地下水位上升對砂土地基承載力的影響

馬麗珠

摘要：隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間被大力的開發(fā)利用。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M砂土地基上的天然基礎(chǔ)，通過靜載荷試驗(yàn)等方法測試地下水位上升時(shí)，砂土地基的承載力、孔隙水壓力、有效應(yīng)力以及基礎(chǔ)的沉降等的變化規(guī)律，為工程應(yīng)用提供借鑒。

Abstract： Along with the development of city construction， the underground space isexploited widely.This paper is natural basement in sandy foundation is simulated by the way of laboratory test. Then through the SLT test， get the change laws of bearing capacity， pore water pressure， effective stress and settlement in sandy foun-dation after analyzing change of underground water level.These may provide

refer-ence for the engineering application.

關(guān)鍵詞：地下水位；地基承載力；砂土

Key words： water level change；sandy soil；bearing capacity

中圖分類號：TU471.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0099-02

0 引言

地下水是地殼中一個(gè)極其重要的天然資源，也是巖土三相組成部分中的一個(gè)重要組分。地下水在巖土孔隙或裂隙中能夠滲流，對巖土的工程力學(xué)性質(zhì)有著巨大的影響。例如：地下水滲流會引起巖土體的滲透變形，直接影響建筑物及其地基的穩(wěn)定與安全；地下水位的變化會使地基土中的有效應(yīng)力場發(fā)生變化，從而引起地基土的回彈或沉降；地下水位的變化還會引起土體含水率的變化，從而也會改變土體的力學(xué)性質(zhì)，造成地基土的承載力的變化[1]；抽水使地下水位下降而導(dǎo)致地基土體固結(jié)，造成建筑物的不均勻沉降等問題。由此可見，地下水位的變化，通常會對建筑物造成許多不利的影響，尤其近年來，隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間被利用的越來越廣泛，在地下空間的建設(shè)中，不可避免的會涉及到地下水的問題，由地下水及其水位變化而引起的建筑物的不均勻沉降、基礎(chǔ)上浮等施工過程中的質(zhì)量事故屢屢出現(xiàn)，給工程造成了巨大的損失。可見，地下水及其水位變化對地基承載力的影響是我們在進(jìn)行巖土工程勘察和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中必須要重視的問題。

目前，對于巖土工程設(shè)計(jì)中地基承載力的確定，很多工程師只是根據(jù)勘察單位所提供的地基土的各項(xiàng)承載力計(jì)算指標(biāo)來進(jìn)行計(jì)算，而沒有考慮到地下水位上升對地基土的承載能力的影響。而實(shí)際上地下水位的上升勢必對地基土的承載力會造成影響，因此開展地下水位上升對地基承載力的影響的研究會對實(shí)際工程有著重要的指導(dǎo)意義。

目前在我國，北京、上海等地對于地下水位變化對地基土的承載能力的影響進(jìn)行了較深入的研究，但由于巖石和土形成的原因非常復(fù)雜，其力學(xué)性質(zhì)的影響因素也非常多，再加上其工程性質(zhì)在空間分布上的顯著不均勻性和區(qū)域特性。其他省市成熟的工程經(jīng)驗(yàn)對于遼沈地區(qū)來說，也只有一定的參考價(jià)值，而不能直接拿來采用，因此結(jié)合遼沈地區(qū)的工程地質(zhì)條件和建筑施工特點(diǎn)，開展地下水位的變化對地基土的承載力影響的研究是十分迫切和必要的。本文主要對地下水位上升對砂土地基承載力的影響作出分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

按預(yù)先確定好的回填砂樣控制指標(biāo)在試驗(yàn)槽內(nèi)分層回填砂樣，進(jìn)而在不同含水量的情況下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)槽內(nèi)的水位變化時(shí)，實(shí)測砂土地基的荷載和沉降的關(guān)系，以及土中應(yīng)力的變化規(guī)律，重點(diǎn)研究地下水位上升時(shí)對砂土地基承載力和沉降的影響。

1.2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)槽采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其長、寬、高分別為4.0m、1.0m、4.5m，試驗(yàn)槽的壁厚為0.2m，內(nèi)部埋設(shè)有兩個(gè)模擬基礎(chǔ)，分別用1號和2號對其編號，模擬基礎(chǔ)都采用方形的平面形狀，基底邊長為0.5m。在基底處和基底下0.5m處埋設(shè)有土壓力傳感器和水壓力傳感器，用來測試地下水位上升過程中土中應(yīng)力的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 水位變化對地基承載力的影響

試驗(yàn)槽內(nèi)埋設(shè)的兩個(gè)模擬基礎(chǔ)，其地基土的干密度均為1.75 g/cm3，不同的是1號基礎(chǔ)下地基土的含水率為5.72%，屬于非飽和土，2號基礎(chǔ)下地基土的含水率則為飽水（含水率為23%），靜載荷試驗(yàn)結(jié)果如圖1、表1所示。

由靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，飽水情況和非飽和情況下的P-S曲線變化的都比較平緩，沒有明顯的陡降段，我們按照規(guī)范分別取沉降為0.01、0.012、0.015倍基礎(chǔ)寬度時(shí)所對應(yīng)的荷載為地基承載力特征值fa[2-3]，由表1也可看出飽水情況下砂土地基的承載力比非飽和情況下的要低，降低幅度為25%-27.27%，平均值為26.25%。

從非飽和到飽水情況，砂土地基的承載力降低，主要原因是隨著砂土含水量的增加，內(nèi)摩擦角降低，而土的抗剪強(qiáng)度也隨之降低。

2.2 水位變化對砂土中有效應(yīng)力的影響

在地基土的含水率為飽水的2號模擬基礎(chǔ)上，預(yù)先施加100kPa的荷載，用來模擬既有建筑物的荷載，然后往試驗(yàn)槽內(nèi)加水，并控制槽內(nèi)的水位深度依次為基底下2.8m、2.5m、2.0m、1.5m、1.0m、0.5m、0m，同時(shí)監(jiān)測土中的總應(yīng)力和孔隙水壓力，再依據(jù)有效應(yīng)力原理：飽和土中任一點(diǎn)的有效應(yīng)力總是等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力，從而計(jì)算出土中的有效應(yīng)力的大小。

通過土中孔隙傳遞的應(yīng)力稱為孔隙應(yīng)力，也稱孔隙壓力，包括孔隙水壓力和孔隙氣壓力，對于飽和土中只有孔隙水壓力。表2中孔隙水壓力的實(shí)測值是由預(yù)埋的孔隙水壓力傳感器直接測得的，而表中計(jì)算水壓力值則是根據(jù)安裝在試驗(yàn)槽外的水位管測出的槽內(nèi)水位與孔隙水壓力傳感器的埋置位置間的水頭差計(jì)算得來的，其中水的重度取9.8kN/m3。

由表2可以看出，砂土中由孔隙水壓力傳感器測得的孔隙水壓力值與由水位管測得的水頭差產(chǎn)生的孔隙水壓力基本相同，說明砂土中的孔隙水壓力是由靜水壓力產(chǎn)生的，在計(jì)算砂土的有效應(yīng)力時(shí)，水下部分砂土的重度應(yīng)該取浮重度。[4-5]

由表3可以看出，在砂土地基中隨著水位的升高，孔隙水壓力增大，而土中的有效應(yīng)力則會減小。

2.3 水位上升對砂土地基沉降的影響

依據(jù)土力學(xué)的知識，我們知道：隨著地下水位的下降，地基土中的孔隙水壓力會變小，而有效應(yīng)力會增加，進(jìn)而會使基礎(chǔ)產(chǎn)生沉降。那么對于地下水位上升對基礎(chǔ)沉降的影響我們通過試驗(yàn)來研究一下，在2號模擬基礎(chǔ)上預(yù)加100kPa的荷載后，試驗(yàn)槽內(nèi)的水位從基礎(chǔ)底面0m處開始逐漸升高，在這個(gè)過程中實(shí)測基礎(chǔ)的沉降值變化，如圖2所示。從圖中我們不難看出，隨著試驗(yàn)槽內(nèi)水位的升高，基礎(chǔ)有一定的沉降，當(dāng)水位升高4.3m時(shí)，累積沉降量為0.565mm。這是由于：雖然水位升高了，會使孔隙水壓力增大，而有效應(yīng)力減少，但是對于正常固結(jié)或超固結(jié)的地層，變形量會有一定的回彈，但是砂土屬于典型的彈塑性體，由于卸載而產(chǎn)生的彈性回彈量相對于整體壓縮量而言非常微小，可以忽略不計(jì)。對于測試中基礎(chǔ)的沉降可以認(rèn)為是地基土由飽水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而地基承載力下降而產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

由于人為開發(fā)等因素，致使從事巖土工程設(shè)計(jì)的工作人員必然會面臨一個(gè)地下水位不斷上升的態(tài)勢。而地下水位的上升，必然會導(dǎo)致砂土地基承載力的下降，飽水情況下砂土地基的承載力比非飽和情況下的要低，降低幅度平均值為26.25%。當(dāng)基礎(chǔ)上預(yù)先施加100kPa的荷載，隨著地下水位的上升，地基承載力降低，導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生附加沉降，當(dāng)水位升高4.3m時(shí)，累積沉降量為0.565mm。對此，人們必須要引起足夠的重視，要積極采取相應(yīng)的措施以控制地下水位的上升，達(dá)到確保工程安全的目的。

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