（岩土工程专业论文）武汉市地质条件下的地下水浮力的研究.pdf

摘要 经济的快速发展，城市发展从原来的平面扩张转移到对地下空间的利用。 地下水对地下结构的浮力作用是制约地下空间开发的一个关键因素，地下水对 地下结构的浮力作用荷载计算合理与否，不仅关系到结构本身的安全，并且关 系到工程的造价和施工工期等多方面的问题。系统地开展地下水浮力作用的研 究，其研究成果可以有效地指导抗浮工程设计，从而可以确保地下工程结构本 身的安全，节约抗浮措施的成本投入，合理地安排工期。 地下水对地下结构的浮力作用，实质上就是土体中孔隙水压力对结构基底 的作用，场地中孔隙水压力场的研究才是开展地下水浮力研究的核心所在。场 地内孔隙水压力场的确定须解决如下几个问题：( 1 ) 须对场地的水文地质条件 进行勘探、调查，详细掌握场地的水文地质资料；( 2 ) 基于勘察资料，确定场 地地下水的类型、边界水头、以及地下水渗流类型；( 3 ) 结合现有的地下水渗 流理论，借助现已较为成熟的地下水渗流计算软件开展对场地内孔隙水压力场 的计算。 本文基于地下水浮力作用的机理，针对武汉地区的水文地质条件实际，做 的主要工作和得出的主要成果如下：( 1 ) 对武汉市的水文地质条件做了搜集、 整理，简要的对该地区的水文地质特点做了分析，总结归纳了一些确定武汉地 区场地边界水头的方法，存在的地下水渗流类型等；( 2 ) 孔隙水压力场是由土 体一地下水一结构三者共同作用形成的。本文对武汉市的典型地层、不同的地下水 类型、不同的结构型式进行组合，确定了八种工况。根据确定的八种工况，本 文结合现有的地下水渗流理论，借助现已较为成熟的地下水渗流计算软件对这 八种工况做了数值分析，分析结果给出了不同工况下，孔隙水压力场在土层中 的分布情况、以及孔隙水压力在结构底部和项部的分布情况：( 3 ) 武胜路地下 通道位于汉口，其场地为典型的长江、汉江i 级阶地。本文根据该工程所提供 的地质、水文资料，采用有限元的计算方法，对渗流作用下的地下通道结构的 浮力进行了计算，并与采用传统的静水压力计算方法的计算结果进行比对。比 对结果发现，考虑了渗流的浮力计算值比采用静水压力方法的浮力计算值小很 多，说明，传统的静水压力方法计算地下结构浮力有一定的局限，会增加抗浮 成本，造成工程浪费。 关键词：地下水浮力；孔隙水压力场；地下水渗流；数值分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h eu r b a nd e v e l o p e di nt h ew a yo fu s i n gt h e u n d e r g r o u n ds p a c e ，i n s t e a d o fe x p a n s i o no fp l a n e t h ee f f e c to fb u o y a n c yo f g r o u n d w a t e ro nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ew a sav e r yi m p o r t a n tf a c t o r , w h i c hr e s t r i c t e d t h ee x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c e t h em e t h o du s e dt oc a l c u l a t et h eb u o y a n c y s h o u l db er e a s o n a b l e ，w h i c hw a sn o to n l yr e l a t e dt ot h es a f e t yo fs t r u c t u r e ，b u ta l s o r e l a t e dt ot h ec o s ta n dt i m eo fc o n s t r u c t i o n ，e t c c a r r y i n go u tr e s e a r c ho fa c t i o no f b u o y a n c yw a se s s e n t i a l ，f o rr e s e a r c hr e s u l t sc o u l d b eu s e dt og u i d et h ea n t i - f l o a t i n g d e s i g n ，i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fs t r u c t u r e ，s a v et h ea n t i f l o a t i n gc o s t ，a n d a r r a n g ec o n s t r u c t i o nt i m er e a s o n a b l y b u o y a n c yo fg r o u n d w a t e r , w a sv i r t u a l l yt h ep o r ew a t e rp r e s s u r ei ns o i l ，w h i c h p r o d u c e dp r e s s u r eo ns t r u c t u r eb a s e m e n t ，s o ，r e s e a r c ho np o r ew a t e rp r e s s u r ef i e l d w a sc r u c i a l c o n d i t i o n sr e q u i r e dt os o l v ep o r ew a t e rp r e s s u r ef i e l dw e r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , h y d r o l o g i cg e o l o g yd a t ao ft h ec o n s t r u c t i o ns i t es h o u l db em a s t e r e dt h r o u g h i n v e s t i g a t i o n ，s e c o n d l y ，t y p eo fg r o u n d w a t e r , w a t e rh e a db o u n d a n ds e e p a g et y p eo f g r o u n d w a t e rs h o u l db ec l a r i f i e db a s e do nd a t a , t h i r d l y , b a s e do ns e e p a g et h e o r y , a d o p t i n gf e m s o f t w a r eo fs e e p a g et oc a l c u l a t et h ep o r ew a t e rp r e s s u r ef i e l d b a s e do nm e c h a n i s mo fg r o u n d w a t e rb u o y a n c y ，c o m b i n i n gw i t hh y d r o l o g i c g e o l o g yd a t ao fw u h a n ，t h ej o bw a sd o n ea n dr e s e a r c hr e s u l t sw e r eo b t a i n e di nt h i s a r t i c l ew e r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , h y d r o l o g i cg e o l o g yd a t ao fw u h a nw a si n v e s t i g a t e d ， t h e n ，h y d r o l o g i cg e o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s o ft h i sa r e aw e r e s u m m a r i z e db r i e f l y , m e t h o d sw e r es u m m a r i z e dt od e t e r m i n a t et h eb o u n do fw a t e rh e a do fw u h a n ，a n d t y p e so fg r o u n d w a t e rs e e p a g ew e r ei n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e s e c o n d l y , p o r ew a t e r p r e s s u r ef i e l dw a sf o r m e dd u et oa c t i o no ft h r e ee l e m e n t s ，s o i l ，g r o u n d w a t e ra n d s t r u c t u r e a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o m b i n a t i o na m o n gs o i l ，g r o u n d w a t e ra n ds t r u c t u r e ， e i g h tw o r kc o n d i t i o n sw e r ed e f i n e d i n t h i sp a p e rt h e n ，b a s e do nt h e o r yo fs e e p a g e ， f e ms o f t w a r eo fs e e p a g ew a sa p p l i e dt os i m u l a t et h e s ew o r kc o n d i t i o n s ，r e s e a r c h r e s u l t si n c l u d e dd i s t r i b u t i o no fp o r ew a t e rp r e s s u r eo fs o i ll a y e ra n ds t r u c t u r e b a s e m e n tw e r er e c e i v e d t h i r d l y , b u o y a n c ys i t u a t i o no fa nu n d e r g r o u n dp a s s a g e ， l o c a t e di nw u s h e n gr o a d ，at y p i c a la r e ao fw u h a n ，w a sa n a l y z e di n t h i s a r t i c l e c o m p a r e dw i t hb u o y a n c yv a l u ec a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a lm e t h o d ，b u o y a n c yv a l u e h c a l c u l a t e db yf e ms o f t w a r ew a sm u c hs m a l l e r i tc o u l db ef o u n dt h a tl i m i t a t i o n s e x i s t e dw h e nt r a d i t i o n a lm e t h o dw a sa p p l i e dt oc a l c u l a t eb u o y a n c yv a l u e ，f o ri tc o u l d i n c r e a s ea n t i f l o a t i n gc o s t k e y w o r d sb u o y a n c yo fg r o u n d w a t e r , p o r ew a t e rp r e s s u r ef i e l d ，s e e p a g eo fg r o u n d w a t e r , n u m e r c i a ls i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈的论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盗些堡日期：竺生! ：；兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 。、 聊签冬二蚪三冬彤出 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，伴随着城市建设和交通的高速发展，因城市用地的紧张，国家耕 地红线的限制，城市由原来的平面扩张，逐渐转移到对地下空间的利用。高层 建筑、地铁车站、地下广场的大量兴建，地下空间得到了越来越多的利用，且 地下结构埋置也越来越深，如近期刚完成筑底的“上海中心 基础埋置深度达 到了地面以下3 0 多米。基础埋深的增加，基底压力的增大，基础的影响深度可 数倍、甚至十几倍于一般的多层建筑。在这个深度影响范围内，有时可能会遇 到多层地下水。因此，地下水的赋存及渗流形态对基础工程的影响日渐突出， 加上建筑体型往往比较复杂，大部分“广场式建筑”的建筑平面内都包含有纯地下 室部分。在抗浮设计和地下室外墙承载力验算当中，地下水对地下结构的浮力 作用机理是否明确，是牵涉到工程的造价以及施工周期的关键问题。 1 1 2 地下水对工程建设的影响 地下水对地下结构的浮力作用会造成以下两个方面的影响：第一方面，对 浮力估计不足，当地下水位因降水、垂向或侧向补给作用，水位大幅升高时， 地下结构在巨大的浮托力作用下，使建筑物失稳。佛山某大厦l l 】( 建筑面积7 3 5 0 0 时) ，工程所在场地为河流冲积地带，地表有水塘，地下水主要赋存于第四系砂 层及素填土层中，稳定水位较高，为一o 1 0 。一o 7 0 m ，水量丰富，受大气降水补 给的影响而变化。1 9 9 6 年9 月，雨季的到来使得基坑内外的地下水位不断提高， 周边的地下水也通过基坑底部、支护侧壁及其破损处流入基坑，造成底板下的 上浮力不断增加，由于桩的抗拔力不够，导致内庭范围内的地下室底板在浮力 的作用下持续向上起拱，以a 座塔楼的0 o o 处为基准点，测得地下室顶板的最 大上拱值为2 1 3 m m ，梁表现为弯曲破坏，柱表现为大偏压破坏。裂缝以内庭中 心区的中柱为对称中心有规律地开展，裂缝最大宽度达到2 5 m m 。海口市“梦 幻园”商住小区【l j ，位于海口市秀英港东南，现己建成2 2 层和1 8 层两幢商住楼 武汉理工大学硕士学位论文 主体工程。该裙楼基础于1 9 9 4 年8 月1 3 日施工到o o o 时，因建筑单位缓建， 上部建筑未能继续施工，并同时停止基坑降水，又因未及时回填或采取箱体灌 水等措施以保证自重大于上浮力，于是在1 9 9 4 年1 0 月1 3 日，因连续下大雨地 下水位升高而导致基础上浮，上浮量最大处达7 0 c m 。 另一方面：工程设计中，往往也出现对浮力过高估计的情况，以至于采取 的抗浮措施的设计会偏于保守，从而会增加工程的造价。张在明对北京的一拟 建工程场区内地下水作了观测 2 】，若按原先的抗浮设计，其抗浮设计水位达到 3 3 9 1 m ，而通过地下水位预测模型对地下水位作了预测分析发现，该工程可不 采取抗浮措施。 弄清地下水对地下结构的浮力作用，首先应该明确地下水浮力作用的机理。 1 1 3 浮力作用机理 1 1 3 1 按静水压力来计算浮力的局限 抗浮机理的不明确也是抗浮设计中的一个关键问题，现有规范涉及到的地 下结构物基底浮力压强的计算值为抗浮水头与水重度的乘积，抗浮水头 h = h h o ，h 抗浮水位，一地下结构基底埋深。 采用静水压力计算地下结构基底的浮力，首要的是确定抗浮设计水位。地 下水抗浮设防水位是指基础埋置深度内起主导作用的地下含水层在建筑物运营 期间的最高水位，高层建筑岩土工程勘察规程( j g j 7 2 2 0 0 4 ) 【3 j 中2 1 6 条中 规定，抗浮设防水位是指地下室抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经 济合理的场地地下水位。 设计水位确切的指建筑物设计使用年限内( 包括施工期) 可能产生的最高水 位，一般取历年最高地下水位。张欣海【4 】提到由于含水地层分布不同，地下水类 型不同，产生的地下水位而不同，有上层滞水位、潜水位、承压水位及潜水、 承压水混合的水位。目前岩土工程勘察报告提供的钻孔稳定水位，大多为勘察 期间的钻孔综合水位。 刘国亮、杨志武【5 】等提出了天津市区地下水抗浮设防水位的确定方法；曹先 富【6 】探讨了合肥地区的抗浮设计水位的取值；张欣海对深圳地区地下建筑抗浮设 计水位取值及浮力折减作了分析。杨瑞清、朱黎心【_ 7 】针对深圳地区讨论了滞水型 地下水的设防水位h 及抗浮设计水头值日的确定，提出了“滞水地下水的概 2 武汉理工大学硕士学位论文 念。 李广信、吴剑敏【8 】等提出凡是地下水位以下的结构物均按其排除的体积计算 浮力是不合适的，在淤泥土中地下室上浮，要克服产生的负孔压力；在其他情 况下，常常需克服外墙的负摩擦力。杨瑞清、朱黎心1 7 针对深圳地区的工程实际， 讨论了根据结构物基底与不透水地层相对位置关系，相应的浮力折减系数的问 题。 黄志仑大师【9 】提出粘性土中单位面积的静水压力p 与粘土的贯通孔隙率k 有关的新观点。李广信、吴剑敏【lo 】在关于地下结构浮力计算的若干问题对 一个错误的概念进行了阐述分析，即曾经有人主张将浮力的计算按照结构物排 除土中孔隙水的体积与水容重的乘积，即f = p 。，n v ，f 一浮力，p 。，一水的容 重，n 一土体的孔隙比，y 一位于水下结构物的体积，实质上，浮力的计算值只 是按照结构物上静水压力值乘以孔隙比进行了折减。 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 【1 1 1 7 2 3 条提到关于地下水作用的 工程评价：( 1 ) 对基础、地下结构物和挡土墙，应考虑在最不利组合情况下， 地下水对结构物的上浮作用，原则上应按设计水位计算浮力；对节理不发育的 岩石和粘土有地方经验或实测数据时，可根据经验确定；( 2 ) 有渗流时，地下 水的水头和作用宜通过渗流计算进行分析评价。 岩土工程手册【1 2 】在地下水的浮托作用一节则说明：“当建筑物位于粉土、 砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，按设计水位1 0 0 计算浮托力；当 建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设计水位5 0 计算浮托力；当建 筑物位于粘性土地基时，其浮托力较难确定，应结合地区的实际经验考虑”。 在液体中，物体所受到的浮力可以简单地按照阿基米德原来来进行考虑， 即：物体所受到的浮力为物体所排开的液体的重量。然而对于土体而言，土体 含有固、液、气三相的介质，赋存于土体中地下水对结构的浮力作用如果按照 单一液相介质来考虑，浮力的计算值会偏大，从而增加抗浮措施的工程投入。 1 1 3 2 孔隙水压力场的提出 地下水一土体一地下结构共同作用是影响和诱发各类地下水问题的制约因 素，土中水分的存在形态及孔隙水压力传递规律的差异直接影响地下水一土体 一地下结构共同作用效应的发挥，进而也影响到地下结构侧面水压力及底板浮 武汉理工大学硕士学位论文 ( 扬压力) 的作用及合理计算。 有效应力原理1 3 1 是太沙基( t e r z a g h i ) 于1 9 3 6 年提出的，其主要内容可归 纳为如下两点： ( 1 ) 饱和土体内任一平面上受到的总应力等于有效应力与孔隙水压力之 和； ( 2 ) 土的强度变化和体积变形只取决于土中有效应力的变化。 地下水对地下工程的浮力作用是由地下孔隙水的水压力引起，只要能够得 到土的孔隙水压力，就可以计算出地下水对地下结构浮力的大小。 张在明院士【1 4 1 提出传统的“地下水位 或“设防水位”的概念并不能最终 解决工程的抗浮问题，弄清场地孔隙水压力场的分布特征才是解决问题的关键 所在。 张在明院士【1 5 1 提出了如图1 1 浮力预测流程： 浮力预测 i l 渗流需习 | 边界条件确定 l 侧向补给的强 烈变化l 气象变化的短 期与中长周期渗流分析 l 地表水体渗漏 图1 1 地下水浮力的预测流程 关于浮力预测的流程图，可以作以下方面的理解：首先，应该对被调查地 4 武汉理下大学硕士学位论文 区的气象状况、地下水的开采状况、以及场地地表水的渗漏情况，从而对场地 可能出现的最高地下水位作一个预测，确定场地周边地下水渗流场的边界条件； 再者，需对场地的工程地质条件作相应的调查，包括土层的类别、工程特性、 渗透系数等，确定场地内土层地下水渗流的类型。结合两者的调查结果，对场 地的地下水渗流情况进行分析，从而就可以得出结构物基底孔隙水压力场的分 布规律。 该预测图考虑到了场地内地下水位的动态变化，以场地的工程地质条件为 基础，明确场地土层孔隙水压力的传递机理，对场地的孔隙水压力场进行求解， 从而计算结构上作用的浮力大小事科学、准确的。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 最高水位的预测 地下水位是动态变化的，首先，地下水是随季节、气候条件变化的，有一 年一遇，十年一遇，甚至数十年一遇的最高水位变化；其次，地下水位还受地 表排水状态、场地、地形和地貌变化的影响；第三，当场地以下地层含有多层 地下水时，当各含水层之间存在水头差时，层与层之间的地下水会有渗流的情 况出现。 张在明【l4 】对地下水最高水位的预测方法作了概述，提出需要掌握以下几个 方面的资料( 1 ) 区域的气象资料与工程地质、水文地质背景；( 2 ) 地下水的补 给与排泄关系、赋存状态与渗流规律；( 3 ) 地下水位的长期观测资料；( 4 ) 从 长期观测资料与地下水补给、排泄关系分析得到影响地下水位的主要因素。 岩土工程勘察规范【1 1 】( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 对地下水浮力设计水位的确定 在第7 2 2 条是这样规定的：( 1 ) 遇地下水时应量测水位；( 2 ) 稳定水位应在初 见水位后经一定的稳定时间后量测；( 3 ) 对多层含水层的水位量测，应采取止 水措施，将被测含水层与其他含水层隔开。岩土工程勘察报告提供的水位实际 上是一个混合水位，通常反映的只是场地内某层地下水位最高的含水层的水位， 而对于场地以下含有多层地下水的情况，依据规范，应该采取相应的隔水措施， 将含水层隔开，分别量测。 宋榜慈、李受祉【l6 】针对位于长江中游武汉地区的水文地质概况作了介绍， 武汉理t 大学硕士学位论文 其中包括赋存地下水的土层情况，水位随季节的变化情况，以及受河流的补给 状况等。 张思远【1 7 】提到建筑物基础抗浮水压力主要受基底所在地层的地下水位控 制，而在有多层地下水位的场地，预测最高水位时，宜分层量测。 兰坚强【l8 】对抗浮设防水位的确定总结了以下方法：( 1 ) 当有长期水位观测 资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位和建筑物运营期间地下水的变 化来确定；( 2 ) 当地下水为潜水且无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察 期间实测最高稳定水位为抗浮设防水位。但应结合场地地形、地貌、地下水补 给、排泄条件和含水层顶板标高等因素综合确定；( 3 ) 场地有承压水且与潜水 有水力联系时，应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响，取其中的 最高水位作为抗浮设防水位；( 4 ) 在多层地下水条件下，各层地下水具有各自 的独立水位和最高水位，当基础底面位于哪一层地下水中，哪层地下水的最高 水位就是抗浮设防水位；( 5 ) 只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可 按一个水文年的最高水位确定。 北京市勘察设计研究院【l9 】利用自己建立的地理信息系统( g i s ) 和地下水信息 管理系统( g w i m s ) 等有关信息系统中的资料，对北京市总体规划区的工程地质 与水文地质背景做了详细分析，提出了确定北京市建筑抗浮水位的方法。 1 2 2 土中孔隙水压力的研究现状 在基础埋深范围内可能存在多层地下水，且各含水层之间存在以粘性土为 主的相对隔水层，这就使得确定垂向上孔隙水压力的分布变得复杂起来，需要 考虑的因素很多。 在粉土、砂土等透水性良好的土层中，孔隙水压力的传递机理相对明确， 不考虑渗流的情况下，进行浮力计算时，勿需考虑浮力的折减情况；而针对粘 性土等相对隔水的地层中，孔隙水压力的传递机理还是尚待解决的难题。 m i t c h e l l ( 1 9 5 6 ) f 2 0 】基于粘性土的微观层面，将粘性土体孔隙中的水的类型分为三 类：( 1 ) 粘粒群间孔隙中的水；( 2 ) 粘粒群内孔隙间的水；( 3 ) 粘粒及粘粒群 接触部位的水。一般而言，第三种水主要为结合水；第二种水可能全部，也可 能部分为结合水；第一种水，在边缘部分为结合水，中心部分为自由水，二者 间的比例取决于孔隙的大小。 我们在工程实践中所遇到的粘性土体，都不是饱和的，大多数是以非饱和 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 状态存在的，即土颗粒孔隙中既含有水，又含有气体，非饱和土除土颗粒本身 的性质外，孔隙中的水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异【2 。在非饱 和土中涉及到非饱和土土中水的形态及运动问题，涉及到水的渗流问题。在非 饱和土中，水对建筑物的作用力不再是我们常说的浮力。它与浮力不同，而是 一种上扬力。 关于非饱和土中的渗流，p a r g i a n n k i s & f r e d l u n d ( 1 9 8 4 ) 2 2 研究表明，在饱和与 非饱和区之间有连续的水流。在饱和土中水的流动服从达西定律，即水的流速 与水力梯度成正比，其比例系数称为渗透系数k 。非饱和土的渗透系数k 。不再 是常数，它是基质吸力、含水量、饱和度以及其他变量的函数，该函数通常称 作导水率( h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y ) ，含水量梯度、基质吸力以及水力梯度等都曾被 认为驱动非饱和土中水流动的势能。( r i c h a r d ，1 9 3 1 瞄刘；c h i l d s7c o l l i s g e o r g e ， 1 9 5 0 2 钾) 孔隙水由于受表面张力的作用在土中出现负的孔隙水压力，使得适用于 饱和土的许多理论不再适用于非饱和土( 包承纲，2 0 0 4 ) 【2 5 1 。气相的存在导致 非饱和土中产生复杂的土一水一气共同作用效应，不同的水气形态会直接影响 非饱和土的物理、力学性质，这是非饱和土研究的前提。c o r e y ( 1 9 5 7 ) 睇川，y o s h i m i & o s t e r b e r g ( 1 9 6 3 ) ，俞培基、陈愈炯【2 7 】等都提出过水、气形态划分问题，其中俞 陈提出的“气水三阶段 划分法比较简单明了，即“水封闭 、“双开敝”和“气 封闭”，包承纲( 1 9 7 9 ) 还提出了“气相四形态划分。针对不同类型的非饱和 土，汤连生、王思敬( 2 0 0 1 ) 将其按含水状态分为悬挂状非饱和土、索状非饱 和土和孤立空气非饱和土三种类型，分别建立不同的有效应力表达式。 针对粘性土中孔隙水压力传递机理问题，不少研究者通过试验手段进行了 有益的探讨。崔岩【2 8 】在模型槽中进行了砂土及粘性土中的水压力传递试验；崔 红军【2 9 】借助三轴实验仪进行砂土及粘性土中的孔隙水压力传递试验，认为无论 是砂土还是粘性土均能传递孔隙水压力；张彬t 3 0 进行了不同类型土质的原状及 扰动样在不同影响因素下的孔隙水压力传递试验，认为现有工程中常见的无粘 性土和粘性土均能传递孔隙水压力，有效应力原理仍然适用，但是传递的孔隙 水压力并不等于作用于土样的静水压力，而是不同程度地低于该值，这与土样 的结构特性、所赋存的应力环境以及土样的饱和程度等有关。周朋飞【3 采用模 型实验的方式明确了不同土层中孔隙水压力的传递机理，得出了孔隙水压力沿 模型垂直方向的分布规律，总结了如下结论：实测孔隙水压力曲线明显偏离按 最高水位计算求得的理论静水压力曲线；砂土、粉土等渗透性好的含水层中实 武汉理工大学硕士学位论文 测孔隙水压力同按该层地下水水位求得的理论静水压力值基本吻合，即在不考 虑渗流作用时不应对浮力进行折减；渗透性较差的粘土及粉质粘土等相对隔水 层中，实测孔隙水压力明显小于理论静水压力，其折减系数为0 6 0 8 不等。 1 2 3 地下水的渗流研究现状 在岩土工程所涉及的渗流问题中，主要是地下水在多孔介质中流动问题。 地下水渗流理论，就是研究地下水在多孔介质中运动规律的基本理论3 2 1 。在渗 流时，液体和固体颗粒之间的接触面积非常大，液体渗流时必须克服由粘度所 引起的液固之间的巨大的摩擦阻力3 3 1 。 法国工程师h e n r yd a r c y 3 4 结合法国的d i j o n 城市的喷泉，通过长期试验得 出水流通过均质砂的渗流规律，即我们通常称之为的著名的d a r c y 定律，该定律 是对地下水运动规律定量化认识的开始。j d u p u i t 则根据d a r c y 定律研究了地下 水一维稳定流动和向水井的二维稳定运动规律。p f o r c h h e i m e r 等又研究了更为 复杂的地下水渗流问题，从而奠定了地下水稳定渗流理论的基础。稳定渗流理 论不包括时间变量，只能用以描述一定条件下地下水所能达到的一种暂时的、 相对的平衡状态，而不能反应不断发展变化的地下水实际运动状态。 1 9 0 4 年，j b o u s s i n e s q 提出了地下水非稳定流的偏微分方程式： 妄( k 。等) + 茜卜蝌詈) + 杀( k = 警) = 昭c 屈+ 嗍鲁 式中： k 。一f ( i - x ，y ，z ) 方向的渗透系数。 日一水头； 屈一岩土体骨架的弹性压缩系数； n 一介质的孔隙度； 一地下水的弹性压缩系数，且a s = p s ( p , + ) ，并称为比贮水系数，表示 含水层水头下降一单位时从单位水体积的含水层中释放出来的水的体积。 b o u l t o nn s ，h a n t u s hm s ，n e u m a ns p 【3 5 3 63 7 1 等进行了不同条件下地下水 非稳定渗流运动的理论研究，并各自推导出各种条件下地下水非稳定渗流运动 的解析公式，这些基于求解非稳定流的解析法不仅推广了t h e i s 公式，而且建立 8 武汉理工大学硕士学位论文 了地下水越流理论和潜水含水层的非稳定流理论。 z i e n k i e w i c z 将有限元法引入地下水渗流领域，s a n d h u 和w i l s o n 提出了地下 水渗流运动方程的广义变分原理，从此为有限元求解渗流问题奠定了坚实的数 学物理基础。n e u m a ns e ，p i n d e rg e ，d e s a ic s ，b a t h ek j ，h u y a k o mp s 【3 83 9 】 等进一步完善了有限元法的求解过程。国内相关的数值仿真著作也很多，如刘 光亚【4 0 1 水文地质数值模拟的拟合问题，薛蔚群，谢春红【4 l 】水文地质学的数值法， 孙讷正【4 2 】地下水流的数值模型和数值方法等。 随着计算机技术的不断发展和实际岩土工程问题的不断需求，模拟地下水 运动、渗流分析的专业软件在国内外也得到了快速的发展和比较广泛的应用。 比如加拿大的g e o s l o p e 系列软件中的s e e p 侧、s e e p ，3 d 、美国的 m o d f l o w 4 3 1 、日本的2 d - - f l o w 、3 d - - f l o w 、德国的f e f l o w 以及国内 的理正工程专业软件等有关地下水方面的专业软件，都具有较好的程序设计和 人机交互式界面。 1 3 目前研究中存在的问题 ( 1 ) 目前，地下水的勘察报告里所涉及到的水位多为勘察期内稳定水位， 并且只反应了被勘测层在勘察期间内的最高水位，这样会带来设计上局限。首 先，如果场地内存在多层地下水的情况，如果单只勘测一层地下水的水位情况， 无法对场地内的抗浮设防水位作客观的评价。针对多层地下水的场地，依据规 范，应该采取相应的止水措施分层勘测；其次因为地下水位是一个动态变化的 水位，与诸多因素有关，如季节变化、地表水的入渗与排泄，周边水库、河流 的侧向补给，以及多层地下水之间的渗透补给等，而勘察报告里的水位只反应 了勘察期间内的水位变化情况。最为科学的方法是，应该像北京市那样，建立 针对各个城市地下水位的预测预报系统。 ( 2 ) 因粘性土中孔隙水以多种形式存在，结合水和自由水，结合水又分为 强结合水和弱结合水，其中只有自由水才能传递孔隙水压力，所以隔水层中孔 隙水的传递机理还不像在透水层中( 砂土、粉土等) 中那样明确，导致结构物 基底的孔隙水压力分布规律难以弄清。 ( 3 ) 另外，针对隔水层中孔隙水的渗流计算多针对其为饱和土的情况，而 未考虑到土层的非饱和特性，即基底有可能出现孔隙水压力为负值的情况。在 9 武汉理工大学硕士学位论文 工程实践中所遇到的粘性土体，都不是饱和的，大多数是以非饱和状态存在的， 即土颗粒孔隙中既含有水，又含有气体，非饱和土除土颗粒本身的性质外，孔 隙中的水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异。在非饱和土中，水对建 筑物的作用力不再是我们常说的浮力，与浮力不同，它是一种上扬力。 1 4 本文所做的主要工作 本文结合武汉市地铁科研项目武汉市地铁车站抗浮设计与措施的实验 研究，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 搜集、整理了武汉市一些典型地区的工程地质和水文地质资料，其中 包括武汉市的气象状况、地形地貌单元、地质构造情况、水文地质条件等等， 总结归纳了一些确定武汉地区场地边界水头的方法，存在的地下水渗流类型等。 ( 2 ) 地下水对地下结构的浮力是土体地下水结构三者之间的共同作用， 本文借助加拿大开发的专业的渗流分析软件s e e p w 对不同的土体、地下水类 型、结构型式组合下的工况进行了数值模拟。通过对各种工况的分析，发现并 总结了浮力作用一些规律。 ( 3 ) 汉口家乐福人行横通道工程位于汉口汉江边，工程场地地貌单元属河 流堆积平原，相当于长江、汉江i 级阶地，其水文地质状况在武汉地区具有一 定的典型代表性。本文对该工程处于承压水丰水期时的浮力状况作了研究，并 将结果与传统的静水压力计算方法的计算结果进行了对比。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章武汉市的工程水文地质条件 从第1 章对浮力作用机理的阐述了解到，场地内孔隙水压力场的求解，才 是计算结构基底浮力的关键。针对一个具体工程，根据张在明的浮力预测流程， 探明该工程所处地层中的各种类型地下水的水头边界是求解孔隙水压力场的第 一步。 掌握一个地区的地下水位变化情况，需要掌握以下几个方面的资料：( 1 ) 区域的气象资料与工程地质、水文地质背景；( 2 ) 地下水的补给与排泄关系、 赋存状态与渗流规律；( 3 ) 地下水位的长期观测资料；( 4 ) 从长期观测资料与 地下水补给、排泄关系分析得到影响地下水位的主要因素。 本章对武汉地区的工程地质、水文地质背景、气象资料及几个代表性观测 点的地下水位历史观测资料做了介绍。 2 2 武汉市的自然地理概况 2 2 1 气象水文 武汉地区属于我国亚热带东南季风气候区，具有夏季炎热、冬季寒冷、降 水充沛等主要气候特点，年平均气温1 5 9 ，极端最高气温4 1 3 ，极端最低 气温一1 8 1 。多年平均降水量1 2 6 1 2 m m ，降水多集中在6 月8 月，占全年的 4 1 ；最大年降水量2 1 0 7 1 m m ，最大日降水量3 3 2 6 m m 。 武汉地区的长江最高洪水位为2 9 7 3 m ( 吴淞高程系统) ，最低枯水位8 8 7 m ， 水位升降幅度2 0 8 6 m 。长江水与其两岸承压水有密切的水力联系，互补关系明 显，在抗浮设计施工中必须考虑汛期长江水位上升的影响，基坑开挖应尽可能 选在枯水季节。 武汉市区分布有众多大小不一的湖泊，其水域总面积达1 9 1 1 2 平方公里， 对位于湖泊四周的基坑工程不能忽视地表水体的影响。 从掌握的武汉地区的气象资料来看，武汉地区降水量很丰富，而上层滞水、 武汉理工大学硕七学位论文 潜水等多受大气降水的补给，所以在雨水丰富的季节，滞水、潜水的水头较高。 同时，武汉地区地表水体众多，位于地表水体周边的工程的土层中承压水与地 表水体又有较多的水力联系，长江水位或湖泊水位的变化也会影响到土层中承 压水水头的变化。 2 2 2 地形地貌 武汉地处江汉平原东部，地势为东高西低，南高北低，中间被长江、汉江 呈y 字形切割成三块，谓之武汉三镇。武汉城区南部分布有近东西走向的条带 状丘陵，四周分布有比较密集的树枝状冲沟，武汉素有“水乡泽国之称，境 内大小近百个湖泊星罗棋布，形成了水系发育、山水交融的复杂地形。最高点 高程1 5 0 m 左右，最低陆地高程约1 8 m 。 武汉地区地貌形态主要有以下三种类型： ( 1 ) 剥蚀丘陵区：主要分布在武昌、汉阳地区，丘陵呈线状或残丘状分布， 如武昌的磨山、珞珈山、汉阳的扁担山等，丘顶高为8 0 - - - - 1 5 0 m ，组成残丘的地 层为志留系与泥盆系的砂页岩。 ( 2 ) 剥蚀堆积垅岗区：主要分布在武昌、汉阳的平原湖区与残丘之间，地 形波状起伏，垅岗与坳沟相间分布，高程为2 8 - - 3 5 m ( 相当于级阶地) 。组成 垅岗的地层主要为中、上更新统粘性土( 老粘土) 。 ( 3 ) 堆积平原区：分布于整个汉口市区及武昌、汉阳沿江一带，主要为由 长江、汉江冲洪积物构成的i 、i i 级阶地。i 级阶地：广泛分布于长江、汉江 两岸地区，地面标高1 9 m - - 2 1 m 。地层由全新统粘性土、砂性土及砂卵石层构成。 区内有众多湖泊、堰塘、残存的沼泽地及暗沟、暗浜等。i i 级阶地：仅见于青 山镇及东西湖一带，地面标高为2 2 m 2 4 m ，地层由上更新统的粘性土与砂性土 组成。 2 2 3 地质构造 武汉位于淮阳山字型构造南弧西翼， 一系列走向近东西至北西西的线型褶皱， 正断层、逆断层及逆掩断层。 本区分布地层有古生界砂岩、页岩、 1 2 主要受控于燕山期构造运动，表现为 以及北西、北西西、北东和近东西的 灰岩及泥岩；中生界砂砾岩、砂岩、 武汉理工大学硕士学位论文 页岩及泥岩；新生界粘土岩、砂岩、砂砾岩等。志留系页岩常组成背斜轴部， 背斜两翼依次为泥盆、石炭、二叠、三叠系各岩层。三叠系地层常组成向斜的 槽部。由于强烈的南北向压应力作用，形成了东西向的紧密褶皱，并伴随压扭 性断裂。在南北向主应力支配下，还发育有其他次一级的构造，即北北东及北 北西两组张扭性断裂。 本区现代构造运动呈现缓慢下降的性质，新构造运动升降幅度不大，是一 个相对稳定地带。 2 3 地层分布及岩土体工程地质特征 武汉市跨及秦岭、扬子两个一级地层区，地层从元古代至新生代均有出露。 出露的地层时代，从沉积岩中发现的古生物化石和地层的顺序推断，以古生代 和新生代为主，中生代为次，而以古生代志留纪沉积的砂页岩为最古老地层， 新生代第四纪沉积的地层为最新，第四纪堆积物分布最广，占总面积的7 09 。 武汉地区的地层分布在不同的地貌单元有所不同。与高层建筑分布位置相 关的主要是i 级阶地堆积平原地区和级阶地垅岗地区两类。 2 3 1i 级阶地堆积平原的地层构成及岩土体工程地质特征 i 级阶地区的地层主要由第四系全新统河流相及部分河湖相冲洪积及冲湖 积物构成。上部为粘性土，下部为砂性土( 含卵砾石) ，呈二元结构，深度5 0 m 左右为基岩。此外在地表有一定厚度的填土，其地层组成条件详见表2 1 ： 表2 1i 级阶地堆积平原地区的地层构成条件及评价表 顶面地层 地层主要参数指标 地层名称埋深厚度颜色状态 p s 厂础 岩性特征及 ( m )( m ) ( m p a )( 1 ( p a ) 工程评价 ( 1 )杂填土 0 5 杂组成物质不均匀， 填士素填土 0 0 50 3 杂 5 0 8 0结构较松散 为硬壳层，可作为 ( 2 ) 粘性土 2 40 - - 6黄褐可塑 1 0 1 41 2 0 1 6 0一般多层建筑的天 然地基 淤泥质 土，淤泥 0 3 o 55 0 8 0 ( 3 )3 - - - 56 2 0灰软流塑土质软弱 或软粘 0 5 0 77 0 1 0 0 性土 武汉理工大学硕士学位论文 粉十或 粉砂夹 十质较软弱，具砂 ( 4 )粉质粘9 1 33 - - 一5灰软可塑 1 o 2 01 0 0 1 5 0 性土特征 土 ( 互层) 土层的密度、组成 稍中密颗粒及渗透性随深 ( 5 ) 砂粉细砂 1 2 1 8 3 0 3 5灰中密密 5 o 8 o16 0 - - 2 0 0 度而增大，可作为 土 中粗砂2 5 3 0 8 0 1 0 01 8 0 2 2 0 实中等长度桩的持力 层 砂砾卵 中密密较密实，可作为中 ( 6 )4 3 4 5 3 63 0 0 3 5 0 石实长桩的持力层 按其岩性或分为 强、中等、微风化 ( 7 ) 基岩5 0 左右层，中、微风化层 可作为( 嵌岩) 桩 的持力层 在上述地层组成中，与高层建筑工程分布相关的是以下几个土层： ( 1 ) 填土层：包括杂填土和素填土两类。杂填土的组成成分为建筑垃圾、 工业垃圾及生活垃圾混粘性土，素填土的组成则以粘性土为主。