地下水位上漲對地基土承載力的影響分析

陸亞兵 李春博

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098)

地下水位上漲對地基土承載力的影響分析

陸亞兵 李春博

(中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098)

從地基土承載力的計算公式出發(fā)，對比分析了不同基礎(chǔ)寬度、不同基礎(chǔ)埋深、不同土性的地基土承載力受水位變化的影響，分析顯示：地下水位在基礎(chǔ)底板以下變化時，對地基土的承載力影響較小，地下水位上漲至基礎(chǔ)底板以上時，承載力明顯下降。

地下水位上漲，地基，承載力

0 引言

自然因素和人類活動都有可能造成地下水位上漲。自然因素方面：由于溫室效應(yīng)引起的全球變暖，一方面引致降雨特征發(fā)生變化，另一方面使冰川融化海平面上升；另外，豐水年持續(xù)的降雨，河流、湖泊、水庫等地表水體水位的變化都將使地下水位上漲。人類活動方面：在修建水電站、南水北調(diào)工程等大型水利工程時，可能造成局部甚至區(qū)域上的地下水位上漲。目前，在進行天然地基基礎(chǔ)設(shè)計時均未考慮勘察階段到建筑使用期間的地下水位上漲對地基承載力的影響。

地下水對天然地基的影響通常有兩種可能，一是淹沒在水下的土，由于失去由毛細管應(yīng)力或弱結(jié)合水所形成的表觀凝聚力，使承載力降低。此外由于含水量的變化可能影響實驗得到的內(nèi)摩擦角的大小；二是由于地下水的存在，使土的有效重度減小而降低了土的承載力。第一種情況對地基承載力的影響程度目前尚難以確定，在一般的理論研究中都忽略這種因素，即假定水位上下的強度指標相同[1]。因此，本文在分析地下水上漲對地基土承載力的影響時，僅考慮了上面第二種情況的影響。

1 規(guī)范中地基土承載力的計算公式

GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的地基承載力公式采用Flament解，定義基底下塑性區(qū)開展深度為b/4(b為基礎(chǔ)寬度),相應(yīng)的臨塑荷載為地基承載力特征值，并對φ>26°的承載力系數(shù)Mb根據(jù)大量載荷試驗結(jié)果進行了修正。規(guī)范規(guī)定：當偏心距e不大于0.033倍基礎(chǔ)底面寬度時，根據(jù)土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值可按下式計算[2]：

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck。

其中,fa為由土的抗剪強度指標確定的地基承載力特征值，kPa；Mb，Md，Mc均為承載力系數(shù)；b為基礎(chǔ)底面寬度，m，大于6 m時按6 m取值，對于砂土小于3 m時按3 m取值；ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的粘聚力標準值，kPa。

2 地下水位對承載力的最大影響深度

對于任何一種破壞模型，都存在一個地下水的影響深度Zmax，地基的承載力破壞機制都發(fā)生在這個深度內(nèi)。也就是說，如果地下水位的埋深大于Zmax，則不再對承載力產(chǎn)生影響。規(guī)范定義基底下塑性區(qū)開展深度為b/4所對應(yīng)的臨界荷載為地基承載力，在承載力驗算中，人們只關(guān)心基底下b/4深度范圍內(nèi)的水位變化情況，可認為：Zmax=b/4[1]。

以上四種情況下的地基土承載力計算時的重度取值如下：

1)如圖1所示：地下水在Zmax以下，基底面以下土取天然重度γ；基底面上取天然重度γ。

2)如圖2所示：地下水位于基底與Zmax之間，基底下土體重度在最大影響范圍Zmax內(nèi)取加權(quán)平均重度，即：[γH+γ′(Zmax-H)]/Zmax；基底面上取天然重度γ。

3)如圖3所示：地下水位與基底齊平時，基底面以下土取有效重度γ′；基底面上取天然重度γ。

4)如圖4所示：地下水位于基礎(chǔ)埋深D內(nèi)，基底面以下土取有效重度γ′；基底面上取[γ(D-h)+γ′h]/D；當h=D時，水位位于地表，此時基底面上取有效重度γ′。

3 地下水上漲對地基土承載力的影響分析

本文根據(jù)規(guī)范分別計算兩種典型基礎(chǔ)，在四種不同水位埋深情況下的地基土承載力特征，并將計算出的承載力按照不同土性進行量化對比分析，以得出定性的規(guī)律。

兩種典型基礎(chǔ)條件如下：

通過結(jié)構(gòu)分析可知，飛行中該拉桿主要承受軸向拉壓載荷，要測得拉桿拉壓載荷，需要在拉桿上粘貼垂直組合應(yīng)變計。常規(guī)等截面細長拉桿一般在拉桿中間對稱粘貼應(yīng)變計，對側(cè)組橋即可。該機拉桿屬于非常規(guī)細長拉桿，結(jié)構(gòu)如圖2。拉桿結(jié)構(gòu)左右對稱，由螺紋桿、耳環(huán)套筒(內(nèi)含螺紋)、連接螺栓等組成，其中螺紋桿直徑6 mm，套筒直徑14 mm，圖中標出了套筒內(nèi)部螺紋區(qū)域。

1)基礎(chǔ)寬度b=2 m，基礎(chǔ)埋深D=2 m；

2)基礎(chǔ)寬度b=16 m，基礎(chǔ)埋深D=8 m。

四種不同水位埋深情況如下：

1)地下水位于基底下Zmax/2的位置；

2)地下水位于基底的位置；

3)地下水位于地表下D/2的位置；

4)地下水位于地表。

為方便計算，土的天然重度統(tǒng)一取20 kN/m3，有效重度統(tǒng)一取10 kN/m3；并假設(shè)基底下土為均一的砂土、粉土或黏性土。

3.1 砂土地基

根據(jù)經(jīng)驗，典型的砂土抗剪強度指標見表1。

將以上四種土樣在四種不同水位埋深情況下計算出的承載力特征值(fa′)與地下水位于Zmax以下的承載力特征值(fa)的比值作為橫坐標，水位埋深作為縱坐標繪制如圖5和圖6所示曲線。

表1 典型砂土抗剪強度參數(shù)

由圖5和圖6可知：砂土地基在水位上漲后地基承載力總體呈下降趨勢；不同寬度和埋深的基礎(chǔ)隨水位上漲后地基承載力下降趨勢基本一致；不同類型的砂土承載力在地下水位上漲時承載力降幅基本一致。當?shù)叵滤蠞q未超過基礎(chǔ)底板時，地基承載力降幅不大，一般小于10%；當水位漲幅超過基礎(chǔ)底板以上時，地基承載力顯著下降，當?shù)叵滤簧蠞q至地表時，地基承載力降幅最大，達50%。

3.2 粉土及黏性土地基

根據(jù)經(jīng)驗，典型的粉土及黏性土抗剪強度指標見表2。

表2 典型粉土及黏性土抗剪強度參數(shù)

將以上六種土樣在四種不同水位埋深情況下計算出的承載力特征值(fa′)與地下水位于Zmax以下的承載力特征值(fa)的比值作為橫坐標，水位埋深作為縱坐標繪制如圖7和圖8所示曲線。

由圖7和圖8可知：粉土或黏性土地基在水位上漲后地基承載力總體呈下降趨勢；不同寬度和埋深的基礎(chǔ)隨水位上漲后地基承載力下降趨勢基本一致。不同類型的粉土或黏性土，地基承載力隨水位上漲而下降的降幅隨著土的粘聚力增大而減小，當?shù)叵滤蠞q未超過基礎(chǔ)底板時，地基承載力降幅不大，一般小于10%；

當水位上漲超過基礎(chǔ)底板以上時，地基承載力顯著下降，當?shù)叵滤簧蠞q至地表時，地基承載力降幅最大，一般為35%～48%，不同類型土的降幅差達15%左右。

4 結(jié)語

1)砂土、粉土或黏性土地基在水位上漲后，地基承載力總體呈下降趨勢；不同寬度和埋深的基礎(chǔ)隨水位上漲后地基承載力下降的趨勢基本一致。

2)當?shù)叵滤辉谏蠞q影響的最大深度Zmax以下變化時，地基承載力不受地下水影響；當?shù)叵滤辉谏蠞q影響的最大深度Zmax以上變化時，地基承載力隨水位上漲而降低。

3)不同類型的砂土地基在水位上漲后，地基承載力降幅基本一致；不同類型的粉土或黏性土在水位上漲后，地基承載力降幅隨著粘聚力的增大而減小，不同粘聚力的土之間的承載力最大降幅差達15%左右。

4)當水位在基礎(chǔ)底板以下上漲時，地基承載力降幅不大，與未受影響的情況相比一般不超過10%；當水位在基礎(chǔ)底板以上上漲時，地基承載力顯著下降，當?shù)叵滤簧蠞q至地表時，砂土地基承載力降幅最大達50%；粉土或黏性土地基承載力降幅在35%～48%。

5)對于使用期間地下水位可能上漲至基礎(chǔ)底板以上的場地，在進行天然地基基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮因地下水位上漲而造成地基承載力下降的不利影響。

[1] 張在明.地下水與建筑基礎(chǔ)工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[2] GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 周 健，屠洪權(quán)，繆俊發(fā).地下水位與環(huán)境巖土工程[M].上海:同濟大學(xué)出版社，1995.

Analysis of the influence on bearing capacity of foundation by water table rise

LU Ya-bing LI Chun-bo

(AVICGeotechnicalEngineeringInstituteCo.,Ltd,Beijing100098,China)

The goal of this paper is to comparative analysis the influence of the bearing capacity of the foundation soil by the change of water level in different width of foundation, depth of the subbasement and quality of the foundation soil which is based on the bearing capacity equation in code, the analyzation shows that there is little effect to the bearing capacity when water level changes under the baseplate, nevertheless, when the head of groundwater raise upon the baseboard, bearing capacity will decline significantly.

water table rise， foundation， bearing capacity

2014-07-13

陸亞兵(1983- )，男，工程師; 李春博(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2014)27-0073-02

TU411

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