，

(1. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；2. 長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

水庫(kù)浸沒是水庫(kù)蓄水使水庫(kù)周邊地區(qū)地下水位壅高而引起土壤鹽漬化和沼澤化、建筑物地基沉陷或破壞、地下工程和礦井充水或涌水量增加等災(zāi)害現(xiàn)象的統(tǒng)稱[1]。

隨著我國(guó)開發(fā)利用水能和水資源的推進(jìn)，現(xiàn)許多擬建、在建水電站、水庫(kù)及城市水景觀項(xiàng)目等，都位于相對(duì)平緩的河道上，蓄水都會(huì)不可避免地改變?cè)械牡叵滤⒌膭?dòng)態(tài)平衡，引起地下水位壅高。在長(zhǎng)期高水位運(yùn)行下，地下水會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)城鎮(zhèn)建筑物產(chǎn)生浸沒影響?？紤]到水庫(kù)浸沒對(duì)建筑物安全性的影響，若全部拆除重建，將耗資巨大，而且也帶來(lái)非常繁雜的移民安置問題。針對(duì)一些建筑年代較近，結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)良好的建筑物進(jìn)行防護(hù)即可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而地基規(guī)范中尚無(wú)關(guān)于水庫(kù)浸沒區(qū)建筑物基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算的內(nèi)容。

因此，必須加強(qiáng)水庫(kù)浸沒對(duì)建筑物地基承載力影響的研究，建立水庫(kù)浸沒區(qū)淺埋基礎(chǔ)臨界埋深的計(jì)算方法，分析地下水位上升對(duì)不同建筑物基礎(chǔ)形式的地基穩(wěn)定性影響以及確定安全影響深度，評(píng)價(jià)庫(kù)區(qū)浸沒建筑物安全性能和防護(hù)經(jīng)濟(jì)性，提出相應(yīng)處理措施，為浸沒區(qū)建筑物安全鑒定及防護(hù)提供依據(jù)。

2 水庫(kù)浸沒對(duì)建筑物地基影響的機(jī)理

隨著水庫(kù)建成、蓄水，庫(kù)區(qū)建筑物地基將長(zhǎng)期在高水位運(yùn)行，在特定的地形地質(zhì)條件下，地下水會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)建筑物產(chǎn)生浸沒影響，地下水位壅高到距淺埋基礎(chǔ)一定距離將影響建筑物的地基承載力。當(dāng)建筑物的地基承載力≤建筑物地基應(yīng)力，所對(duì)應(yīng)地下水位至基礎(chǔ)底面距離就是建筑物的臨界埋深。地下水位的上升對(duì)建筑物淺理基礎(chǔ)的影響尤為明顯。

在地下水位較低時(shí)，建筑物地基土體的含水量較小，土地處于非飽和狀態(tài)，其黏聚力和內(nèi)摩擦角相對(duì)較大，土體均能滿足建筑物對(duì)地基的承載力和變形的要求。當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，地下水位對(duì)地基承載力的影響有2種可能[2]：①淹沒在水下的土，由于失去由毛細(xì)管應(yīng)力或弱結(jié)合力所形成的表觀凝聚力，使其承載力降低，同時(shí)，由于含水量的變化導(dǎo)致土體從非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，也可能影響土的內(nèi)摩擦力；②由于地下水的存在，使土的有效重量減小而降低了土的承載力，最終表現(xiàn)在地下水位以下形成軟弱持力層。

3 水庫(kù)浸沒土工試驗(yàn)

為了研究浸沒對(duì)建筑物地基土體的影響，筆者專門開展了建筑物地基土體物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究，包括天然含水率、天然密度、比重、顆粒分析、液塑限、濕陷、不同飽和度直剪、不同飽和度壓縮等試驗(yàn)[3]。圖1(a)、圖1(b)分別為典型低液限黏土壓縮指標(biāo)和固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)隨飽和度的變化規(guī)律。

(a) 壓縮指標(biāo)

由圖1可知，低液限黏土的壓縮指數(shù)隨飽和度的增大而增大，壓縮模量隨飽和度的增加而減?。还探Y(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨飽和度的增加而減??；壓縮指數(shù)和壓縮模量隨飽和度變化的敏感程度幾乎相同，而黏聚力隨飽和度變化的敏感程度較內(nèi)摩擦角大。由此可知，地下水位的上升將導(dǎo)致地基承載力的降低，驗(yàn)證了上述地下水位對(duì)地基承載力影響的第①種可能。

因此，以低液限黏土為地基的淺埋基礎(chǔ)，水庫(kù)浸沒將影響地基承載力，危及建筑物的安全。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

按國(guó)家《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)[4]對(duì)彈塑體模型做如下基本假定：①理想彈塑體采用了Flament解；②不考慮土的壓縮；③極限平衡條件由莫爾理論控制，泊松比μ=0.5；④平面問題的求解，三維不修正[5]。

4.1 地基承載力特征值

建筑物基礎(chǔ)作用力偏心矩≤0.033倍基礎(chǔ)底面寬度時(shí)，可用土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值，其公式為

fac=Mbγb+Mdγmh+McCk。

(1)

式中：fac為由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值；Mb，Md，Mc均為承載力系數(shù)，其值參考文獻(xiàn)[4]；b為基礎(chǔ)底面寬度(m)；h為地下水位至室外地面標(biāo)高間距離；Ck為地下水位下基礎(chǔ)一倍短邊寬深度內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；γ為地下水位以下土的浮重度；γm為地下水位以上土的加權(quán)平均重度。

由此可知，地基承載力與地基土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角和基礎(chǔ)底面上下部土體重度有關(guān)，因此，地下水的賦存狀態(tài)和動(dòng)態(tài)變化對(duì)地基承載力的影響顯著。

4.2 建筑物基礎(chǔ)安全深度計(jì)算

根據(jù)對(duì)建筑物浸沒機(jī)理的分析，采用低液限黏土的力學(xué)特性試驗(yàn)成果，地基承載力特征值公式中，當(dāng)?shù)叵滤簧仙c基礎(chǔ)底面的距離在某個(gè)定值時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)地下水位處土層的地基承載力跟該處的建筑物附加應(yīng)力與土自重應(yīng)力之和相等。該定值即為地下水位上升影響安全深度，如圖2所示。當(dāng)?shù)叵滤晃挥谠摱ㄖ瞪疃纫韵聲r(shí)，可以不考慮其對(duì)地基承載力不利影響；當(dāng)位于該定值深度以上時(shí)，則需要考慮這種不利影響。對(duì)于浸沒而言，該影響安全深度與基礎(chǔ)埋深之和即為安全超高。當(dāng)?shù)叵滤辉谠摻]安全超高以下時(shí)，可以不考慮浸沒對(duì)建筑物的不利影響；反之，則需要考慮浸沒對(duì)建筑物的不利影響，將該建筑物劃到浸沒處理區(qū)范圍內(nèi)[6]。

圖2 浸沒建筑物地下水位安全超高

為了求解建筑物基礎(chǔ)安全深度，主要應(yīng)滿足地下水位處的地基土層應(yīng)力驗(yàn)算公式[7]：

pz+pcz≤faz。

(2)

式中：pz為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，地下水位頂面處的附加應(yīng)力值；pcz為地下水位處土的自重應(yīng)力值；faz為地下水位處經(jīng)深度修正后地基承載力特征值。

對(duì)條形基礎(chǔ)和矩形基礎(chǔ)，式(2)中的pz值可按下列公式簡(jiǎn)化計(jì)算：

(3)

式中：l為矩形基礎(chǔ)底邊長(zhǎng)度；pk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值；pc為基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值；z為基礎(chǔ)底面至地下水位頂面的距離；θ為基礎(chǔ)壓力擴(kuò)散線與垂直線的夾角，可按表1[4]采用。

表1 基礎(chǔ)壓力擴(kuò)散角θ

注：①Es1為上層土壓縮模量，Es2為下層土壓縮模量。②z/b<0.25時(shí)取θ=0°，必要時(shí)，宜由試驗(yàn)確定；z/b>0.50時(shí)θ值不變。

按水庫(kù)浸沒土工試驗(yàn)得到的低液限黏土的力學(xué)參數(shù)，通過地基承載力特征值計(jì)算公式，分別計(jì)算各種地下水位的飽和狀態(tài)土的地基承載力特征值fac。

按建筑物基礎(chǔ)寬度、埋深以及地基持力層特征等資料，采用天然狀態(tài)低液限黏土土體力學(xué)參數(shù)，將地基承載力特征值計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果作為地基作用力，計(jì)算不同深度土體附加應(yīng)力值pz。

按水庫(kù)浸沒土工試驗(yàn)低液限黏土土體力學(xué)參數(shù)，計(jì)算天然狀態(tài)低液限黏土不同深度處土的自重應(yīng)力值pcz。通過作圖(見圖3)，繪出在不同深度土體自重應(yīng)力值加土體附加應(yīng)力圖，按統(tǒng)一高程，再與不同地下水位的飽和狀態(tài)土的地基承載力特征值圖進(jìn)行比較，圖解的交點(diǎn)得出地下水位至基底影響安全深度z值，即為地下水位對(duì)建筑物浸沒的臨界埋深。

圖3 地基承載力影響深度分析

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)庫(kù)區(qū)浸沒建筑物的影響安全深度臨界值的確定，為解決庫(kù)區(qū)浸沒建筑物處理區(qū)劃定范圍提供參考。同時(shí)為浸沒建筑物基礎(chǔ)加固計(jì)算方法，尋找一種理論基礎(chǔ)，為國(guó)內(nèi)類似工程提供一定經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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