地下水位变动对周边建筑物沉降影响分析

2016-12-12闫春楠

地下水 2016年6期

关键词：细砂模量黏土

闫春楠

(辽宁省抚顺水文局，辽宁抚顺 113015)

地下水位变动对周边建筑物沉降影响分析

闫春楠

(辽宁省抚顺水文局，辽宁抚顺 113015)

对某水库的滨库地区建筑地基受地下水变化影响进行实验研究。通过实验分析得出水位变化后从自然状态到饱和状态，各土层的压缩模量都有一定幅度的降低，粘土层降幅最为明显，可见土层中黏土含量多少直接饱和后压缩模量降幅。在考虑滨库地区建筑受到水库水位变化引起的地下水位变化影响时，优先分析水位抬升对引起的地基形变，其中，水位变化产生的压缩模量附加形变是对建筑物地基安全影响较为显著的因素，特别是当底层结构跨越出现在统一地基时，对建筑无安全影响更加突出。

地下水位；地面沉降变形；附加变形；压缩模量

在水利工程中，水库的蓄水量变化会直接引起地下水的水位的抬升或下降，进而对波动带土层的变形特性会产生一定的影响。土层的变形特性与含水量有直接关系，作用在上层的总应力为有效应力和孔隙水压力，这两种应力在一定条件下可以相互转化[1]。水库的水位变动对滨库地带建筑物和农田安全会带来不利影响，特别是评价水库对库周建筑物的影响，主要考虑地基土层的工程属性，尤其是由地下水位变化后引起的承载力变化以及附加形变的程度作为判别标准。地下水位变化对建筑物安全的影响，特别是水位抬升主要表现在对地基地层的形变影响[2]。

地下水位抬升对地基的安全影响主要是：使地基土层的应力分布发生变化，使其承载力下降，使地基变软。地基土层的初始含水量和饱和含水量幅度大小对测试结果有很大影响，研究显示，不管是水位抬升还是水位下降，粉土层不同程度表现出压缩模量下降，进而导致沉降量的增大[3]。本文以某水库附近地区，受蓄水变化影响的地质变化为基础，测试各种土层自然状态和饱和状态的固结实验结果，分析水位变化可能产生的地层附加形变，找到土层含水量变化前后的形变属性，做出相应的建筑地基浸没参考标准。

1 自然条件和饱和条件下的土层压缩模量

本文所测试的地区选择的某水库滨库区Ⅱ级阶地，主要由细砂层，黏土层和粉土层三种成分组成地基土层，分别在自然状态和饱和状态对三种土层取样分析实验。依据《土木试验规则》(SL237-1999)的实验方法测试后结果见表1。

表1所示，取样部分中，细砂层从自然状态到饱和状态，压缩模量从17.92 MPa降低到16.21 MPa，降幅约为10.5%；黏土层从自然状态到饱和状态，压缩模量从14.08 MPa降低到11.94 MPa，降幅约为21.5%；粉土层从自然状态到饱和状态，压缩模量从14.08 MPa降低到11.94 MPa，降幅约为15.2%。其中黏土层压缩模量降低幅度百分比最大。

根据以上实验结果分析，可以得出：含水量变化能够直接导致压缩模量明显变化，压缩模量与含水量有直接关系；黏土成分在地基土层中比例越高，到饱和后测试的压缩模量降幅越明显；自然含水率和饱和后压缩模量降低有一定关系。

表1 低级取样土层固结实验结果分析表

2 地基土层固结实验分析

在Ⅱ级阶地前缘陡坎，选择自然状态和饱和状态两种条件，测试取样1细砂的固结实验h-P曲线和取样2黏土的固结实验h-P曲线，样品1细砂，到达饱和状态后，压缩模量降低了10.67%，与表1测试样品降幅相似，基本能表现细砂压缩形变一般规律；样品2黏土，从自然状态到饱和状态，压缩模量减小了27.41%，基本能表现黏土压缩形变一般规律。

图1 样品1细砂固结实验h-P曲线

图1中，样品1在200 kPa压力作用下，自然状态形变值为0.345 mm，饱和状态形变值为0.486 mm，相差0.141 mm的附加形变，附加形变占总形变的29%；图2中，样品2同样取200 kPa压力作用下，自然状态形变值为0.458 mm，饱和状态形变值为0.593 mm，相差0.135 mm的附加形变，附加形变占总形变的23%。两次实验中，附加形变比分别是29%和23%，显示附加形变很明显，进而表明饱和对土层压缩形变有显著的影响。另外考虑湿陷性土的可能，依据双线法湿陷实验，在200 kPa压力下，样品1和样品 2的湿陷系数为0.006 3和0.010 6，分析其为湿陷土可能性极小。

图2 样品2黏土固结实验h-P曲线

3 附加形变对地基安全的影响

测试选择此水库正常蓄水时，由845 m抬升至945 m，水位上涨10 m，滨库地区地下水同步上涨幅度一般小于等于9

m，水库水位抬升对滨库区已经建好的建筑地基有比较明显的影响。参照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)，计算地基土层从自然状态到地下水抬升9 m的沉降形变量，依据以下公式计算应力面积，公式如下所示。

(1)

式中：S为地基沉降形变量；ψs为沉降变形经验系数；取值依据为基底应力和压缩模量；P0为附加应力；Esi为第i层土的压缩模量；zi为第i层到基层地面的距离；α为第i层到基层底面范围内的附加应力平均值应力系数。

3.1 条形地基基础分析

本文研究的滨库区建筑多采用条形地基基础，一般房高每层每延米荷载在30～40 kN范围内，按照条形地基宽度b等于1 m计算，相应计算出一层建筑对地基的应力在30～40 kPa。查找到该地区某建筑的勘察结果，此地层细砂承载力是160 kPa，相应分析得出，按照以上条形基地宽度1 m建设，建筑物高度应该在4层以内。按照上述条件，条形地基宽度1 m，4层建筑，基底附加应力取值160 kPa，用公式1计算水位抬升前后沉降形变量S，如表2所示。

表2 条形地基沉降形变量(地下水抬升前、后)

由表2分析可得，4层建筑，宽度为1m的条形地基。细砂、粉土和黏土自然状态下中心沉降形变量依次为8.07 mm、17.01 mm和25.50 mm，地下水抬升9 m后中心沉降形变量分依次为11.08 mm、26.89 mm和43.56 mm，进而得出地下水抬升9 m后附加形变量依次为3.01 mm、9.82 mm和18.06 mm。测试结果中，比较后可以看出附加形变量最大的是黏土层，黏土的百分比含量能明显影响建筑地基安全。

3.2 筏板基础

本文研究的滨库区高层建筑多采用筏板基础，该地细砂承载力参考值为160 kPa，设定筏板地基长度×宽度为75 m×15 m，设定高层建筑高度为10层，计算地下水位抬升前和抬升9 m后筏板基础沉降形变量。计算结果如表3所示。

表3分析可得，10层建筑，筏板地基长度×宽度为75 m×15 m，细砂、粉土和黏土自然状态下中心沉降形变量依次为48.3 mm、110.04 mm和173.13 mm，地下水抬升9 m后中心沉降形变量分依次为22.86 mm、135.74 mm和219.67 mm，进而得出地下水抬升9 m后附加形变量依次为7.83 mm、25.70 mm和46.54 mm。和表1计算值相关，黏土产生的附加形变量最为明显，达到46.54 mm，对建筑的安全影响也最大。

4 结语

滨库区土层中主要成分为细砂层，黏土层和粉土层，水位变化后从自然状态到饱和状态，各土层的压缩模量都有一定幅度的降低，细砂层，黏土层和粉土层的压缩模量降幅分别为10.5%、21.5%和15.2%，粘土层降幅最为明显，可见土层中黏土含量多少直接饱和后压缩模量降幅。另外，压缩模量降低和土层自然含水率有关[4]。

4层建筑，宽度为1 m的条形地基。细砂、粉土和黏土在地下水抬升9 m后附加形变量依次为3.01 mm、9.82 mm和18.06 mm。黏土产生的附加形变量最大，达到18.06 mm；10层建筑，筏板地基长度×宽度为75 m×15 m，细砂、粉土和黏土在地下水抬升9 m后附加形变量依次为7.83 mm、25.70 mm和46.54 mm。黏土产生的附加形变量最大，达到46.54 mm，对建筑的安全影响也最大。

在考虑滨库地区建筑受到水库水位变化引起的地下水位变化影响时，优先分析水位抬升对引起的地基形变，其中水位变化产生的压缩模量附加形变是对建筑物地基安全影响较为显著的因素，特别是当底层结构跨越出现在统一地基时，对建筑无安全影响更加突出。这些数据可以作为建筑物浸没程度判别参考。