地下水位升降对粉煤灰地基强度影响研究

唐晓虎

（青岛市团岛污水处理厂，山东 青岛266000）

0 引言

粉煤灰所形成的地基类似于粉土地基。对于这种地基一般需要解决浅层沉降和地基承载力两大问题。地基加固方法有静力排水固结法、动力固结、动力排水固结法和复合地基方法。当粉煤灰地基加固完成，经检测达到设计要求后，由于地下水位的变动，会对粉煤灰地基的承载力产生较大的影响。现结合青岛某工程，通过理论试验研究地下水位变化对粉煤灰地基强度影响。

1 粉煤灰土水特征曲线

为了评价地下水位升降对粉煤灰地基强度的影响，需要测定粉煤灰的持水特性。在非饱和土力学中，土的持水特性（或保水特性）用土水特征曲线来表示，如图1所示。横向坐标为基质吸力s=ua-uw，ua是孔隙气压，uw是孔隙水压。对于降水引起土体中的吸力的情况，孔隙气压ua一般等于大气压，可设为零，而土体中孔隙水压为负值，吸力是孔隙水压的负值，即为正值。土水特征曲线的纵坐标一般用含水量，也可以是饱和度或体积含水量。对于降低地下水位时，随着水位下降，土体从饱和状态变成非饱和状态，其含水量与吸力关系用图1中的脱湿曲线表示。即如测得粉煤灰的土水特征曲线，根据地下水位值（即负孔隙水压），可以从图1中的脱湿曲线查得土体的相应的含水量。图中吸湿曲线是从较干的土样增加含水量时，土体的含水量与吸力之间应该满足的关系。图中空气进气值是指有饱和状态开始进入非饱和状态所需加的吸力值。

图1 土水特征曲线图

2 试验研究

为了研究工程场地粉煤灰的持水特性，利用图2所示土水特征曲线（SWCC）仪，进行粉煤灰土水特性试验。具体试验方法如下：在该试验过程中，试样通过排水管与外界相连，所以试样中的孔隙水压力为零（即uw=0 kPa），孔隙气压为施加于压力室的气压。在孔隙水压等于大气压条件下，对试样施加不同的孔隙气压ua，量测在试验过程中试样中的排水量，求得试样的含水量。每级吸力s=ua-uw作用下至排水量稳定后，记录排水量，再加下一级吸力（气压）。在粉煤灰的持水特性试验时，每级吸力下，需要3～5 d，其排水才能稳定。

图2 土水特征曲线(SWCC)仪之实景

图3 和图4分别表示了用图2所示的试验仪测得的粉煤灰的土水特征曲线。为了模拟地下水位上升时，粉煤灰的含水量或饱和度变化，首先对饱和粉煤灰施加30 kPa的吸力（即地下水位下降3 m时粉煤灰的含水状态），然后分步降低吸力，量测粉煤灰试样的含水量。从图3、图4可知，地下水位以上3 m的粉煤灰的含水量和饱和度分别约为39%和60%；2 m处的含水量和饱和度分别约为42%和63%；1 m处的含水量和饱和度分别约为53%和81%；0.5 m处的含水量和饱和度分别约为56%和85%。由上述粉煤灰的实测数据可知，距地下水位1 m以上的粉煤灰处于非饱和状态，其强度的计算需要用非饱和土强度理论。

图3 粉煤灰的土水特征曲线图（用含水量w与吸力s表示）

图4 粉煤灰的土水特征曲线图(用饱和度Sr与吸力s表示)

3 非饱和粉煤灰的强度

非饱和土的孔隙中含有空气和水，因此，它的强度特性要比饱和土复杂。由于水、气界面呈弯液面，孔隙气压力ua和孔隙水压力uw是不相等的，并且ua＞uw，两者的差值等于吸力。当ua为大气压力时，uw为负值。在不排气、不排水条件下，ua和uw都随外力的变化而变化。下面介绍有关非饱和土强度研究成果。

为了考虑ua和uw对非饱和土变形和强度特性的影响，Bishop（1959）引进了等效孔隙压力的概念，试图把适用于饱和土的有效应力原理直接引伸到非饱和土中。假定非饱和土的有效应力为：

因此，非饱和土的抗剪强度可写为：

式中：σ是总应力；c'是有效凝聚力；φ'是饱和土的内摩擦角；X是由试验测定的参数，主要取决于饱和度。最近的研究表明，X可近似用饱和度Sr来代替，因此公式（2）可写成：

由上式可知，当净应力（σ-ua），吸力（s）和饱和度（Sr）已知时，非饱和土的强度可计算。对地下水位升降对粉煤灰地基强度的影响问题，在已测得土水特征曲线条件下可用式（3）的右边公式进行计算，即：

由于非饱和粉煤灰地基的透气性较大，一般浅层地基中孔隙气压可假定为大气压，即ua=0 kPa,因此，地下水位下降引起的非饱和粉煤灰地基强度的增量：

根据图3的粉煤灰的土水特征曲线和式(5)，可计算出地下水位下降引起的青岛粉煤灰地基强度的增加，如表1所列，按φ=34°计算。

如果地下水位已降至3 m，此时进行地基强度的检测，后来，因地下水位上升，导致地基强度的降低，需要进行评估。表2表示了青岛粉煤灰地基的地下水位已降至3 m后，随着地下水位上升，地基强度的降低量的计算结果。

表1 地下水位下降引起的粉煤灰强度增加一览表

表2 从地下水位3 m起地下水位上升引起的青岛粉煤灰的强度下降结果一览表

表3表示了青岛粉煤灰地基的地下水位已降至2 m后，随着地下水位上升，地基强度的降低量的计算结果。

表3 从地下水位2 m起地下水位上升引起的青岛粉煤灰的强度下降结果一览表

4 结论

以工程实例为背景，通过理论及试验研究地下水位变化对粉煤灰地基强度影响，得出如下结论。

（1）通过土水特征曲线及非饱和土强度理论研究，地下水位变化对粉煤灰地基强度有较大的影响。

（2）地下水位上升会导致粉煤灰地基承载力降低，地下水位下降会导致粉煤灰地基承载力提高，在粉煤灰场地设计施工中需要加以考虑。