地下水位上升對房屋基礎沉降影響分析——以綽斯甲水電站水庫蓄水對蒲西集鎮房屋基礎沉降影響為例

陳緒剛，馬俊琳，吉 翔

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

水庫蓄水后將引起庫岸附近地下水位上升，地下水位上升對建筑物基礎沉降變形有較大影響，但目前尚無文獻對地下水位上升后，基礎沉降變形的影響因素進行系統的闡述和分析。本文從指導基礎沉降計算的《地基基礎設計規范》公式［4］出發，對影響基礎沉降的附加應力、自重應力、壓縮模量進行了分析，并以綽斯甲水電站水庫蓄水后水位抬升對蒲西鎮原有建筑物基礎沉降的影響進行了實例分析，最后得出了對工程實踐有用的結果。

1 地下水位上升對土體應力變化的影響

1.1 地下水位上升引起基底應力變化

據地基基礎規范［4］第5.3.5條推薦的沉降計算公式如下所示。

地下水位上升，高度在基礎底面以下時，基底附加應力變化:

地下水位上升，假定上升至m 土層頂面，高度在基礎底面以上時，基礎底面土層為第i－1 層。則:

地下水位上升，高度在基礎底面以上時，基礎以下土層附加應力變化量為:

式中:Δ p0為基底附加應力變化量;p為建筑物在基底附加應力;γw、γk、γsatk分別為水密度，第k 層土體重度、土體飽和重度;hk為第k 層土厚度;Δσip為基底下i 土層附加應力變化量。

1.2 基礎底面下土自重有效應力變化

Δσit為土體自重狀態有效應力變化。

1.3 地下水位上升總應力變化

Δσi為i 層土體總應力變化量。

從上述公式可以看出:當地下水位上升但未淹沒基礎時，基底凈附加應力不會改變，Δσip為0，Δσit減小變化量為正值，所以Δσi＜0。當地下水上升至基礎底面以上時，基底附加應力將增加，Δσip大于0，Δσit減小，Δσi需根據計算確定。

2 地下水位上升對土體壓縮模量的影響

2.1 水位上升對地基土承載力及壓縮模量影響定性分析

(1)地下水位上升，由于地下水的浮力作用，土體的有效應力會降低，因此地下水降低將會減小地基承載力;

(2)地下水位上升，將使水位以下的土由于失去毛細管應力或弱結合水形成的表面凝聚力，使地基承載力下降;

(3)地下水位上升，將減小土體的內摩擦角，對砂土尤其明顯，這也將使土體的地基承載力降低。

由于土體壓縮模量與土體承載力具有正相關性，壓縮模量將減小，土體沉降量增加。

2.2 從土體壓縮模量與其它物理指標的相關關系分析

根據文獻［2］的研究結論，比貫入阻力對土體壓縮模量影響顯著，但淺層地下水位上升對靜力觸探試驗比貫入阻尼影響不大，所以從Es與土指標的相關性來講，地下水位上升與Es大小沒有必然的聯系。

2.3 根據e－p 曲線分析

《建筑地基基礎設計規范》［4］公式中的壓縮模量是土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段進行計算。由于水位上升，土體的自重壓力減小，自重應力與附加應力之和也就減小。在壓縮曲線上不同壓力段的量值是不同的，一般壓力較小時，曲線較陡，土體易于壓縮;壓力較大時，曲線趨于平緩，土體不易于壓縮。所以，在地下水位上升時，壓力減小，土體變得易于壓縮，土的壓縮模量將減小。

由于從理論上較難推導水位上升引起Es的變化幅度，因此根據土力學中壓縮模量的計算公式，從e－p 曲線著手，討論地下水位上升引起土體有效應力變化，從而對土體壓縮模量產生影響。e－p 曲線參見圖1 所示。

圖1 e－p 曲線

3 地下水位上升對土體應力和壓縮模量的實例分析

3.1 蒲西集鎮地質概況

蒲西集鎮位于四川省綽斯甲河綽斯甲水電站上游，河流多年平均水位2787.31～2787.58 m。綽斯甲水電站水庫正常蓄水位為2788.32～2788.51 m，洪水位為2788.8～2789.21 m。水庫蓄水后將引起地下水位上升，對原蒲西集鎮臨河部分建筑及建筑基礎有浸沒影響，需對已建建筑物基礎變形進行分析。

根據四川省綽斯甲河綽斯甲水電站蒲西集鎮堤防工程地質勘探報告，其典型地質剖面的相關參見表1 所示，粉質黏土層e－p 對應參數表參見表2 所示。蒲西集鎮建筑多為砌體，帶地下室，基礎為條形基礎，基礎寬度1 m，埋深－7.5 m，基底持力層粉質黏土，主要壓縮土層為粉質黏土層。

基礎原地下水位為－11.100 m，該地下水位為多年河流，平均水位2787.31 m，假定在水位未上升時基底附加應力為150 kPa。

表1 典型地質剖面

表2 粉質粘土e－p 對應表

3.2 土體應力及壓縮模量變化規律分析

隨著地下水位上升，自重應力變化量、附加應力變化量和總應力變化量如圖2 所示，土體壓縮模量變化量如圖3所示。

由圖可知，隨著地下水位上升，粉質黏土層自重應力逐漸減小;在地下水位上升到基底之前，基底附加應力不變，土層附加應力也不變，當地下水位上升到基底以上時，基底附加應力增大，土層附加應力增大;粉質黏土壓縮模量隨著地下水位上升逐漸減小，當地下水位上升達6 m 時，壓縮模量變化率不超過15%，表明地下水位上升對粉質粘土壓縮模量影響不大。

圖2 自重應力、附加應力和總應力變化量

4 結論

(1)地下水位上升但未淹沒基礎時，基底凈附加應力不會改變，Δσip為0，土體自重應力Δσit減小，其變化量為正值，所以Δσi＜0。當地下水上升至基礎底面以上時，基底附加應力將增加，Δσip大于0，Δσit減小，總應力變化量Δσi需根據計算確定;

圖3 壓縮模量變化率

(2)根據e － p 曲線定性分析，一般壓力較大時，曲線較陡，土體易于壓縮，壓力較小時，曲線趨于平緩，土體不易于壓縮。在地下水位上升時，壓力減小，土體變得易于壓縮，土的壓縮模量將減小;

(3)根據壓縮模量計算公和e －p 曲線，推導了地下水位上升后和地下水位上升前的壓縮模量比公式，由于a = Δe/Δ p，為割線斜率，且e － p 曲線走勢較緩，應力變化對壓縮系數的影響不大，一般情況下a ＞a'。據e －p 曲線e'1i＞e1i和壓縮模量比計算公式，E's與Es之比值大小需結合工程實例進行分析并得出結論;

(4)以蒲西集鎮地下水上升對房屋基礎應力及壓縮模量影響為例進行分析，結果表明，隨著地下水位上升，持力層粉質黏土自重應力逐漸減小;在地下水位上升到基底以前，基底附加應力不變，土層附加應力也不變，當地下水位上升到基底以上時，基底附加應力增大，土層附加應力增大，但總應力變化量仍為負，這與地下水下降土層有效應力總是增加這一基本規律是一致的;粉質黏土層壓縮模量隨著地下水位上升逐漸減小，當地下水位上升達6 m 時，壓縮模量變化率不超過15%，表明地下水位上升對粉質黏土壓縮模量影響不大。

［1］楊建新，李發菊，陳田華.地下水位上升對淺基礎地基承載力的影響［J］.基礎工程設計，2010(5):95－99

［2］楊紅禹，石振明.土壓縮模量預測回歸分析方法［J］.上海地質，1997(3):44－48

［3］李根義.地下水對地基沉降計算的影響評價［J］.地下水，2009(4):25－26

［4］GB 50007－2002 地基基礎設計規范［S］

［5］周健，屠洪權.地下水上升對淺基礎地基承載力的影響［J］.港口工程，1994(1):21－24

［6］楊紅禹，石振明.未來海平面上升對上海地區激化地基變形預測及其對市政建設的影響［D］.同濟大學，1998

［7］上海市水利局海平面上升課題組.未來上海地區海平面上升預測及對策研究［R］.1999