閆春楠

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

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地下水位變動對周邊建筑物沉降影響分析

閆春楠

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

對某水庫的濱庫地區(qū)建筑地基受地下水變化影響進行實驗研究。通過實驗分析得出水位變化后從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，各土層的壓縮模量都有一定幅度的降低，粘土層降幅最為明顯，可見土層中黏土含量多少直接飽和后壓縮模量降幅。在考慮濱庫地區(qū)建筑受到水庫水位變化引起的地下水位變化影響時，優(yōu)先分析水位抬升對引起的地基形變，其中，水位變化產(chǎn)生的壓縮模量附加形變是對建筑物地基安全影響較為顯著的因素，特別是當(dāng)?shù)讓咏Y(jié)構(gòu)跨越出現(xiàn)在統(tǒng)一地基時，對建筑無安全影響更加突出。

地下水位；地面沉降變形；附加變形；壓縮模量

在水利工程中，水庫的蓄水量變化會直接引起地下水的水位的抬升或下降，進而對波動帶土層的變形特性會產(chǎn)生一定的影響。土層的變形特性與含水量有直接關(guān)系，作用在上層的總應(yīng)力為有效應(yīng)力和孔隙水壓力，這兩種應(yīng)力在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化[1]。水庫的水位變動對濱庫地帶建筑物和農(nóng)田安全會帶來不利影響，特別是評價水庫對庫周建筑物的影響，主要考慮地基土層的工程屬性，尤其是由地下水位變化后引起的承載力變化以及附加形變的程度作為判別標(biāo)準(zhǔn)。地下水位變化對建筑物安全的影響，特別是水位抬升主要表現(xiàn)在對地基地層的形變影響[2]。

地下水位抬升對地基的安全影響主要是：使地基土層的應(yīng)力分布發(fā)生變化，使其承載力下降，使地基變軟。地基土層的初始含水量和飽和含水量幅度大小對測試結(jié)果有很大影響，研究顯示，不管是水位抬升還是水位下降，粉土層不同程度表現(xiàn)出壓縮模量下降，進而導(dǎo)致沉降量的增大[3]。本文以某水庫附近地區(qū)，受蓄水變化影響的地質(zhì)變化為基礎(chǔ)，測試各種土層自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的固結(jié)實驗結(jié)果，分析水位變化可能產(chǎn)生的地層附加形變，找到土層含水量變化前后的形變屬性，做出相應(yīng)的建筑地基浸沒參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 自然條件和飽和條件下的土層壓縮模量

本文所測試的地區(qū)選擇的某水庫濱庫區(qū)Ⅱ級階地，主要由細(xì)砂層，黏土層和粉土層三種成分組成地基土層，分別在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)對三種土層取樣分析實驗。依據(jù)《土木試驗規(guī)則》(SL237-1999)的實驗方法測試后結(jié)果見表1。

表1所示，取樣部分中，細(xì)砂層從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，壓縮模量從17.92 MPa降低到16.21 MPa，降幅約為10.5%；黏土層從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，壓縮模量從14.08 MPa降低到11.94 MPa，降幅約為21.5%；粉土層從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，壓縮模量從14.08 MPa降低到11.94 MPa，降幅約為15.2%。其中黏土層壓縮模量降低幅度百分比最大。

根據(jù)以上實驗結(jié)果分析，可以得出：含水量變化能夠直接導(dǎo)致壓縮模量明顯變化，壓縮模量與含水量有直接關(guān)系；黏土成分在地基土層中比例越高，到飽和后測試的壓縮模量降幅越明顯；自然含水率和飽和后壓縮模量降低有一定關(guān)系。

表1 低級取樣土層固結(jié)實驗結(jié)果分析表

2 地基土層固結(jié)實驗分析

在Ⅱ級階地前緣陡坎，選擇自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種條件，測試取樣1細(xì)砂的固結(jié)實驗h-P曲線和取樣2黏土的固結(jié)實驗h-P曲線，樣品1細(xì)砂，到達飽和狀態(tài)后，壓縮模量降低了10.67%，與表1測試樣品降幅相似，基本能表現(xiàn)細(xì)砂壓縮形變一般規(guī)律；樣品2黏土，從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，壓縮模量減小了27.41%，基本能表現(xiàn)黏土壓縮形變一般規(guī)律。

圖1 樣品1細(xì)砂固結(jié)實驗h-P曲線

圖1中，樣品1在200 kPa壓力作用下，自然狀態(tài)形變值為0.345 mm，飽和狀態(tài)形變值為0.486 mm，相差0.141 mm的附加形變，附加形變占總形變的29%；圖2中，樣品2同樣取200 kPa壓力作用下，自然狀態(tài)形變值為0.458 mm，飽和狀態(tài)形變值為0.593 mm，相差0.135 mm的附加形變，附加形變占總形變的23%。兩次實驗中，附加形變比分別是29%和23%，顯示附加形變很明顯，進而表明飽和對土層壓縮形變有顯著的影響。另外考慮濕陷性土的可能，依據(jù)雙線法濕陷實驗，在200 kPa壓力下，樣品1和樣品 2的濕陷系數(shù)為0.006 3和0.010 6，分析其為濕陷土可能性極小。

圖2 樣品2黏土固結(jié)實驗h-P曲線

3 附加形變對地基安全的影響

測試選擇此水庫正常蓄水時，由845 m抬升至945 m，水位上漲10 m，濱庫地區(qū)地下水同步上漲幅度一般小于等于9

m，水庫水位抬升對濱庫區(qū)已經(jīng)建好的建筑地基有比較明顯的影響。參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2002)，計算地基土層從自然狀態(tài)到地下水抬升9 m的沉降形變量，依據(jù)以下公式計算應(yīng)力面積，公式如下所示。

(1)

式中：S為地基沉降形變量；ψs為沉降變形經(jīng)驗系數(shù)；取值依據(jù)為基底應(yīng)力和壓縮模量；P0為附加應(yīng)力；Esi為第i層土的壓縮模量；zi為第i層到基層地面的距離；α為第i層到基層底面范圍內(nèi)的附加應(yīng)力平均值應(yīng)力系數(shù)。

3.1 條形地基基礎(chǔ)分析

本文研究的濱庫區(qū)建筑多采用條形地基基礎(chǔ)，一般房高每層每延米荷載在30～40 kN范圍內(nèi)，按照條形地基寬度b等于1 m計算，相應(yīng)計算出一層建筑對地基的應(yīng)力在30～40 kPa。查找到該地區(qū)某建筑的勘察結(jié)果，此地層細(xì)砂承載力是160 kPa，相應(yīng)分析得出，按照以上條形基地寬度1 m建設(shè)，建筑物高度應(yīng)該在4層以內(nèi)。按照上述條件，條形地基寬度1 m，4層建筑，基底附加應(yīng)力取值160 kPa，用公式1計算水位抬升前后沉降形變量S，如表2所示。

表2 條形地基沉降形變量(地下水抬升前、后)

由表2分析可得，4層建筑，寬度為1m的條形地基。細(xì)砂、粉土和黏土自然狀態(tài)下中心沉降形變量依次為8.07 mm、17.01 mm和25.50 mm，地下水抬升9 m后中心沉降形變量分依次為11.08 mm、26.89 mm和43.56 mm，進而得出地下水抬升9 m后附加形變量依次為3.01 mm、9.82 mm和18.06 mm。測試結(jié)果中，比較后可以看出附加形變量最大的是黏土層，黏土的百分比含量能明顯影響建筑地基安全。

3.2 筏板基礎(chǔ)

本文研究的濱庫區(qū)高層建筑多采用筏板基礎(chǔ)，該地細(xì)砂承載力參考值為160 kPa，設(shè)定筏板地基長度×寬度為75 m×15 m，設(shè)定高層建筑高度為10層，計算地下水位抬升前和抬升9 m后筏板基礎(chǔ)沉降形變量。計算結(jié)果如表3所示。

表3分析可得，10層建筑，筏板地基長度×寬度為75 m×15 m，細(xì)砂、粉土和黏土自然狀態(tài)下中心沉降形變量依次為48.3 mm、110.04 mm和173.13 mm，地下水抬升9 m后中心沉降形變量分依次為22.86 mm、135.74 mm和219.67 mm，進而得出地下水抬升9 m后附加形變量依次為7.83 mm、25.70 mm和46.54 mm。和表1計算值相關(guān)，黏土產(chǎn)生的附加形變量最為明顯，達到46.54 mm，對建筑的安全影響也最大。

4 結(jié)語

濱庫區(qū)土層中主要成分為細(xì)砂層，黏土層和粉土層，水位變化后從自然狀態(tài)到飽和狀態(tài)，各土層的壓縮模量都有一定幅度的降低，細(xì)砂層，黏土層和粉土層的壓縮模量降幅分別為10.5%、21.5%和15.2%，粘土層降幅最為明顯，可見土層中黏土含量多少直接飽和后壓縮模量降幅。另外，壓縮模量降低和土層自然含水率有關(guān)[4]。

4層建筑，寬度為1 m的條形地基。細(xì)砂、粉土和黏土在地下水抬升9 m后附加形變量依次為3.01 mm、9.82 mm和18.06 mm。黏土產(chǎn)生的附加形變量最大，達到18.06 mm；10層建筑，筏板地基長度×寬度為75 m×15 m，細(xì)砂、粉土和黏土在地下水抬升9 m后附加形變量依次為7.83 mm、25.70 mm和46.54 mm。黏土產(chǎn)生的附加形變量最大，達到46.54 mm，對建筑的安全影響也最大。

在考慮濱庫地區(qū)建筑受到水庫水位變化引起的地下水位變化影響時，優(yōu)先分析水位抬升對引起的地基形變，其中水位變化產(chǎn)生的壓縮模量附加形變是對建筑物地基安全影響較為顯著的因素，特別是當(dāng)?shù)讓咏Y(jié)構(gòu)跨越出現(xiàn)在統(tǒng)一地基時，對建筑無安全影響更加突出。這些數(shù)據(jù)可以作為建筑物浸沒程度判別參考。

表3 地下水為抬升前后筏板基礎(chǔ)沉降形變量

[1]劉振紅，張一.地下水位抬升對非濕陷地基變形的影響[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報.2015,36(05):52-55.

[2]吳曉旭，安大勇.地下水對建筑物地基的影響及防治措施[J].科技視界.2014(03):131.

[3]李根義.地下水對地基沉降計算的影響評價[J].地下水.2009,31(04):25-26．

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1004-1184(2016)06-0067-03

2016-10-17

閆春楠(1983-)，女，遼寧大連人，工程師，主要從事水文水資源勘測工作。