水工建筑物地基持力層性能分析

□邵留煥　□何志軍　□袁長玉（西華縣水利技術(shù)推廣站；南陽市御龍建筑水利水電工程有限公司）

水工建筑物地基持力層性能分析

□邵留煥1□何志軍1□袁長玉2（1西華縣水利技術(shù)推廣站；2南陽市御龍建筑水利水電工程有限公司）

水工建筑物建造在地基上，承受有基礎(chǔ)傳來的荷載。水工建筑物對(duì)地基的穩(wěn)定對(duì)其安全正常運(yùn)行起關(guān)鍵性的作用。文章結(jié)合周口市已建水工建筑物的地基勘探、實(shí)驗(yàn)資料，就周口市水工建筑物的地基持力層的特性特征、物理力學(xué)性質(zhì)、工作狀態(tài)、施工排水影響等進(jìn)行了討論和分析。希望為水工建筑物的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行提供一些借鑒和參考。

建筑物；地基；性能；分析

1　前言

周口市屬于淮河流域，是多河流地區(qū)。境內(nèi)有沙潁河、渦惠河、茨淮新河和洪汝河四大水系，流域面積100 km2以上的大中型河道62條。新中國成立后，在黨中央、國務(wù)院和省委、省政府對(duì)周口市水利建設(shè)的關(guān)心支持下，開展了大規(guī)模的治水興利活動(dòng)，興建了大批水工建筑物，初步形成了一個(gè)防洪、除澇、灌溉相結(jié)合的水利工程體系。

該地區(qū)水工建筑物地基主要是老黃泛時(shí)期（1194年“黃河奪淮”時(shí)期）的沉積物。由于各處地基層位的變異和水工建筑物基礎(chǔ)底面高程的不同，所使用的持力層層位也不盡相同。大、中型水工建筑物所使用的持力層可歸納為兩種模式：一是砂層（以細(xì)砂為主），上覆2～3m壤土和砂壤土互層；二是透水性良好的含砂礓的粘性土層。小型水工建筑物的基礎(chǔ)埋深變幅較大，基礎(chǔ)埋深較大者，其持力層與大、中型水工建筑物相似；基礎(chǔ)埋深較小者，其基底往往坐落在新黃泛時(shí)期的沉積層上，各處變異甚大，情況較為復(fù)雜。

水工建筑物設(shè)計(jì)中，多從工程布置和結(jié)構(gòu)要求的角度出發(fā)，依照地基對(duì)地下輪廓的一般要求設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，然后根據(jù)地質(zhì)鉆探、試驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)算持力層和基礎(chǔ)的工程狀態(tài)。鑒于地基的隱蔽特性及其物理、力學(xué)性能模擬手段的局限性和以往水工建筑物失事的教訓(xùn)，設(shè)計(jì)人員總是十分謹(jǐn)慎地處理地基參數(shù)，唯恐地基隱患釀成大禍。所以，很有必要對(duì)水工建筑物地基（持力層）的工作性能進(jìn)行科學(xué)的分析，以求有個(gè)中肯的認(rèn)識(shí)，從而提高水工設(shè)計(jì)水平。

2　持力層的成因和結(jié)構(gòu)特征

水工建筑物持力層，主要是老黃泛時(shí)期的沉積物，其分布及產(chǎn)狀有一定規(guī)律。地質(zhì)工作者已基本查明，本區(qū)自西北向東南有五條古河道，古河道地帶的沉積下部為8～20m的砂層，其上逐漸沉積了壤土和沙壤土，上覆含礓石的粘性土以及泛濫洼地的湖泊相黑色亞粘土；河間地塊地帶的沉積砂層很薄，不連續(xù)或無明顯的砂層，以含礓石的粘性土層為主，上覆沉積物與古河道地帶相類似。古河道地帶沉積砂層表面呈波狀，波高0.10～5m，波長從幾米至一百多米，波狀砂層傾向東南，坡降為1／1 000～1/2000，上覆粘性土層層面較平緩，傾向東南偏東，傾角小，層面坡降為1／1000～1/10000；河道地塊地帶沉積層的產(chǎn)狀與古河道地帶砂層以上覆蓋層的產(chǎn)狀相似。

由于近代新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，本區(qū)南部和東南部沉積層的產(chǎn)狀隨之發(fā)生了變化，東部和南部的沙河所揭示的地層結(jié)構(gòu)剖面是個(gè)很好的例證。其西部（周口以上）河床質(zhì)為含砂礓的粘性土層，抗侵蝕能力較強(qiáng)，河床與地面的相對(duì)高差較??；其東部（周口以下），在水流長期侵蝕作用下，原抗侵蝕能力較強(qiáng)而層位升高了的土層均被切割，現(xiàn)河床顯示為壤土和砂壤土，抗沖能力較差，河床與地面的相對(duì)高差較大，由于河流沿程地質(zhì)構(gòu)造及其抗侵蝕能力的變異而形成的這種河床特性，就決定了沙河的抗洪特征為“銅頭、鐵尾、豆腐腰”。所以，周口以西水工建筑物的持力層大多是含砂礓石的粘性土層和下墊的壤土、沙壤土層以及砂層，例如沙河周口閘、賈魯河周口閘、潁河黃橋閘；周口以東水工建筑物的持力層主要為壤土、沙壤土及砂層，如惠濟(jì)河?xùn)|孫營聞、沙河槐店閘。盡管水工建筑物有的建在原河道上，有的建在河道裁彎取直段上，但所使用的持力層是相似的。

3　持力層的物理、力學(xué)性質(zhì)

3.1黑色亞粘土層

多孔隙、裂隙，含貝殼和植物根系，滲透系數(shù)1～2m/d，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)3～5，壓縮系數(shù)0.40～0.50MPa-1。此層屬于透水性良好的中壓縮性粘性土層，由于有機(jī)質(zhì)成分及含量的不同，巖性差異較大。

3.2含礓石的粘性土層

多孔隙，孔隙比0.50～0.90，含礓石量25%～50%，滲透系數(shù)2～5m/d，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)7～11，壓縮系數(shù)0.10～0.30mPa-1。此層屬于透水性良好有一定膠結(jié)的中壓縮性粘性土，其力學(xué)性能的差異取決于礓石的質(zhì)量和含量，本區(qū)西部的礓石質(zhì)地良好，含量高，局部形成“礓石盤”，施工開挖時(shí)需用鋼釬敲鑿，甚至需要炸藥爆破。

3.3壤土和沙壤土層

致密，有一定程度的膠結(jié)，滲透系數(shù)1～2m/d，層內(nèi)含小礓石（粒徑＜10mm），壓縮系數(shù)0.07～0.10mPa-1，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)9～13。此層屬于透水性較好的低壓縮性膠結(jié)的粘質(zhì)砂性土，其力學(xué)性較好，但由于取樣擾動(dòng)及試驗(yàn)前再次浸水破壞了原結(jié)構(gòu)的膠結(jié)．故室內(nèi)土工試驗(yàn)顯示的抗剪強(qiáng)度參數(shù)偏低，在施工排水條件下，開挖此土層時(shí)，需用鐵鎬錛。

3.4砂層

層面起伏呈波狀，以細(xì)砂為主，上部為極細(xì)砂。不均勻系數(shù)Cu分別為2.1和2.8，滲透系數(shù)5～15m/d，相對(duì)密度多＞0.66，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)15～60，多數(shù)＞20擊。

4　持力層的工作狀態(tài)分析

地基承受建筑物施予的附加荷載后，其工作狀態(tài)如何，不僅直接關(guān)系著建筑物的安危，而且是衡量地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全度的標(biāo)志。由于條件所限，本區(qū)已建水工建筑物均未埋設(shè)地基應(yīng)力觀測裝置，我們就從反映地基變形情況的建筑物位移來分析地基的工作狀態(tài)。

為了說明問題，選擇沙河周口深孔閘和潁河黃橋閘的沉降觀測統(tǒng)計(jì)值如表1、表2；兩閘設(shè)計(jì)閘墩基底應(yīng)力如表3。

表1　沙河周口深孔閘實(shí)測沉降量表（單位：mm）

注：1、沉降量為9個(gè)閘墩沉降量均值；

2、相對(duì)沉降量為歷次觀測高程與1977年7月24日普測高程之差。

表2　潁河黃橋閘實(shí)測沉降量表（單位：mm）

表3　設(shè)計(jì)基底應(yīng)力表（單位：kPa）

黃橋閘的沉降觀測除施工初期缺測外，在施工運(yùn)行階段的觀測比較系統(tǒng)、完整，精度較高。其沉降過程表明，工程完建時(shí)，地基的固結(jié)已完成；渦河鹿邑閘等資料表明，工程完建時(shí)，地基的固結(jié)也已完成。

各閘投入運(yùn)行后，歷次沉降觀測值與第一次蓄至設(shè)計(jì)水位的高程相比，隨著蓄水位的變化而有降又有升，即其垂向位移是可逆的。據(jù)5座水閘垂向位移資料，升降變幅平均為15mm，因此，可以判定，建筑物持力層是處于彈性工作狀態(tài)。

上述地基變形的沉降回彈現(xiàn)象，在非膨脹性土基上的工業(yè)與民用建筑中是罕見的，但在本區(qū)的水工建筑物中卻是普遍的，這不僅儀表明本區(qū)水工建筑物的持力層是良好的天然地基，已有的水工地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全度較大,而且，充分顯示了水工建筑物地基的特殊工作條件之影響；也可以說，各水閘觀測到的可逆的垂向位移量反映了水閘運(yùn)行過程中地基應(yīng)力和變形重新調(diào)整的狀態(tài)。

5　施工排水時(shí)對(duì)持力層的影響

作好施工排水對(duì)于造就良好的工作面、提高工效、保證施工質(zhì)量的意義是水利工作者所熟知的；施工排水能加速地基的滲透固結(jié)和壓密也是大家所公認(rèn)的；但是，對(duì)于在施工排水條件下，地基壓密變形的過程及其效應(yīng)迄今尚少研究，以致對(duì)于某些工程現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和處理難免帶有盲目性。因此，很有必要作進(jìn)一步的探討。

施工排水條件下，地基迅速固結(jié)的過程，在對(duì)持力層工作狀態(tài)的分析中已經(jīng)顯示。例如，潁河黃橋閘中墩澆完后，實(shí)測了垂向位移觀測點(diǎn)的高程，以后在不同階段都進(jìn)行了觀測。從資料中可以看出，該閘運(yùn)行階段庫空時(shí)的高程與中墩澆完時(shí)的高程一致。這個(gè)現(xiàn)象表明，該閘地基固結(jié)已在中墩澆完時(shí)就已經(jīng)結(jié)束，而后續(xù)荷載所引起的沉降被地基回彈相抵消了。渦河鹿邑閘在施工中也作了類似的觀測，觀測點(diǎn)的高程幾乎沒有變化。水工建筑物的固結(jié)過程過快、地基在建筑物附加荷載作用下回彈，主要是由于施工排水的作用，以及地基滲透水壓力的變化使地基結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷調(diào)整所致。

水工建筑物施工時(shí)，不僅早已截?cái)鄰搅?，而且采用?qiáng)力基坑排水，使水位急劇下降，并保持相當(dāng)?shù)穆裆?。在此過程中，地下水位以上的地基土孔隙水排出，孔隙水壓力降低，同時(shí)，地下水滲透力使土顆粒的相對(duì)位置調(diào)整，土體壓縮、壓密，地基產(chǎn)生附加沉降，地下水流對(duì)地基結(jié)構(gòu)作的功以持力層變形能的形式儲(chǔ)存起來。當(dāng)停止基坑排水時(shí)，地下水位回升，孔隙水充填孔隙，地基似應(yīng)回彈，但由于建筑物正處于施工階段，直至運(yùn)行蓄水時(shí)，對(duì)地基的附加荷載繼續(xù)增加而產(chǎn)生的附加沉降掩蓋了地基的回彈。隨著滲透壓力的增大，地基孔隙水壓力增高，結(jié)合水楔入粒間，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力再次調(diào)整。當(dāng)上游水位降低甚至排空時(shí)，持力層驟然減荷，儲(chǔ)備的變形能隨之釋放，表現(xiàn)為地基明顯的回彈?；讐毫偷叵滤疂B透壓力隨建筑物上、下游水位的變化而變化，持力層的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形也隨之調(diào)整，在未達(dá)到其破壞的應(yīng)力與變形之前，則一直處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

施工排水對(duì)持力層的影響不僅表現(xiàn)為地基的迅速固結(jié)和建筑物運(yùn)行階段位移的可逆性，而且由于施工排水布置的不均衡所形成的漏斗狀地下水面，加之局部排水設(shè)備運(yùn)行不正常的因素，產(chǎn)生的附加沉降勢(shì)必不均勻。這時(shí)，地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處于協(xié)調(diào)工作條件下，上部結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不可忽視的內(nèi)力，可能導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)部位的開裂。例如，潁河逍遙閘和渦河鹿邑閘的施工過程中，均在混凝土隔墩上出現(xiàn)裂縫，而在混凝土工藝上又都無明顯的缺陷，歸咎于溫度應(yīng)力的結(jié)論，顯然是不能信服的。然而，兩閘相距150km時(shí)隔9a，而裂縫的部位及開裂情況卻十分相似，這絕不是偶然的。

施工排水使地基產(chǎn)生附加沉降的作用有多大，試從潁河黃橋閘的情況中作粗略的定量分析。

該閘設(shè)計(jì)基底壓力為P＝124～196 kPa,簡化按P＝200 kPa計(jì)，用彈性理論計(jì)算其最終沉降量S總＝72.40mm（據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)資料，分層總和法計(jì)算結(jié)果與之吻合），中墩澆完時(shí)（P=88 kPa）的計(jì)算沉降量S1＝31.90mm，實(shí)測后續(xù)載引起的附加沉降量S2＝16.70mm，實(shí)測庫空后的沉降量（回彈值）S3＝-16.70mm，其高程與中墩澆完時(shí)一致。如無排水作用，應(yīng)有S總＝S1＋S2＋S3；由于施工排水使地基產(chǎn)生了附加沉降，其量值應(yīng)為S＝S總－S2－S3＝40.50mm，為最終沉降量的56%。

6　結(jié)論

盡管水工建筑物有的建在原河道上，有的建在河道裁彎取直段上，但所使用的持力層的結(jié)構(gòu)特征是相似的。由于建筑物持力層具有相似的巖性組成和沉積環(huán)境，尤其具有相同的先期預(yù)壓歷史和上覆土層荷載，先期壓密的狀況類似，所以，即使勘探實(shí)驗(yàn)的方法不同，而不同地理位置同一層位的力學(xué)性質(zhì)均相近似。由于各地建筑物持力層巖性組成（砂粒、粘粒比例和含礓石量）與覆蓋層厚度的差異，以及勘探實(shí)驗(yàn)的誤差，顯示某些參數(shù)值的差異是正常的，而變幅不大。文章討論的水工建筑物持力層是透水性較好、壓縮性中等的良好天然地基，由于施工排水的作用，其滲透固結(jié)過程在施工中已基本結(jié)束，在建筑物投入運(yùn)行后，持力層處于彈性工作狀態(tài)是經(jīng)先期排水固結(jié)后再次充水的受剪狀態(tài)，設(shè)計(jì)中采用的一次固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)小值平均值是偏于安全的。施工排水對(duì)于對(duì)加速地基固結(jié)、提高地基的強(qiáng)度作用是十分明顯的。施工排水設(shè)計(jì)應(yīng)超脫工程施工的范疇，同時(shí)作為地基加固及加速地基固結(jié)的重要手段來考慮，排水設(shè)計(jì)的布置及強(qiáng)度應(yīng)使建筑物持力層的水位盡量降低且趨于水平，并應(yīng)隨地基透水性的不同而相應(yīng)地設(shè)計(jì)排水時(shí)間，使地基固結(jié)在基礎(chǔ)施工前就完成大部，并在主體工程完成前保持相當(dāng)?shù)呐潘畯?qiáng)度，以便建筑物投入使用后，其持力層維持良好的工作狀態(tài)。

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1673-8853（2016）08-0106-03

2016-05-09

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

邵留煥（1963-），男，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)管理工作。