地下水位上升對(duì)房屋基礎(chǔ)沉降影響分析——以綽斯甲水電站水庫(kù)蓄水對(duì)蒲西集鎮(zhèn)房屋基礎(chǔ)沉降影響為例

陳緒剛，馬俊琳，吉 翔

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

水庫(kù)蓄水后將引起庫(kù)岸附近地下水位上升，地下水位上升對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降變形有較大影響，但目前尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)地下水位上升后，基礎(chǔ)沉降變形的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的闡述和分析。本文從指導(dǎo)基礎(chǔ)沉降計(jì)算的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式［4］出發(fā)，對(duì)影響基礎(chǔ)沉降的附加應(yīng)力、自重應(yīng)力、壓縮模量進(jìn)行了分析，并以綽斯甲水電站水庫(kù)蓄水后水位抬升對(duì)蒲西鎮(zhèn)原有建筑物基礎(chǔ)沉降的影響進(jìn)行了實(shí)例分析，最后得出了對(duì)工程實(shí)踐有用的結(jié)果。

1 地下水位上升對(duì)土體應(yīng)力變化的影響

1.1 地下水位上升引起基底應(yīng)力變化

據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范［4］第5.3.5條推薦的沉降計(jì)算公式如下所示。

地下水位上升，高度在基礎(chǔ)底面以下時(shí)，基底附加應(yīng)力變化:

地下水位上升，假定上升至m 土層頂面，高度在基礎(chǔ)底面以上時(shí)，基礎(chǔ)底面土層為第i－1 層。則:

地下水位上升，高度在基礎(chǔ)底面以上時(shí)，基礎(chǔ)以下土層附加應(yīng)力變化量為:

式中:Δ p0為基底附加應(yīng)力變化量;p為建筑物在基底附加應(yīng)力;γw、γk、γsatk分別為水密度，第k 層土體重度、土體飽和重度;hk為第k 層土厚度;Δσip為基底下i 土層附加應(yīng)力變化量。

1.2 基礎(chǔ)底面下土自重有效應(yīng)力變化

Δσit為土體自重狀態(tài)有效應(yīng)力變化。

1.3 地下水位上升總應(yīng)力變化

Δσi為i 層土體總應(yīng)力變化量。

從上述公式可以看出:當(dāng)?shù)叵滤簧仙囱蜎](méi)基礎(chǔ)時(shí)，基底凈附加應(yīng)力不會(huì)改變，Δσip為0，Δσit減小變化量為正值，所以Δσi＜0。當(dāng)?shù)叵滤仙粱A(chǔ)底面以上時(shí)，基底附加應(yīng)力將增加，Δσip大于0，Δσit減小，Δσi需根據(jù)計(jì)算確定。

2 地下水位上升對(duì)土體壓縮模量的影響

2.1 水位上升對(duì)地基土承載力及壓縮模量影響定性分析

(1)地下水位上升，由于地下水的浮力作用，土體的有效應(yīng)力會(huì)降低，因此地下水降低將會(huì)減小地基承載力;

(2)地下水位上升，將使水位以下的土由于失去毛細(xì)管應(yīng)力或弱結(jié)合水形成的表面凝聚力，使地基承載力下降;

(3)地下水位上升，將減小土體的內(nèi)摩擦角，對(duì)砂土尤其明顯，這也將使土體的地基承載力降低。

由于土體壓縮模量與土體承載力具有正相關(guān)性，壓縮模量將減小，土體沉降量增加。

2.2 從土體壓縮模量與其它物理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系分析

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)論，比貫入阻力對(duì)土體壓縮模量影響顯著，但淺層地下水位上升對(duì)靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻尼影響不大，所以從Es與土指標(biāo)的相關(guān)性來(lái)講，地下水位上升與Es大小沒(méi)有必然的聯(lián)系。

2.3 根據(jù)e－p 曲線分析

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］公式中的壓縮模量是土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段進(jìn)行計(jì)算。由于水位上升，土體的自重壓力減小，自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和也就減小。在壓縮曲線上不同壓力段的量值是不同的，一般壓力較小時(shí)，曲線較陡，土體易于壓縮;壓力較大時(shí)，曲線趨于平緩，土體不易于壓縮。所以，在地下水位上升時(shí)，壓力減小，土體變得易于壓縮，土的壓縮模量將減小。

由于從理論上較難推導(dǎo)水位上升引起Es的變化幅度，因此根據(jù)土力學(xué)中壓縮模量的計(jì)算公式，從e－p 曲線著手，討論地下水位上升引起土體有效應(yīng)力變化，從而對(duì)土體壓縮模量產(chǎn)生影響。e－p 曲線參見圖1 所示。

圖1 e－p 曲線

3 地下水位上升對(duì)土體應(yīng)力和壓縮模量的實(shí)例分析

3.1 蒲西集鎮(zhèn)地質(zhì)概況

蒲西集鎮(zhèn)位于四川省綽斯甲河綽斯甲水電站上游，河流多年平均水位2787.31～2787.58 m。綽斯甲水電站水庫(kù)正常蓄水位為2788.32～2788.51 m，洪水位為2788.8～2789.21 m。水庫(kù)蓄水后將引起地下水位上升，對(duì)原蒲西集鎮(zhèn)臨河部分建筑及建筑基礎(chǔ)有浸沒(méi)影響，需對(duì)已建建筑物基礎(chǔ)變形進(jìn)行分析。

根據(jù)四川省綽斯甲河綽斯甲水電站蒲西集鎮(zhèn)堤防工程地質(zhì)勘探報(bào)告，其典型地質(zhì)剖面的相關(guān)參見表1 所示，粉質(zhì)黏土層e－p 對(duì)應(yīng)參數(shù)表參見表2 所示。蒲西集鎮(zhèn)建筑多為砌體，帶地下室，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度1 m，埋深－7.5 m，基底持力層粉質(zhì)黏土，主要壓縮土層為粉質(zhì)黏土層。

基礎(chǔ)原地下水位為－11.100 m，該地下水位為多年河流，平均水位2787.31 m，假定在水位未上升時(shí)基底附加應(yīng)力為150 kPa。

表1 典型地質(zhì)剖面

表2 粉質(zhì)粘土e－p 對(duì)應(yīng)表

3.2 土體應(yīng)力及壓縮模量變化規(guī)律分析

隨著地下水位上升，自重應(yīng)力變化量、附加應(yīng)力變化量和總應(yīng)力變化量如圖2 所示，土體壓縮模量變化量如圖3所示。

由圖可知，隨著地下水位上升，粉質(zhì)黏土層自重應(yīng)力逐漸減小;在地下水位上升到基底之前，基底附加應(yīng)力不變，土層附加應(yīng)力也不變，當(dāng)?shù)叵滤簧仙交滓陨蠒r(shí)，基底附加應(yīng)力增大，土層附加應(yīng)力增大;粉質(zhì)黏土壓縮模量隨著地下水位上升逐漸減小，當(dāng)?shù)叵滤簧仙_(dá)6 m 時(shí)，壓縮模量變化率不超過(guò)15%，表明地下水位上升對(duì)粉質(zhì)粘土壓縮模量影響不大。

圖2 自重應(yīng)力、附加應(yīng)力和總應(yīng)力變化量

4 結(jié)論

(1)地下水位上升但未淹沒(méi)基礎(chǔ)時(shí)，基底凈附加應(yīng)力不會(huì)改變，Δσip為0，土體自重應(yīng)力Δσit減小，其變化量為正值，所以Δσi＜0。當(dāng)?shù)叵滤仙粱A(chǔ)底面以上時(shí)，基底附加應(yīng)力將增加，Δσip大于0，Δσit減小，總應(yīng)力變化量Δσi需根據(jù)計(jì)算確定;

圖3 壓縮模量變化率

(2)根據(jù)e － p 曲線定性分析，一般壓力較大時(shí)，曲線較陡，土體易于壓縮，壓力較小時(shí)，曲線趨于平緩，土體不易于壓縮。在地下水位上升時(shí)，壓力減小，土體變得易于壓縮，土的壓縮模量將減小;

(3)根據(jù)壓縮模量計(jì)算公和e －p 曲線，推導(dǎo)了地下水位上升后和地下水位上升前的壓縮模量比公式，由于a = Δe/Δ p，為割線斜率，且e － p 曲線走勢(shì)較緩，應(yīng)力變化對(duì)壓縮系數(shù)的影響不大，一般情況下a ＞a'。據(jù)e －p 曲線e'1i＞e1i和壓縮模量比計(jì)算公式，E's與Es之比值大小需結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析并得出結(jié)論;

(4)以蒲西集鎮(zhèn)地下水上升對(duì)房屋基礎(chǔ)應(yīng)力及壓縮模量影響為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著地下水位上升，持力層粉質(zhì)黏土自重應(yīng)力逐漸減小;在地下水位上升到基底以前，基底附加應(yīng)力不變，土層附加應(yīng)力也不變，當(dāng)?shù)叵滤簧仙交滓陨蠒r(shí)，基底附加應(yīng)力增大，土層附加應(yīng)力增大，但總應(yīng)力變化量仍為負(fù)，這與地下水下降土層有效應(yīng)力總是增加這一基本規(guī)律是一致的;粉質(zhì)黏土層壓縮模量隨著地下水位上升逐漸減小，當(dāng)?shù)叵滤簧仙_(dá)6 m 時(shí)，壓縮模量變化率不超過(guò)15%，表明地下水位上升對(duì)粉質(zhì)黏土壓縮模量影響不大。

［1］楊建新，李發(fā)菊，陳田華.地下水位上升對(duì)淺基礎(chǔ)地基承載力的影響［J］.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)，2010(5):95－99

［2］楊紅禹，石振明.土壓縮模量預(yù)測(cè)回歸分析方法［J］.上海地質(zhì)，1997(3):44－48

［3］李根義.地下水對(duì)地基沉降計(jì)算的影響評(píng)價(jià)［J］.地下水，2009(4):25－26

［4］GB 50007－2002 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［5］周健，屠洪權(quán).地下水上升對(duì)淺基礎(chǔ)地基承載力的影響［J］.港口工程，1994(1):21－24

［6］楊紅禹，石振明.未來(lái)海平面上升對(duì)上海地區(qū)激化地基變形預(yù)測(cè)及其對(duì)市政建設(shè)的影響［D］.同濟(jì)大學(xué)，1998

［7］上海市水利局海平面上升課題組.未來(lái)上海地區(qū)海平面上升預(yù)測(cè)及對(duì)策研究［R］.1999