目前, 地基变形的计算与分析主要采用各向同性均匀线性变形体理论。对于钢筋混凝土条形基础, 可采用弹性地基上结构物的分析方法, 对基础的内力进行分析。假设沿地基全长的沉降与钢筋混凝土基础的挠度相等, 就可采用数值解或解析法对EWinkler地基梁的挠度变形基本微分方程进行求解, 其计算结果一般呈现中部沉降大而端部沉降小。对砖混结构的建筑物, 基于软弱地基的基础浅埋, 一般采用换土垫层法进行设计与施工。大量的工程实践表明, 在气候、水文、地质、人类生产活动等因素的影响下, 当地下水位的变化频繁或存在地面水的大量地下渗漏时, 对软弱地基的许多砖混结构建筑物, 即便采取合理的建筑和结构措施, 依然产生地基的不均匀沉降和墙体开裂。因此, 研究地基的沉降, 不仅要分析建筑物的结构类型和整体刚度、地基的均匀性以及土的抗剪强度, 而且更应分析地下水对地基沉降的影响。
渗透系数k是表示岩土透水性的重要参数。地下水在土中的渗流遵循H.Darcy线性渗透定律:
式中：J———水力坡降。
根据因次分析的原理, 可求得渗透系数:
式中：d——土的粒径;η———水的动力粘滞性。
同样, 根据J.L.M.Poiseuille圆管中层流运动公式, 对任意形状断面的层流运动:
则有：
式中：RH——水力半径;n———土的孔隙率。
对式 (2) , (4) 分析可知, 渗透系数决定于土 (介质) 的渗透性与流体的特性, 即土层的结构、颗粒的形状与排列和大小级配以及水的动力粘度等。因此, 土的透水性与土的构造及各向异性有关。
对于层状土, 由于其在垂直层理方向与平行层理方向的性质不一, 一般情况下, 平行于层理方向的压缩模量与渗透系数k大于垂直方向。分散构造的土接近于各向同性体, 以砂、硕石、卵石居多, 各方向均具有较大的渗透性。
为分析地下水的渗流对土体的破坏, 可考虑在渗流场中沿流线方向取一长dl、截面积dA的单位土柱, 见图1。
注:AB-单位土体饱和重度γm;AC-单位土体浮重度γ′;BC-水的重度γw;AD-单位土体干重度γJ;BD-单位土体孔隙中的水重nγw;CF-单位土体所受的渗透力f。
设沿渗流方向为正, 则作用在土柱中孔隙水流上的力有:
略去渗流的惯性力, 根据力的平衡条件, 在渗流方向上各力的代数和为零, 即：
将式 (5) ～ (9) 代入式 (10) 并整理:
由于渗透力为渗流所遇到阻力的反力, 因此, 单位土体沿渗流方向的渗透力为：
由式 (12) 可知, 渗透力f是由动水压力dh转化而得到的, 与土的孔隙率n无关。
考虑一淹没于水中的单位土体, 分析地下水的渗流对土体的破坏可用力矢图进行表示, 见图1 (b) , 其中, 渗透力f (CF) 的作用方向为沿着流线的方向。由图1 (b) 可知:
因此, 渗透力f与土体浮重度γ′= (1-n) (γs-γw) 的合力R (AF) 是决定土体向上浮动稳定的指标。
当R=0时, 土体即开始浮动而产生流土现象。
同样, 图1 (b) 中BE为单位土体所受渗透力f (CF) 与水的重度γw (BC) 沿流向的分力BG之和, EF为水的重度γw (BC) 在流向的垂直方向上的分力。
则有：
即对土体周围的水压力BF (包含动水压力与静水压力, 由沿流向的力BE与正交的力EF所组成) 与土体饱和重度AB进行分析, 可得出与式 (13) 相同的结论。
因此, 由动水头dh所产生的渗透力f (CF) 与渗透破坏的程度成直接的比例关系。
已有的研究成果表明, 地下水位的变化对岩土体承载力影响很大, 对工程的稳定性、施工及正常使用都能产生严重的不利影响。
根据G.G.Meyerhoff理论, 中心受压的条形基础的极限荷载Pu由粘聚力c及旁侧荷载O0产生的承载力p′, 由土自重产生的承载力p″以及基础侧面的摩擦力产生的部分所组成承载力2fd/b所组成, 即：
式中：f0为土与基础侧面单位面积上的摩擦力, N2/m2。
由式 (16) 可知, 地下水位的上升, 水充满土的孔隙, 土中颗粒即失去由毛细管吸力或弱结合水所形成的表观凝聚力, 导致土质软化, 土的压缩性增大, 由粘聚力c及旁侧荷载O0产生的承载力p′下降。
从图1 (b) 可知, 地下水位上升的静水力dz所产生浮力虽然不直接破坏土体, 但可使土的有效重度减轻, 降低土体抵抗破坏的能力及由土自重产生的承载力p″, 使地基土的强度降低, 压缩性增大及附加沉降。
式 (16) 同时表明, 地基的极限承载力与基础的埋深有关。当基础埋深d/b较小时, 可采用半无限体表面有荷载的情况求地基中的应力分布与地基中的塑性区开展理论进行分析, 基础侧面的摩擦力f0在计算中可以忽略。但当基础埋深d/b较深时, 基础下塑性区的发展多属冲剪式破坏, 基础侧面的摩擦力f0不能忽略。当基础埋深d/b较大或基础侧面的摩擦力f0较大时, 对地基的极限承载力Pu有较大的影响。
地下水位下降, 增加了土的自重应力, 使地基土的有效应力增加, 同时, 易使基础周围天然土体形成大孔隙的松散结构。在由基础荷载产生的剪应力作用下, 土体随时间增长, 将发生缓慢而长期的剪切变形, 导致抗剪强度的衰减, 承载能力下降, 基础的沉降增大。
某5层砖混结构办公楼, 坐落于湖畔, 该建筑物场地含较厚的软弱土, 土质均匀。场地土物理性质指标见表1。基于建设场地软弱地基的基础浅埋, 采用钢筋混凝土条形基础, 设计对软弱地基的处理采用换填法。基础埋深-1.23m。垫层材料细砂, 其中卵石掺量36%。地下水水位-1.0～-3.0m。采用横墙承重体系, 建筑物总长度L=36.46, 宽度B=13.2m, 层高3.6m, 横墙间距3.6m, 总高度H=15.7m;楼、屋盖采用钢筋混凝土空心板;外墙厚370mm、内墙厚240mm, 采用烧结粘土砖MU10, 混合砂浆M5。
该办公楼于使用3个月后墙面有少量细微裂纹, 随后上部结构裂缝日益增多。从(1)～(16)轴大面积的墙体大量开裂, 屋面漏水, 已影响正常使用。通过对墙体裂缝的观察, 发现裂缝分为以下几种情况:邻湖面东墙与屋顶处产生水平裂缝, 南墙与北墙出现自东向西的一端宽度较大另一端宽度较小的斜裂缝, 外纵横墙交接处1.5m范围内均发现竖直裂缝。
原设计为避免与减轻建筑物的不均匀沉降, 对上部结构采用了较为合理的结构措施:建筑物长高比L/H=2.32<2.5, 横墙最大间距3×3.6m<1.5倍建筑物宽度。外墙四角、楼梯间及大开间均按构造要求设置构造柱, 每层设置圈梁。墙体转角处和纵横墙交接处均按规范设有拉结钢筋。理论上分析, 在上下部结构共同作用下, 可以克服软弱地基的不均匀沉降影响。
该工程采用的垫层材料为细砂, 卵石掺量36%, 满足GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》以及JGJ79-91《建筑地基处理技术规范》要求。办公楼沉降观测结果见表2。从实测的结果看, 建筑物的基础沉降表现为中部小、边缘大, 局部倾斜大部分超过建筑物的地基变形允许值。由于建筑物位于湖滨, 地势低洼, 因此, 该办公楼墙体裂缝产生的原因可确定为地下水变化所引起的地基不均匀沉降。
对现场原状土取样表明, 场地天然软弱土的组成颗粒大多呈扁平鳞片状, 颗粒集合体以松散絮凝结构为主, 有机质含量低且层间存在着带状夹砂层。由于其在垂直层理方向与平行层理方向的性质不一, 因此, 该天然软弱土可按层状土考虑, 尽管在垂直方向渗透性较小, 但在水平方向却具有较大的渗透性。而砂垫层为各向同性材料, 在各个方向均具有较大的渗透性。
由于场地地势低洼, 一旦发生突然性的暴雨或地下水位变化较快而在土层中形成较大的动水力dh时, 层状土的渗透力f极易造成地下水流的冲刷, 使土内的细颗粒产生移动或错位, 必然会冲刷或挟走其间较小的颗粒, 如粉土或粉细砂。现场检测结果显示见表2。建筑物外纵、横墙处存在两个方向上的地下水流冲刷作用, 对换土砂垫层的冲刷作用最明显, 其实际局部下沉最大。
枯水季节时, 湖水水位在压缩层范围内升降。取软弱土在天然状态和饱和状态下力学性质进行对比试验, 结果发现, 软弱土在饱和状态下的压缩模量比天然状态下的压缩模量最大可降低40%～60%。因此, 地下水位上升, 导致地基压缩层范围内土体的土质软化、压缩性增大、强度降低、承载力减小、地基沉降增大。
当湖水处于正常水位或丰水季节时, 地下水在换土垫层或钢筋混凝土条形基础范围内变化。对换土垫层, 由于在基础的荷载在垫层中引起的应力作用下, 垫层中的细砂存在侧向挤出的趋势。因此, 为满足地基承载力的要求, 根据式 (16) , 垫层底面宽度需同时满足b′≥b+2ztanθ以及垫层侧面土的侧向支承力要求。当地下水位上升, 垫层周围的软弱土软化, 侧向支承力下降;而地下水位下降, 易使周围天然软弱土体形成大孔隙的松散结构。两者均可直接导致垫层被迫挤入周围软弱土中, 地基沉降增大。而受外纵、横墙附加应力迭加的影响, 基底交接处附加应力比条形基础中部大, 垫层对周围软弱土的侧向挤压力也大, 细砂挤入软弱土层更明显, 局部沉降变形超限, 因此, 办公楼的外纵墙及外横墙处裂缝明显高于其他处。
(1) 基于基础浅埋的砖混结构建筑物的条形基础, 在不均匀地基及地下水的影响下, 建筑物的墙体开裂一般是由于基础的不均匀沉降所引起。 (2) 当场地周围具有较大的动水力时, 一旦场地天然土在水平方向具有较强透水性, 易造成地下水流的冲刷砂垫层, 导致地基的不均匀沉降。对砖混结构的建筑物, 影响最大之处为外纵、横墙的交接处。 (3) 对钢筋混凝土条形基础, 地下水位在压缩层范围内的升降, 可导致地基承载力下降、地基压缩性增加。对软弱地基的换土垫层, 地下水位在换土垫层范围内上升可降低基础或换土垫层周围的软弱土的抗剪强度, 从而降低了周围软弱土的侧向支承力;地下水位在换土垫层范围内下降, 则使周围天然软弱土将形成大孔隙的松散絮凝结构。两者均可能导致垫层压溃而挤入四周的软弱土中, 使基础沉降增大。
摘要：针对地基的地下水的不良影响, 对土的渗透系数和渗透力进行了分析, 指出了地下水的渗流对地基不均匀沉降的影响较大。当天然土具有较强透水性时, 易造成地下水流对地基的冲刷。对地基中地下水位的变化的影响进行了分析, 提出了地下水在基底下压缩层范围内变化可降低土的极限荷载, 地下水在换土垫层范围内变化可降低周围软弱土侧向支承力。
关键词：渗透系数,渗透力,地下水位,极限荷载
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