地下水对地基承载力的影响研究

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　　摘要：伴随我国大规模的基础设施建设，由于地基引起的工程事故呈上升趋势。地基变形、地基失稳（剪切破坏）、地基渗流、土坡滑动、地震破坏、软弱地基或不良地基等造成的工程事故屡见不鲜。而地下水是引起上述工程事故的重要原因。本文即阐述了地下水对地基承载力的影响的相关问题。
　　关键词：地下水；地基承载力；公式；粘聚力；极限承载力
　　一、概述
　　地基承载力的确定有若干不同的方法，主要在于不同的土体性质描述导致了不同破坏模式，大体分为整体剪切破坏、局部剪切破坏和刺入剪切破坏三种模式。相应承载力计算公式也各自不同，即使是同一种土类作为地基，其承载力也会受基础类型、刚度、埋深、荷载性质、加荷速率等各种因素的影响。所以，本文仅讨论地下水分布形态对地基承载力的影响。
　　二、地下水对地基承载力的影响分析
　　（一）地基承载力特征值公式
　　在弹塑体假定，不考虑土的压缩性，并由莫尔理论控制极限平衡条件、泊松比V=0.5及平面问题求解的前提下，GB 5007-2002建筑地基基础设计规范中给出地基承载力特征值公式如下所示：
　　。
　　式中，r――基础底面以下土重度，地下水位以下取有效重度（浮重度）；
　　rm――基础底面以上土平均重度，地下水位以下取有效重度（浮重度）；
　　ck――基地下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值；
　　Mb，Md，Mc――与土的内摩擦角有关的三个承载力系数。
　　从此公式可看出地基承载力大小与地基土体的粘聚力C、基础底面上下部土体重度r、土的内摩擦角Φ有关，因此就与地下水的赋存状态及动态趋势存在密切关系。
　　从上述理论公式可以看到如下两点：
　　一是采用不同的理论公式确定的地基承载力，地下水的升降都将对浅基础地基承载力产生影响。
　　二是由于水的浮力作用，将使土的有效重量减少而降低土的承载力，当土在水位以下时，应采用浮重度，而一般的土浮重度仅为天然湿重度的0.5倍～0.7倍。因此，地下水上升将使土的承载力大为降低，对于c=0的无黏性土，这种影响更为显著。这时，Mcck项不存在，地基承载力将正比于土的重度，因此，在计算确定地基承载力时，必须充分估计地下水变化的可能和趋势。
　　地基规范采用的解法从理论上说仅适用于均质体，即不管基础底面以上、还是以下，土的重度都必须是一样的，则只有在两种条件下才会出现这种理想的状态，即地下水位达到自然地面或在影响域以下，此时土重度均为有效重度或总重度，显然，在实际工程中满足这样的条件几乎是不可能的，因此，规范在地基承载力公式中将土体分为基底面上下两部分，并对地下水位以下土体取有效重度，同时也规定，当基底下塑性开展深度为基底宽度（B）的1/4时对应的荷载为地基承载力特征值，实际上确定了基底下塑性区影响深度Zmax=B/4。地下水位上升，造成承载力降低，其减少的程度不仅受土拘重度变化影响，而且与基础尺寸、埋深、土强度参数关系密切，很难用简单的公式直观表达。
　　（二）地下水上升对浅基础地基承载力的影响
　　地下水对浅基础地基承载力的影响通常由两种可能：一是沉浸在水下的土将失去毛细管应力或弱结合力所形成的表观凝聚力以及水的软化作用使土的胶结力的降低，土的抗剪强度降低而影响承载力的下降，这种影响在实际应用上困难较多，本文仅做定性分析；二是由于水的浮力作用，土的有效重度减少而降低土的承载力。
　　1、水对抗剪强度指标的影响
　　土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力，其数值等于剪切破坏时滑动面上的剪应力。现行《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）即采用抗剪强度指标计算地基承载力。抗剪强度是土的主要力学性质之一。在1776年，库伦（C.A.Coulomb）根据砂土的摩擦试验提出了著名的库伦抗剪强度定律，莫尔（Mohr）继续库伦的早期研究工作，提出材料的破坏是剪切破坏，从而建立了著名的摩尔- 库仑强度理论；由于太砂基有效应力原理的发展，又出现了有效抗剪强度公式：
　　根据现代摩擦理论，土强度机理及影响因素十分复杂，不可能将二者截然分开。为了解决实际问题，我们通常把土的抗剪强度形式上概化成两部分：黏聚强度c和摩擦强度σtgφ。
　　（1）黏聚力
　　主要包括：静电引力、范德华力、表观黏聚力、颗粒接触点的化合价键等粒间引力和颗粒间的胶结（化学键）等，据测试分析表明，颗粒间引力引起的黏聚力较少，化学胶结力是黏聚力的主要部分。
　　地下水上升将失去毛细管应力或弱结合力所形成的表观凝聚力，特别是水使颗粒间的胶结物软化而降低了土的黏聚强度。这种作用对于黏性土影响最大。
　　（2）在相同的初始孔隙比下饱和砂土的内摩擦角φ比干燥时一般小2°左右，说明地下水上升后砂土强度将降低。
　　非饱和土的抗剪强度指标c、φ值随含水量ω的增大所发生的变化并不是简单的线性关系，它们都有在含水量ω小于液限时，随含水量ω的增大而减小的趋势，且黏聚力c的变化比内摩擦角φ的变化更显著。
　　2、浅基础地基承载力理论
　　浅基础地基承载力理论公式有多种，主要可划分为假定刚塑体计算极限承载力公式及考虑弹塑性影响（即允许局部塑性区开展的）计算允许承载力的公式两大类。
　　（1）极限承载力
　　静荷载试验研究和工程实例表明，由于地基承载力不足而使地基遭致破坏的实质是地基下面持力层土的剪切破坏。剪切破坏的形式可分为三种：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。当地基中达到极限平衡发生整体剪切破坏时，作用在地表上的荷载即为极限荷载。主要有普朗特尔- 瑞斯纳理论、太沙基理论、饱和软土的斯开普顿理论等。这些公式的推导都是先对均质地基中心荷载条件下条形基础假定滑动面的形状，并认为在全部滑动面上土体均达到极限平衡，然后分别考虑由于基础底面下土的自重、土的黏聚力c 和基础两侧超载q 的作用所引起的土抗力，根据脱离体的静力平衡条件求解后进行叠加，它们的基本形式是：
　　式中，fu为地基土极限承载力；Nc、Nq、Nr 均为地基承载力系数，都是φ的函数；q 为基础两侧超载，一般为γmd。
　　由上可知，极限承载力的通式包括有三项：第一项cNc反映了土的黏聚力的作用；第二项qNq 反映了基础两侧边载的作用；第三项γbNγ 反映了地基的宽度与地基土的重度。这三项中的地基承载力系数都是土的内摩擦角φ 的函数。上述这些因素的变动都会对地基承载力造成影响。
　　（2）相关结论
　　①非饱和土的抗剪强度指标c、φ 值随含水量ω的增大所发生的变化并不是简单的线性关系，它们都有在含水量ω 小于液限时，随含水量ω 的增大而减小的趋势，且黏聚力c 的变化比内摩擦角φ 的变化更显著。
　　②地下水位上升使地基土有效重度γ 减少，地基承载力必然下降，据相关资料[7]，砂土地基承载力下降率最大可达70%，黏性土由于有黏聚力的内在作用，承载力下降率相对小些，最大下降率在50%左右。
　　③当仅考虑地基土有效重度γ减少导致地基承载力下降时，对地基承载力产生影响的最大深度Zmax，应视确定地基承载力所采用的理论公式，即理论和应用相一致；根据太沙基地基极限承载力荷载理论而言，地基土φ越大，最大影响深度Zma x 取值也不断加深；通常我们取Zmax 为一倍基础宽度的考虑方式，对于φ≤25°时应用太沙基理论，斯肯普顿地基极限承载力理论，地基基础设计规范公式是安全的。
　　④源于土的碎散性、多相性和在长期地质历史造成的多变性，土的强度也呈现其特殊性。比如湿陷性黄土、膨胀岩、盐渍土等在考虑地下水的影响时具体问题应具体分析。
　　⑤在重要工程建设和使用过程中如果地下水位可能上升时，建议进行专门的研究。同时勘察成果宜提供土的饱和抗剪强度指标。
　　参考文献：
　　[1]张岩，邢晨曦，王海强.地下水上升对岩土性质的影响和评价[J].河北勘察，2008.2.
　　[2]刘睿，黑瑞卿，于海.地下水对地基承载力的影响研究[J].山西建筑，2006.9.
　　[3]雷晓雨，闫明礼，申雪静，闫雪峰.地下水对地基基础设计的影响[J].工业建筑，2010.11.
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