地下水位下降对建筑地基变形计算的影响.pdf

2 0 1 3 年2 期西南公路n a n g o n g l u 地下水位下降对建筑地基变形计算的影响 蓝晓锋 ( 广东省公路勘察规划设计院股份有限公司广州 5 1 0 5 0 7 ) 【摘要】城市建设不断加快，因大量开采地下水引起地下水位持续下降现象越发严重，导致土体有效 应力变化，发生饱和一非饱和土体固结沉降。而目前地基的变形计算大都采用规范推荐的分层总和法，计算 中未考虑建筑物运营期地基地下水位下降对地基变形的影响。通过算例分析不同水位降深饱和、非饱和区域 的沉降量，指出地面沉降随着地下水位降低不断增大，设计方案中应考虑地下水位下降引起的地基变形因素。 【关键词】地下水位下降；地基；变形计算；分层总和法 【中图分类号】t u 4 6 + 2【文献标识码】a 0 引言 随着国民经济的发展，城市建设不断加快，水 资源的大量消耗使地下水过量开采导致区域性地面 沉降，这是我国目前城市发展中面临的一个严重问 题。已有学者对半空间饱和土中井点抽水问题进行 研究”。1 。多数情况下，地下水位下降导致土体孑l 隙 水压变化，土体发生饱和非饱和固结沉降。地下 水位降低引起非饱和区域土体饱和度减少，净平均 应力降低和基质吸力增大。h s i n y us h a n ”1 在台湾沿 海地区地面沉降的调查中发现，非饱和沉降量不可 忽略，对地面沉降的估算结果表明非饱和区域的沉 降量可占总沉降量的4 7 9 。k a j y u a nk e ”1 通过非饱 和土柱在不同条件下的排水固结试验，测得土柱在 固结过程中的沉降变形和孔隙水压的变化，试验结 果表明在排水固结过程中非饱和土的沉降变形十分 明显。建筑地基变形计算采用的是建筑地基基础 设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 1 1 ) 盯1( 以下简称地基 基础规范) 中的分层总和法进行计算，计算中未考 虑后期地下水位下降对地基变形计算的影响，地下 水位下降可能使地基变形量超过设计方案计算值， 甚至超出规范允许值发生事故。本文通过算例分析 不同地下水水位降深产生的最终沉降，对比未考虑 水位降深地基变形沉降量的差别，以加强建筑项目 勘察水文地质勘察及及设计方案中地下水位下降对 地基变形的分析，保证建筑安全。 1 计算方法和基本假设 计算地基最终变形的方法有很多种，对于天然 地基，目前工程上用的较多是地基基础规范推荐的 分层总和法。此方法计算地基变形时，地基内的应 力分布，采用各向同性均质线性变形体理论，使用 单一的压缩性指标，并用平均附加应力系数和应力面 积的概念，建立了如下计算地基最终变形量s ( m m ) 的公式： j = 咿= 忆套尝( 磊瓦一乙。瓦一。) ( 1 ) 式中： ，一按单向压缩分层总和法计算出的地基变形 量，眦l ； p 一为沉降计算经验系数； 甩为计算深度范围内所划分的土层数； 风为对应于荷载效应准永久组合时的基础底 面处的附加压力，k p a ； z 。、z h 一分别为基础底面至第f 层土、第f l 层土 底面的距离，m ； 吼，a 。一分别为基础底面计算点至第层土、第 f l 层土底面范围内平均附加应力系数； e 。一为基础底面下第i 层土的压缩模量，应取土 的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力 段计算。 该方法参数少，且易于得到，配合一定的经验 5 s 西南公路 系数，一般计算结果和工程实测值较为接近，精度 满足工程设计要求。为简化计算设立以下计算模型： 图1 降水饱和非饱和维沉降计算 采取的计算简图( 见图1 ) ，并假设以下条件 成立： ( 1 ) 基础底面附加压力为矩形均布荷载； ( 2 ) 地下水位下降，土体产生饱和一非饱和一 维沉降，初始地下水位与地平面相平为0 m ； ( 3 ) 土体各向同性，土层厚度日= 5 0 m ； ( 4 ) 下底面为刚性基底； ( 5 ) 地下水位下降，饱和土体失水变为非饱和 土，孔隙水压力消散，土体有效应力增加，压缩模 量变小。 2 算例分析 根据计算简图l ，矩形均布荷载长宽比= 1 ( 基础宽度设为1 0 m ) ，基础底面附加压力土层为均 匀各向同性，下底面为刚性基底，土层厚度h = 5 0 m ， 初始地下水位与地面相平，地下水位降深分别为 5 m 、1 0 m 、1 5 m 、2 0 m ，计算不同水位降引起饱和 非饱和沉降，土的计算参数见表l 。 表1 土的相关物理、力学参数 风= 1 0 0 k p a ，巨，= 8 m p a ( 地下水位下降，非饱和土压缩模 量) ；e ，：= 1 0 m p a ( 饱和土压缩模量) ； 地下水降深为0 m ：五= 0 0 9 3 5 ； 地下水降深为5 m ：五，= o 2 4 4 8 5 ，瓦= o 0 9 3 5 ； 地下水降深为1 0 m ：石。= o 2 2 5 2 ，西：= 0 0 9 3 5 ； 地下水降深为1 5 m ：瓦。= 0 1 9 9 l ，石：= o 0 9 3 5 ； 地下水降深为2 0 m ：瓦= o 17 4 6 ，瓦= o 0 9 3 5 。 从表2 的计算结果可以看出，随着地下水位下 降，地面总沉降量不断增大，非饱和土位移随深度 近线性递增，饱和区近似线性递减，非饱和土体递 增速率较饱和土体递减速率要大。表2 和图2 显示了 5 6 不同水位降饱和、非饱和沉降量，地下水位线以上 非饱和区域的沉降在总沉降量中的比例逐渐增大， 当水位下降5 m 、1 0 m 、1 5 m 、2 0 m 时，地面沉降量增 加的比例分别达到1 6 7 、2 8 0 、3 5 2 、3 9 7 。 表2不同水位降饱和一非饱和沉降 地下水位 非饱和区 饱和区沉地表累积 沉降增加 降低值( m ) 沉降( m m l 降( i 砌)沉降( m m )比例 003 6 2 33 6 2 3o 51 4 1 62 8 1 34 2 2 81 6 7 1 02 6 0 42 0 3 44 6 3 82 8 o 1 53 4 5 31 4 4 44 8 9 73 5 2 2 04 0 3 81 0 2 55 0 6 23 9 7 。 、 一非饱和沉降 卜一饱和沉降 一地面累积沉降 u)l ul ， 图2 不同水位降饱和非饱和沉降 饱和土因地下水位下降变为非饱和土，压缩模 量变小是影响地基变形计算的直接因素，设计方案 中选取正确的压缩模量尤为重要。目前，工程勘察 报告中提出压缩模量是按勘察期间天然状态条件进 行室内饱和或非饱和土体固结试验而获得。对于后 期可能存在地下水位下降产生地基变形影响建筑物 安全的场地，最好的办法是加强场地水文地质勘 察，根据已有资料对地下水位发展趋势进行评估， 选做饱和土体在非饱和条件下的固结试验。设计方 案中考虑地下水位下降导致地基变形增加，采用饱 和土的非饱和固结试验压缩模量进行计算。 3 结论 地下水位下降使土体饱和度减少，孔隙水压变 化，非饱和土基质吸力增加引起土体收缩变形，土 体压缩模量变小，地面沉降增加。算例结果显示， 地下水位下降导致地面沉降不断增大，非饱和沉降 增加速率较饱和沉降速率快，地面沉降量增加不容 忽视。建设项目勘察中加强对区域水文地质发展趋 势的调查及预测，设计方案中根据水文地质勘察资 料采用合理压缩模量进行计算，充分考虑地下水位 变化引起地面沉降对建筑物地基变( 下转第6 l 页) 文丽娜，符文熹：雅泸高速公路昔格达地层地基稳定性分析 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 5 ( m ) 图8昔格达地基不同抗剪折减系数时的位移和剪应变分布 图5 图7 所示的方案l 和方案2 的破坏区演变和 地基变形趋势符合经典土力学的“滑移楔”理论。 另外，以上2 种方案均表明昔格达天然地基的承载性 能较高，对于路堤高度1 4 m 左右时，路堤容重为4 倍 填筑材料密度之前，地基总体处于线弹性状态；地 基抗剪强度折减1 6 倍之前，地基总体处于线弹性状 态。这表明昔格达天然地基的承载性和稳定性均较 高，可以作为填料路堤的天然地基。 需注意的是，依托工点为庄稼地，表部耕作土 和浅部长期人为耕作扰动土和强风化土需清除或改 良才能作为路堤的地基。 5 结论 ( 1 ) 当地基荷载逐渐增大，昔格达地层承压板 下及周围介质的变形影响和塑性扩展范围和深度符 合经典土力学描述呈“桃”型的分布规律，紧邻承 压板下的垂直变形，逐渐导致板周围变形，并略有 轻微鼓胀特征，这也与现场原位大型承压板试验揭 示的变化规律一致。 ( 2 ) 路堤荷载作用下昔格达地基的承载性破坏 区演变和地基变形趋势符合经典土力学的“滑移楔” 理论。另外，试验表明昔格达天然地基的承载性能较 高，对于路堤高度1 4 r n 左右时，路堤容重为4 倍填筑 材料密度之前，地基总体处于线弹性状态；地基抗剪 强度折减1 6 倍之前，地基总体处于线弹性状态。 ( 3 ) 试验表明昔格达天然地基的承载性和稳定 性均较高，可以作为填料路堤的天然地基。 参考文献 1 】罗运利，刘东生昔格达组沉积环境演化与旋回地层学研究 j 】第四纪研 究，1 9 9 8 4 ，3 7 3 【2 蒋复初，吴锡浩，肖华国，赵志中四川泸定昔格达组时代及其新构造意义 佣地质学报，1 9 9 9 ，7 3 ( 1 ) ，1 6 3 】蒋复初，吴锡浩，肖华国泸定昔格达组时代与川西高原隆升 j 】第四纪研 究，1 9 9 2 ，2 ，1 9 0 【4 】张永治西攀地区昔格达综述【j 】攀枝花大学学报，1 9 9 5 ，1 2 ( 2 ) ，7 5 7 8 5 】许述礼昔格达层变形特征及其原因【j 】四川地震，1 9 9 0 ，3 ，6 3 “ 6 】吉随旺等昔格达地层公路修建技术研究 r 】，2 0 0 7 ( 上接第5 6 页) 形的影响。 参考文献 1 】b 0 0 k c rjr c a n 盯jp m m l y s i so fap 0 血s i n l ( e m b e d e di nap o r o u se l 髂n c h a i f s 口e m i n t a m ；垴a lj o 啪a lf 折n u m b e r i c a l 柚da n a l y t i c a lm e t h o do n g c o m c h a n i c s ，1 9 8 6 ，1 0 ( 2 ) ：1 3 7 一1 5 0 f 2 1w o r s a kkn ，c h 孤kt p o i n ts i n k 做m d 锄e n 伽s o l u d o 璐f o rs u b 8 i d c n c e p r e d i c 廿田j o 唧l a l o f e n g i n e 响唱m e c h a n i c s ，1 9 9 0 ，1 1 6 ( 5 ) ：1 1 3 4 1 1 3 8 3 】c h 肌k t r i l i d p o 缸s 呲e 锄d p o 衄妇弼缸l i 蛐d 讧i v eb a l f 印a c e j 1 m c c h a n i c so f m a t e r i a l s 1 9 9 6 ，2 3 ( 3 ) ：2 4 1 - 2 5 3 4 汪东林彝笺田扬庆非饱和土体变形试验研究及其在地面沉降中的应用叨 防灾减灾工程学报 2 0 0 7 ，2 7 ( 3 ) ：3 0 7 3 1 1 5 】s h mhy l owj d e f o m 撕c h a 瑚t e r i s d c so fs h a l l o wa q i l i 断s o i b 【a 】 pr 0 脚d i n 疹o f 恤s e 。叩dh 咖面a lc 0 血釉u 璐咖哪。ds o i l s 【q b e u n g ：【s _ n 】，1 9 9 8 ，1 2 5 - 1 3 0 6 】k eky e x p e