地下水位升降對粉煤灰地基強度影響研究

唐曉虎

（青島市團(tuán)島污水處理廠，山東 青島266000）

0 引言

粉煤灰所形成的地基類似于粉土地基。對于這種地基一般需要解決淺層沉降和地基承載力兩大問題。地基加固方法有靜力排水固結(jié)法、動力固結(jié)、動力排水固結(jié)法和復(fù)合地基方法。當(dāng)粉煤灰地基加固完成，經(jīng)檢測達(dá)到設(shè)計要求后，由于地下水位的變動，會對粉煤灰地基的承載力產(chǎn)生較大的影響。現(xiàn)結(jié)合青島某工程，通過理論試驗研究地下水位變化對粉煤灰地基強度影響。

1 粉煤灰土水特征曲線

為了評價地下水位升降對粉煤灰地基強度的影響，需要測定粉煤灰的持水特性。在非飽和土力學(xué)中，土的持水特性（或保水特性）用土水特征曲線來表示，如圖1所示。橫向坐標(biāo)為基質(zhì)吸力s=ua-uw，ua是孔隙氣壓，uw是孔隙水壓。對于降水引起土體中的吸力的情況，孔隙氣壓ua一般等于大氣壓，可設(shè)為零，而土體中孔隙水壓為負(fù)值，吸力是孔隙水壓的負(fù)值，即為正值。土水特征曲線的縱坐標(biāo)一般用含水量，也可以是飽和度或體積含水量。對于降低地下水位時，隨著水位下降，土體從飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，其含水量與吸力關(guān)系用圖1中的脫濕曲線表示。即如測得粉煤灰的土水特征曲線，根據(jù)地下水位值（即負(fù)孔隙水壓），可以從圖1中的脫濕曲線查得土體的相應(yīng)的含水量。圖中吸濕曲線是從較干的土樣增加含水量時，土體的含水量與吸力之間應(yīng)該滿足的關(guān)系。圖中空氣進(jìn)氣值是指有飽和狀態(tài)開始進(jìn)入非飽和狀態(tài)所需加的吸力值。

圖1 土水特征曲線圖

2 試驗研究

為了研究工程場地粉煤灰的持水特性，利用圖2所示土水特征曲線（SWCC）儀，進(jìn)行粉煤灰土水特性試驗。具體試驗方法如下：在該試驗過程中，試樣通過排水管與外界相連，所以試樣中的孔隙水壓力為零（即uw=0 kPa），孔隙氣壓為施加于壓力室的氣壓。在孔隙水壓等于大氣壓條件下，對試樣施加不同的孔隙氣壓ua，量測在試驗過程中試樣中的排水量，求得試樣的含水量。每級吸力s=ua-uw作用下至排水量穩(wěn)定后，記錄排水量，再加下一級吸力（氣壓）。在粉煤灰的持水特性試驗時，每級吸力下，需要3～5 d，其排水才能穩(wěn)定。

圖2 土水特征曲線(SWCC)儀之實景

圖3 和圖4分別表示了用圖2所示的試驗儀測得的粉煤灰的土水特征曲線。為了模擬地下水位上升時，粉煤灰的含水量或飽和度變化，首先對飽和粉煤灰施加30 kPa的吸力（即地下水位下降3 m時粉煤灰的含水狀態(tài)），然后分步降低吸力，量測粉煤灰試樣的含水量。從圖3、圖4可知，地下水位以上3 m的粉煤灰的含水量和飽和度分別約為39%和60%；2 m處的含水量和飽和度分別約為42%和63%；1 m處的含水量和飽和度分別約為53%和81%；0.5 m處的含水量和飽和度分別約為56%和85%。由上述粉煤灰的實測數(shù)據(jù)可知，距地下水位1 m以上的粉煤灰處于非飽和狀態(tài)，其強度的計算需要用非飽和土強度理論。

圖3 粉煤灰的土水特征曲線圖（用含水量w與吸力s表示）

圖4 粉煤灰的土水特征曲線圖(用飽和度Sr與吸力s表示)

3 非飽和粉煤灰的強度

非飽和土的孔隙中含有空氣和水，因此，它的強度特性要比飽和土復(fù)雜。由于水、氣界面呈彎液面，孔隙氣壓力ua和孔隙水壓力uw是不相等的，并且ua＞uw，兩者的差值等于吸力。當(dāng)ua為大氣壓力時，uw為負(fù)值。在不排氣、不排水條件下，ua和uw都隨外力的變化而變化。下面介紹有關(guān)非飽和土強度研究成果。

為了考慮ua和uw對非飽和土變形和強度特性的影響，Bishop（1959）引進(jìn)了等效孔隙壓力的概念，試圖把適用于飽和土的有效應(yīng)力原理直接引伸到非飽和土中。假定非飽和土的有效應(yīng)力為：

因此，非飽和土的抗剪強度可寫為：

式中：σ是總應(yīng)力；c'是有效凝聚力；φ'是飽和土的內(nèi)摩擦角；X是由試驗測定的參數(shù)，主要取決于飽和度。最近的研究表明，X可近似用飽和度Sr來代替，因此公式（2）可寫成：

由上式可知，當(dāng)凈應(yīng)力（σ-ua），吸力（s）和飽和度（Sr）已知時，非飽和土的強度可計算。對地下水位升降對粉煤灰地基強度的影響問題，在已測得土水特征曲線條件下可用式（3）的右邊公式進(jìn)行計算，即：

由于非飽和粉煤灰地基的透氣性較大，一般淺層地基中孔隙氣壓可假定為大氣壓，即ua=0 kPa,因此，地下水位下降引起的非飽和粉煤灰地基強度的增量：

根據(jù)圖3的粉煤灰的土水特征曲線和式(5)，可計算出地下水位下降引起的青島粉煤灰地基強度的增加，如表1所列，按φ=34°計算。

如果地下水位已降至3 m，此時進(jìn)行地基強度的檢測，后來，因地下水位上升，導(dǎo)致地基強度的降低，需要進(jìn)行評估。表2表示了青島粉煤灰地基的地下水位已降至3 m后，隨著地下水位上升，地基強度的降低量的計算結(jié)果。

表1 地下水位下降引起的粉煤灰強度增加一覽表

表2 從地下水位3 m起地下水位上升引起的青島粉煤灰的強度下降結(jié)果一覽表

表3表示了青島粉煤灰地基的地下水位已降至2 m后，隨著地下水位上升，地基強度的降低量的計算結(jié)果。

表3 從地下水位2 m起地下水位上升引起的青島粉煤灰的強度下降結(jié)果一覽表

4 結(jié)論

以工程實例為背景，通過理論及試驗研究地下水位變化對粉煤灰地基強度影響，得出如下結(jié)論。

（1）通過土水特征曲線及非飽和土強度理論研究，地下水位變化對粉煤灰地基強度有較大的影響。

（2）地下水位上升會導(dǎo)致粉煤灰地基承載力降低，地下水位下降會導(dǎo)致粉煤灰地基承載力提高，在粉煤灰場地設(shè)計施工中需要加以考慮。