地下水位抬升对非湿陷地基变形的影响

刘振红，张一

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

水利工程实践中，水库蓄水后引起库区周边一定范围内地下水位一定程度的抬升． 当库岸比较平缓、地面高程与正常高水位相差不大时，水库蓄水后给滨库地带的农田、建筑物的安全带来不利影响．评价水库对库周建筑物的影响，首先要分析地基土层的工程特性，特别是地下水位抬升后，土层的饱和对其承载力、变形参数等力学强度的影响，然后才能确定较为适当的判别标准［1］． 因此，水库蓄水后地下水位抬升对水库周边建筑物的影响，实质上就是地基土层工程特性变化引起建筑物的地基变形．

地下水位抬升后，不仅影响地基土层有效应力的分布，还将软化地基土、降低承载力、增大压缩性［2］，对水位波动带土层的变形特性产生一定的影响［3］．非湿陷土因变形参数弱化同样可在原有变形的基础上产生附加变形． 李根义［4］认为，地下水的存在、赋存状态及变化对地基沉降计算结果有很大影响，因此在计算过程中，地下水位的选择、地下水位变化趋势的预测对计算结果影响表现得更加突出．杨红禹等［5］分析认为未来上海地区海平面上升将引起地下水位抬升，地下水位抬升对地基沉降和地基土压缩模量的影响程度都很小． 杨希等［6］利用室内模型试验研究了地下水位波动下粉土地基的变形特点．其研究结果表明，在水位上升和下降过程中，粉土的压缩模量均表现为减小的趋势，压缩模量的下降必然导致沉降量的增大．对于湿陷性土，由于其湿陷性，可引起湿陷变形． 但对于非湿陷性土来说，其变形的影响不仅要考虑地下水位变化对自重应力的影响，还要考虑不同土层在地下水位抬升后对变形参数的影响程度，尤其是对非湿陷性地基的影响需要进一步研究．

笔者主要以黄河某水库环境地质问题对滨库区影响的研究成果为基础，对比分析不同土层天然状态下和饱和状态下的固结试验成果，研究地下水位抬升对地基变形参数的影响程度;计算不同基础形式下非湿陷土地基饱和后可能产生的附加变形，分析地下水位抬升对非湿陷土地基变形的影响，进一步认识非湿陷土遇水饱和后的变形特点． 结果可为建筑物浸没判别标准提供依据．

1 天然条件与饱和条件下的土层压缩模量

黄河某水库滨库区Ⅱ级阶地部位主要分布粉细砂层、粉土层以及粉质黏土层，在土层中取样，在天然条件和饱和条件下分别对这3 种土样进行压缩固结试验，试验方法来自于《土工试验规程》(SL 237—1999)，固结试验结果见表1．

表1 地基土层固结试验成果对比表

由表1 可知:粉细砂天然状态下的压缩模量为17．92 MPa，饱和状态下为16．21 MPa，饱和后压缩模量平均降低幅度为10．5%;粉土天然状态下的压缩模量为14．08 MPa，饱和状态下为11．94 MPa，饱和后压缩模量平均降低幅度为15． 2%;粉质黏土天然状态下压缩模量为12．19 MPa，饱和状态下为9．51 MPa，饱和后压缩模量平均降低幅度为21．5%．

根据以上试验结果，可以认为:压缩模量与含水量有较大关系，压缩模量的降低幅度与土层的黏粒含量、天然含水率(或饱和度)有关． 土层黏粒含量越高，饱和后压缩模量降低幅度越大;天然含水率也与饱和后压缩模量的降低幅度有一定的关系． 杨红禹等认为海平面上升对土压缩模量的影响不大，可能与上海地区土层天然含水率比较高有关［5］．

2 地基土层固结试验对比

为了对比粉细砂和粉土在地下水饱和状态下的压缩变形，在Ⅱ级阶地前缘陡坎取代表性样品进行了试验．样品1 与样品2 在天然、饱和状态下的固结试样高度－压力(h－p)曲线如图1 所示．其中样品1 为粉细砂，饱和状态下的压缩模量减小10．78%，与砂层样品的平均降幅接近，基本反映了砂层压缩变形的一般变化规律;样品2 为粉土，饱和状态下的压缩模量减小27．40%，降幅较大，反映了黏性土层的压缩变形特点．

图1 固结试验h－p 曲线

在200 kPa 压力下，样品1 天然状态下的压缩变形量为0．354 mm，饱和后压缩变形量为0．485 mm，产生了0．131 mm 的附加压缩变形;样品2 天然状态下的压缩变形为0．449 mm，饱和后压缩变形为0．592 mm，产生了0．143 mm 的附加压缩变形．两个样品的附加压缩变形均占总变形量的25%左右，说明饱和对土层的压缩变形影响较大． 参照双线法湿陷试验，计算样品1、样品2 在200 kPa 压力下的湿陷系数分别为0．006 5、0．010 7，粉质黏土层的湿陷系数为0．002 ～0．014，均不属湿陷性土．

3 附加变形对地基基础的影响

该水库正常蓄水位运行时，库水位由1 066 m抬升至1 076 m，周边地下水位抬升幅度一般不超过9 m，据初步分析，库周部分已有建筑物的基础底面基本位于地下水位抬升带顶面附近，这部分建筑物受地下水位抬升的影响最大． 根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002)，采用应力面积法分别计算地基土层在天然状态和地下水位抬升9 m 后的沉降变形量，公式如下:

式中:s 为地基最终沉陷变形量，mm;ψs为沉降变形经验系数，根据压缩模量和基底应力取值;p0为基底附加应力，kPa;Esi为第i 层土的压缩模量，MPa;zi、zi－1分别为基础底面至第i 层、第i－1 层的距离，m;αi、αi－1分别为基础底面计算点至第i 层、第i －1 层底面范围内的平均附加应力系数．

3．1 墙下条形基础

工程区多层建筑物多采用条形基础，其每层每延米荷载一般为30 ～40 kN，假设条形基础宽度b为1 m，每层对应的基底应力约为30 ～40 kPa．根据滨河一期有关小区岩土工程勘察报告，该区粉细砂的承载力特征值为160 kPa，因此若采用宽度为1．0 m的墙下条形基础，建筑物不宜超过4 层．因此，4 层建筑物的条形基础宽度为1．0 m 时，基底附加应力取160 kPa，计算墙下条形基础地下水位抬升前、后的沉降变形量，结果见表2．

表2 地下水位抬升前、后条形基础沉降变形量

从表2 中可以看出，对于采用条形基础(宽度取1．0 m)的4 层普通房屋，粉细砂、粉土、粉质黏土地基天然状态下的沉降变形量分别为8．06、16．99、25．56 mm，地下水抬升9 m 后的沉降变形量分别为11．07、26． 90、43． 55 mm，可分别产生3． 01、9．91、17．99 mm 的附加变形量，饱和压缩模量降低最多的粉质黏土地基附加变形最大，可能对建筑物的安全产生影响．

3．2 筏板基础

该库区的小高层建筑物一般采用筏板基础，该区粉细砂的承载力特征值为150 ～160 kPa．以10 层建筑物荷载为例，计算筏板基础的地下水位抬升前后的沉降变形量．根据工程经验，其基底附加应力取160 kPa，筏板基础长度取75 m、宽度取15 m，计算结果见表3．

表3 地下水位抬升前、后筏板基础沉降变形量

从表3 中可以看出，对于采用筏板基础的10 层普通建筑物，粉细砂、粉土、粉质黏土地基天然状态下的基础中心的沉降变形量分别为48．05、110．06、173．15 mm，地下水位抬升9 m 后基础中心的沉降变形量分别为55．87、135．75、219．68 mm，可分别产生7．82、25．69、46．53 mm 的附加变形量，饱和压缩模量降低最多的粉质黏土地基附加变形最大达46．53 mm，可能对建筑物安全产生一定影响．

因此，在评价水库蓄水对建筑物的影响时，应分析地下水位抬升对不同土层非湿陷地基变形的影响程度，重视因压缩模量降低可能产生的附加变形对建筑物安全的影响(特别是地基跨越不同地质单元及基础．抵抗不均匀变形能力较差时)，并据此可确定滨库区建筑物浸没判别标准．

4 结 语

1)非湿陷土在饱和后压缩模量均有所降低，粉细砂层、粉土层、粉质黏土层的压缩模量平均降低幅度分别为10．5%、15．2%、21．5%．饱和后压缩模量降低幅度与土层的黏粒含量及天然含水率有关，土层黏类含量越高，饱和后压缩模量降低幅度越大．

2)4 层普通建筑墙下条形基础在地下水位抬升9 m 后，粉细砂层、粉土层、粉质黏土层地基的附加变形量分别为3．01、9．91、17．99 mm，饱和后压缩模量降低最多的粉质黏土地基附加变形量最大;10 层普通建筑筏板基础(宽度15 m、长度75 m)在地下水位抬升9 m 后，粉细砂层、粉土层、粉质黏土层地基中心的附加变形量分别为7．82、25．69、46．53 mm，饱和后压缩模量降低最多的粉质黏土地基附加变形最大达46．53 mm，可能对建筑物的安全产生一定的影响．

3)评价水库蓄水后地下水对建筑物的影响时，应分析地下水位抬升对非湿陷地基变形的影响程度，重视非湿陷土因压缩模量降低而产生的附加变形可能对建筑物安全的影响(特别是地基跨越不同地质单元及基础抵抗不均匀变形能力较差时)，并以此为基础确定建筑物浸没判别标准．

［1］中华人民共和国水利部．水利水电工程地质勘察规范:GB 50486—2008［S］．北京:中国计划出版社，2009:101－102．

［2］周宏益，孟莉敏，彭雄武． 地下水位变化对建筑物沉降影响的数值模拟［J］．工程勘察，2006(12):47 －50．

［3］张鑫，李聪伟，潘恺． 地下水位波动对地基土变形特性的影响［J］． 华北水利水电学院学报，2012，33(5):95 －98．

［4］李根义．地下水对地基沉降计算的影响评价［J］．地下水，2009，31(4):25 －26．

［5］杨红禹，田春德．未来上海地区海平面上升对土压缩模量的影响分析［J］．水文地质工程地质，2001，28(2):25－27．

［6］杨希，雷学文，孟庆山，等．地下水位波动条件下粉土地基变形特性试验研究［J］． 人民长江，2012，43(3):84－87．