魏 月
山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八0一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì) 山東省地礦工程勘察院 山東 濟(jì)南 250000
土是由固、液、氣三相組成。液態(tài)的水,氣態(tài)的空氣充填于整個(gè)土體顆粒之間,當(dāng)土體顆??障吨g充滿空氣時(shí),此時(shí)的土體稱為干土,當(dāng)顆粒之間空隙充滿水時(shí),稱為飽和土。土力學(xué)是上個(gè)世紀(jì)新興學(xué)科,主要是研究土的力學(xué)性質(zhì)及其特性的一門科學(xué),他的研究對象是土。土的性質(zhì)復(fù)雜,規(guī)律性較小,計(jì)算結(jié)果離散性較大,變化無常。
研究土的力學(xué)變化規(guī)律,自然離不開土中水的研究,土中普遍含有水,包括液態(tài)水和固態(tài)水,其對土的性質(zhì)影響最大。土中水的增加或者減少,直接影響土的力學(xué)性質(zhì),地下工程中大多數(shù)的災(zāi)害是與水有關(guān),因此研究水對土的力學(xué)性質(zhì)的影響,對建設(shè)工程的安全具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。
土中水的存在形式主要有自由水和結(jié)合水兩種,結(jié)合水又可以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水,強(qiáng)結(jié)合水接近固態(tài),是土的重要組成部分,他具有極強(qiáng)的黏結(jié)性和提升土體抗剪強(qiáng)度。弱結(jié)合水增多,在土中表現(xiàn)出的是土的可塑性。自由水在土中又稱為毛細(xì)水和重力水,其自由形態(tài)又稱為靜態(tài)水和動(dòng)力水。不同存在形式的水對土的影響是不同的,尤其是動(dòng)力水和固態(tài)水對土的力學(xué)性質(zhì)影響顯著。
土的強(qiáng)度主要表現(xiàn)為粘結(jié)力,土顆粒間的化學(xué)膠結(jié)和接觸能力越強(qiáng)。三種強(qiáng)度都與水直接相關(guān),其中受水影響最大的是粒間化學(xué)結(jié)強(qiáng)度,化學(xué)膠結(jié)物一旦浸水,融入水中,土體分解,影響其強(qiáng)度明顯。水的增多,導(dǎo)致顆粒之間的空隙水壓力增加,加速了膠結(jié)的破壞,引發(fā)顆粒間支撐作用減弱,最終使土的強(qiáng)度降低影響工程的安全性。
土的經(jīng)典理論-太沙基的有效應(yīng)力原理,是建立在土體顆粒和空隙水壓力之上的。地基土的承載力主要由土的有效應(yīng)力和空隙水壓力承擔(dān)。經(jīng)大量研究表明,土體顆粒之間接觸點(diǎn)越多,其接觸面積越大,土的有效應(yīng)力也就越大,土的強(qiáng)度越高。土顆粒之間的孔隙水壓力,與有效應(yīng)力相反,建筑上部荷載使土粒間空隙水壓力超出了靜水壓力,這部分成為超孔隙水壓力,這部分壓力越大,土的有效應(yīng)力減少,土粒間發(fā)生自由運(yùn)動(dòng),土體穩(wěn)定性變差。土中有效應(yīng)力與孔隙水壓力及總應(yīng)力之間的關(guān)系為:
σ=σ′+u。
從公式中可以看出,在總應(yīng)力不變的情況下,隨著孔隙水壓力的減少,有效應(yīng)力增加,直至孔隙水壓力為零時(shí),此時(shí)的總應(yīng)力由土顆粒之間接觸應(yīng)力承擔(dān)。
土中水的另外一種影響土性質(zhì)的形式是凍漲性。水的凍漲性嚴(yán)重影響土顆粒間的膠結(jié)作用,對土的框架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。在土力學(xué)中對土的凍漲性有專門的研究。將其分為四種破壞形式,強(qiáng)凍漲破壞,凍漲破壞,弱凍漲破壞,不凍漲。在冬季,土受寒冷空氣影響發(fā)生冰凍現(xiàn)象,其機(jī)理是,土中水受凍后,其體積膨脹,將固定結(jié)構(gòu)的土顆粒強(qiáng)行分開,導(dǎo)致土體固有的膠結(jié)結(jié)構(gòu)和顆粒間的接觸形式受到破壞。水的含量越多,土體受凍后,其破壞越嚴(yán)重,一些濕地或含水量比較大的地方基坑開挖或者礦井建設(shè)借助土受凍后其自身穩(wěn)定程度增強(qiáng),減少了對施工的影響。因此,凍漲土的另一方面可以為工程所用。冰凍的土在其融化之前具有穩(wěn)定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,但其融化后,土顆粒之間的間距被拉大后難以恢復(fù),其自身強(qiáng)度大幅度降低,土體受凍時(shí)間越長,反復(fù)凍融次數(shù)越多,土體破壞越嚴(yán)重。工程上一般會(huì)根據(jù)區(qū)域性土的凍結(jié)深度,進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì),并做好防水工作,確保地基不會(huì)發(fā)生凍漲事故。
填土的壓實(shí)度與含水率密不可分?;靥钔撂?,土顆粒之間的摩擦力增加,此時(shí)的土不容易被壓實(shí);如果含水率太大,土顆粒間的孔隙水壓力增加,壓實(shí)過程中,水被認(rèn)為不可壓縮,因此填土難以被壓實(shí)?;靥钔恋淖顑?yōu)含水率是確?;靥钔翂簩?shí)度可靠的關(guān)鍵,而不同的土性,其含水率是不同的,這需要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)來決定。回填土壓實(shí)度的另外一項(xiàng)因素是土顆粒的級配,顆粒大小相同,分選較好,級配較差難以滿足密實(shí)度要求,顆粒間不能充分填實(shí),充分接觸,也是不容易被壓實(shí)。最后,回填土壓實(shí)質(zhì)量的好壞,還與壓實(shí)工藝有關(guān),一般要求較厚的回填土需要分層回填壓實(shí),這樣使的其顆粒間充分接觸,土粒間孔隙和水減少,可以增強(qiáng)其強(qiáng)度,同時(shí)減少凍漲的影響。
地下水對地基基礎(chǔ)的影響,實(shí)際工程應(yīng)用中需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)主要有:1)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),不宜埋深過淺,且建筑周邊應(yīng)做好散水結(jié)構(gòu),地基基礎(chǔ)應(yīng)做好防水措施,避免地表水進(jìn)入地基,影響地基的承載力和強(qiáng)度。2)地基下容易發(fā)生流沙的沙土,應(yīng)進(jìn)行防水處理,同時(shí)注意水平向的防水,地基側(cè)面防水,防止土體液化流失。3)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)其埋置深度必須位于標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度一下,防止地基發(fā)生凍漲破壞。4)在建筑物規(guī)劃選址階段,盡量避開溝谷河流等宜近水區(qū),無法避開時(shí)應(yīng)加強(qiáng)地基基礎(chǔ)的抗水設(shè)計(jì)。5)軟土、填土及液化土等不良地質(zhì)在換填時(shí)應(yīng)注意不能用級配較差的細(xì)粒土,盡量用級配較好的砂石土。
本文通過分析水對土的力學(xué)性質(zhì)影響,尤其是分析了土體中液態(tài)水和固態(tài)水對土體自身穩(wěn)定性的影響,得出了這兩者對土的力學(xué)性質(zhì)影響最大。其次,細(xì)粒土與粗粒土相比,粗粒土耐水性明顯高于細(xì)粒土,因此工程上,在地基處理時(shí)盡量避免采用級配較差的細(xì)粒土直接作為地基持力層。