性質是地基設計的根本和出發點，本文對水利工程中常見的不良地基類型做了概要介紹，并對基礎土抗剪強度指標和滲透系數的確定做了簡單分析。

不良地基類型 抗剪強度 滲透性 滲流

一、水利工程中不良地基常見類型

1. 雜填土。雜填土是指由人類活動所形成的建筑垃圾、生活垃圾和工業廢料等無規則堆填物。雜填土成分復雜、結構松散、分布極不均勻，因而均勻性差、壓縮性大、強度低。未經人工處理的雜填土不得作為建筑物基礎的持力層。

2. 軟土。軟土包括淤泥及淤泥質土。其特點是含水量高、孔隙比大，壓縮高，內摩擦角小，因此軟土地基承載力低，在外荷載作用下地基變形大。軟土的另一特點是滲透系數小，固結排水慢，在比較深厚的軟土層上，建筑物基礎的沉降往往持續數年甚至數十年之久。

3. 砂卵石地基。對于中小型水閘、泵房等建筑物及一般的堤防工程而言，砂卵石地基的承載力通常能滿足要求。但砂卵石地基有著極強的透水性，當擋水建筑物存在上下游水頭差時，地基極易產生管涌，造成嚴重事故。因此水利工程中的砂卵石地基包括粉細砂地基必須采取適當的防滲排水措施。

4. 特殊土地基。特殊土地基一般帶有地區性特點，包括濕陷性黃土、膨脹土和凍土等。濕陷性黃土的主要特點是受水浸潤后土的結構迅速破壞，在自重應力和上部荷載產生的附加應力的共同作用下產生顯著的附加沉陷，從而引起建筑物的不均勻沉降。膨脹土是一種吸水顯著膨脹而失水顯著收縮的高塑性土，這種地基土的特性容易造成建筑物隆起或下沉，從而帶來嚴重危害。凍土是指氣溫在零度以下時出現固態冰的土，包括瞬時凍土、季節性凍土和多年凍土。其中，季節性凍土對水利工程的危害較大。季節性凍土因其周期性的凍結和融化，從而造成地基的不均勻沉降。

二、水利工程中基礎土抗剪強度指標的確定

土的抗剪強度是指土的某一受剪面上抵抗剪切破壞的最大應力。土的抗剪強度一般由黏聚力和內摩擦力兩部分組成。黏聚力主要由包圍在土顆粒周圍的黏結水產生的，它是以吸附水膜的形式使顆粒在接觸面上相互黏結。顯然，顆粒越細，顆粒的比表面積越大，黏聚力越大，而對無黏性土來說，黏聚力很小甚至可認為不存在。內摩擦力是指顆粒之間的摩擦阻力，它來自顆粒接觸面上的摩擦作用和顆粒棱角的鏈鎖作用。這種摩擦力取決于土的滑動面的粗糙程度和該面所受的法向壓力。

土的抗剪強度指標的正確選擇，取決于剪切實驗方法的正確運用。而剪切實驗方法的選定，又必須保證土樣所處的實驗條件（如受力和排水條件等）應盡可能與實際情況相一致。下面對三種用于近似模擬土體在現場遇到的不同受剪排水條件的剪切試驗做簡單介紹。

第一，不固結不排水剪（UU）或快剪（Q）。不固結不排水剪或快剪通常用來模擬弱透水性黏土地基受建筑物的快速加載或土壩在快速施工中被剪破的情況。這類試驗要求飽和土樣在受剪之前以及剪切過程中，始終保持原有水分不變。不排水剪（UU）在三軸壓縮儀中進行，快剪在直接剪切儀中進行。

第二，固結不排水剪（CU）或固結快剪（R）。完全符合固結不排水剪或固結快剪試驗中受力排水條件的實際工程情況是不存在的。有時，這種試驗用來模擬中等透水性土或黏土在中等加荷速率下被剪破的情況。通常，固結不排水剪試驗主要用來測定土的有效強度指標和推求原位不排水強度。CU試驗在三軸儀中進行，固結快剪試驗在直剪儀中進行。

第三，固結排水剪（CD）或慢剪（S）。 這種試驗用來模擬黏土地基和土壩在自重荷載作用下已壓縮穩定后，受緩慢荷載被剪破的情況或砂土受靜荷載被剪破的情況。CD試驗在三軸儀中進行，慢剪試驗在直剪儀中進行。

三、滲流危害及基礎土滲透系數的確定

1. 滲流的危害。水利工程中由于廣泛建造堤、壩、圍堰、水閘等擋水建筑物形成了水頭差，這些建筑物或其地基通常是透水的多孔介質（土或風化巖石），因此，滲流現象十分普遍。滲流不僅會造成水庫、渠道水量損失，還會使堤壩、圍堰土體飽和，降低壩體的有效應力，從而降低抗剪強度，可能導致壩坡失穩；當滲透坡降過大時，甚至使堤壩中的土體顆粒流失，發生滲透變形，從而使堤壩塌陷潰決。

2. 基礎土滲透系數的確定。滲透系數的大小是直接衡量土的透水性強弱的一個重要的力學性指標。土的滲透性除了與水的動力黏滯系數和溫度有關之外，還與土的種類、孔隙比、顆粒級配、顆粒形狀等因素有關。確定滲透系數值的方法包括野外原位試驗、室內試驗、經驗公式或查表估計。一般認為野外現場測定滲透系數得到的結果比較可靠，當然現場試驗所要投入的人力和經費也較多。室內試驗測定滲透系數一般存在較大偏差，因此室內試驗測定值一般不能直接采用，只能作為野外原位試驗的輔助資料。對于一些無條件進行野外原位滲透試驗的工程，在初步設計階段或可行性論證階段，可由驗公式或查表來進行估算。

表 1 土的滲透系數估算表

四、結語

總之，不同性質土基的缺陷會給水利工程建筑物造成不同形式的破壞，而要控制地基沉陷、防止地基發生滲透變形，就必須準確的把握土的抗剪強度、滲透性等物理性質。

[1] 吳楚權. 談小型水利工程地基處理[J].廣東科技. 2007，170(6):226-227

[2] 杜留記．土的抗剪強度及破壞準則[J].工程論壇．2005,(11)：120