地下水位上涨对地基土承载力的影响分析

陆亚兵 李春博

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

地下水位上涨对地基土承载力的影响分析

陆亚兵 李春博

(中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098)

从地基土承载力的计算公式出发，对比分析了不同基础宽度、不同基础埋深、不同土性的地基土承载力受水位变化的影响，分析显示：地下水位在基础底板以下变化时，对地基土的承载力影响较小，地下水位上涨至基础底板以上时，承载力明显下降。

地下水位上涨，地基，承载力

0 引言

自然因素和人类活动都有可能造成地下水位上涨。自然因素方面：由于温室效应引起的全球变暖，一方面引致降雨特征发生变化，另一方面使冰川融化海平面上升；另外，丰水年持续的降雨，河流、湖泊、水库等地表水体水位的变化都将使地下水位上涨。人类活动方面：在修建水电站、南水北调工程等大型水利工程时，可能造成局部甚至区域上的地下水位上涨。目前，在进行天然地基基础设计时均未考虑勘察阶段到建筑使用期间的地下水位上涨对地基承载力的影响。

地下水对天然地基的影响通常有两种可能，一是淹没在水下的土，由于失去由毛细管应力或弱结合水所形成的表观凝聚力，使承载力降低。此外由于含水量的变化可能影响实验得到的内摩擦角的大小；二是由于地下水的存在，使土的有效重度减小而降低了土的承载力。第一种情况对地基承载力的影响程度目前尚难以确定，在一般的理论研究中都忽略这种因素，即假定水位上下的强度指标相同[1]。因此，本文在分析地下水上涨对地基土承载力的影响时，仅考虑了上面第二种情况的影响。

1 规范中地基土承载力的计算公式

GB 50007-2011建筑地基基础设计规范的地基承载力公式采用Flament解，定义基底下塑性区开展深度为b/4(b为基础宽度),相应的临塑荷载为地基承载力特征值，并对φ>26°的承载力系数Mb根据大量载荷试验结果进行了修正。规范规定：当偏心距e不大于0.033倍基础底面宽度时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算[2]：

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck。

其中,fa为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，kPa；Mb，Md，Mc均为承载力系数；b为基础底面宽度，m，大于6 m时按6 m取值，对于砂土小于3 m时按3 m取值；ck为基底下一倍短边宽度的深度范围内土的粘聚力标准值，kPa。

2 地下水位对承载力的最大影响深度

对于任何一种破坏模型，都存在一个地下水的影响深度Zmax，地基的承载力破坏机制都发生在这个深度内。也就是说，如果地下水位的埋深大于Zmax，则不再对承载力产生影响。规范定义基底下塑性区开展深度为b/4所对应的临界荷载为地基承载力，在承载力验算中，人们只关心基底下b/4深度范围内的水位变化情况，可认为：Zmax=b/4[1]。

以上四种情况下的地基土承载力计算时的重度取值如下：

1)如图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)如图2所示：地下水位于基底与Zmax之间，基底下土体重度在最大影响范围Zmax内取加权平均重度，即：[γH+γ′(Zmax-H)]/Zmax；基底面上取天然重度γ。

3)如图3所示：地下水位与基底齐平时，基底面以下土取有效重度γ′；基底面上取天然重度γ。

4)如图4所示：地下水位于基础埋深D内，基底面以下土取有效重度γ′；基底面上取[γ(D-h)+γ′h]/D；当h=D时，水位位于地表，此时基底面上取有效重度γ′。

3 地下水上涨对地基土承载力的影响分析

本文根据规范分别计算两种典型基础，在四种不同水位埋深情况下的地基土承载力特征，并将计算出的承载力按照不同土性进行量化对比分析，以得出定性的规律。

两种典型基础条件如下：

通过结构分析可知，飞行中该拉杆主要承受轴向拉压载荷，要测得拉杆拉压载荷，需要在拉杆上粘贴垂直组合应变计。常规等截面细长拉杆一般在拉杆中间对称粘贴应变计，对侧组桥即可。该机拉杆属于非常规细长拉杆，结构如图2。拉杆结构左右对称，由螺纹杆、耳环套筒(内含螺纹)、连接螺栓等组成，其中螺纹杆直径6 mm，套筒直径14 mm，图中标出了套筒内部螺纹区域。

1)基础宽度b=2 m，基础埋深D=2 m；

2)基础宽度b=16 m，基础埋深D=8 m。

四种不同水位埋深情况如下：

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。

为方便计算，土的天然重度统一取20 kN/m3，有效重度统一取10 kN/m3；并假设基底下土为均一的砂土、粉土或黏性土。

3.1 砂土地基

根据经验，典型的砂土抗剪强度指标见表1。

将以上四种土样在四种不同水位埋深情况下计算出的承载力特征值(fa′)与地下水位于Zmax以下的承载力特征值(fa)的比值作为横坐标，水位埋深作为纵坐标绘制如图5和图6所示曲线。

表1 典型砂土抗剪强度参数

由图5和图6可知：砂土地基在水位上涨后地基承载力总体呈下降趋势；不同宽度和埋深的基础随水位上涨后地基承载力下降趋势基本一致；不同类型的砂土承载力在地下水位上涨时承载力降幅基本一致。当地下水上涨未超过基础底板时，地基承载力降幅不大，一般小于10%；当水位涨幅超过基础底板以上时，地基承载力显著下降，当地下水位上涨至地表时，地基承载力降幅最大，达50%。

3.2 粉土及黏性土地基

根据经验，典型的粉土及黏性土抗剪强度指标见表2。

表2 典型粉土及黏性土抗剪强度参数

将以上六种土样在四种不同水位埋深情况下计算出的承载力特征值(fa′)与地下水位于Zmax以下的承载力特征值(fa)的比值作为横坐标，水位埋深作为纵坐标绘制如图7和图8所示曲线。

由图7和图8可知：粉土或黏性土地基在水位上涨后地基承载力总体呈下降趋势；不同宽度和埋深的基础随水位上涨后地基承载力下降趋势基本一致。不同类型的粉土或黏性土，地基承载力随水位上涨而下降的降幅随着土的粘聚力增大而减小，当地下水上涨未超过基础底板时，地基承载力降幅不大，一般小于10%；

当水位上涨超过基础底板以上时，地基承载力显著下降，当地下水位上涨至地表时，地基承载力降幅最大，一般为35%～48%，不同类型土的降幅差达15%左右。

4 结语

1)砂土、粉土或黏性土地基在水位上涨后，地基承载力总体呈下降趋势；不同宽度和埋深的基础随水位上涨后地基承载力下降的趋势基本一致。

2)当地下水位在上涨影响的最大深度Zmax以下变化时，地基承载力不受地下水影响；当地下水位在上涨影响的最大深度Zmax以上变化时，地基承载力随水位上涨而降低。

3)不同类型的砂土地基在水位上涨后，地基承载力降幅基本一致；不同类型的粉土或黏性土在水位上涨后，地基承载力降幅随着粘聚力的增大而减小，不同粘聚力的土之间的承载力最大降幅差达15%左右。

4)当水位在基础底板以下上涨时，地基承载力降幅不大，与未受影响的情况相比一般不超过10%；当水位在基础底板以上上涨时，地基承载力显著下降，当地下水位上涨至地表时，砂土地基承载力降幅最大达50%；粉土或黏性土地基承载力降幅在35%～48%。

5)对于使用期间地下水位可能上涨至基础底板以上的场地，在进行天然地基基础设计时，应充分考虑因地下水位上涨而造成地基承载力下降的不利影响。

[1] 张在明.地下水与建筑基础工程[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2] GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[3] 周 健，屠洪权，繆俊发.地下水位与环境岩土工程[M].上海:同济大学出版社，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

陆亚兵(1983- )，男，工程师; 李春博(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2014)27-0073-02

TU411

A