【2017年整理】地下水的静水压力及浮托作用

地下水的静水压力及浮托作用 地下水对水位以下的岩土体产生静水压力，并产生浮托力。浮托力的大小可以按阿基米得原理确定，即当岩土体空隙或孔隙中的水与岩土体外界的地下水相通，浮托力等于岩土体骨架颗粒体积部分的浮力。当建筑物以粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石作地基时，按设计水位 100%计算浮托力；当建筑物以节理裂隙不发育的岩石作地基时，按设计水位 50%计算浮托力；当建筑物以粘性土作地基时，其浮托力难以确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。根据建筑地基基础设计规范Gb50007-2002 的规定，确定地基承载力特征值时，无论是基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度的确定，地下水位以下均取有效重度。 潜蚀作用通常产生于粉、细砂或粉土地层中。基坑降水施工过程中会产生水头差，在动水压力作用下，土颗粒受到冲刷，细颗粒从较大颗粒的孔隙中被带走，土的结构遭到破坏。易产生潜蚀作用的条件是：(1)土的不均匀系数 大于 10 时易产生， 按下式计算： 式中 d60限定粒径（mm） ，即土样中小于该粒径的土粒质 量占土粒总质量的 60%； d10有效粒径（mm） ，即土样中小于该粒径的土粒质量占土粒总质量的 10%。(2). 上下两层的渗透系数 k1/k22 时，在两土层接触面处易产生；(3). 当渗透水流的水力坡度大于产生潜蚀的临界水力坡度时易产生，产生潜蚀的临界坡降。 1.流砂现象流砂通常产生于粉、细砂或粉土层中，是指土被水饱和后产生流动的现象。易产生流砂的条件如下： （1）水力坡降大于临界水力坡降，即动水压力超过土粒重量时易产生流砂。 （2）粉、细砂或粉土的孔隙比愈大，愈易形成流砂； （3）粉、细砂或粉土的渗透系数愈小，排水性能愈差时，愈易形成流砂。流砂的形成原因: 流砂的形成是多种多样的，主要原因是由于河水的冲积经过地质的变化而形成的砂层，在遇到水流的情况下，整个砂层发生流动，从而形成了流砂层，在长江沿岸、沿淮部分地区以及我省的砀山、萧县也有流沙层的分布。流砂，顾名思义，就是流动的砂子，这主要是砂子在地下遇到水，在水的压力发生变化的情况下，水发生了流动，这样砂子跟水一起发生了流动。在通常情况下地下水的压力是固定不变的，但是一旦水压发生变化，整个砂层就会跟着发生变化，因此处理好流砂问题对基础的影响，对于基础施工来说，有着十分重要的意义。正确的处理好流砂层在基础施工过程中造成的负面影响，不仅可以有效的控制工程的造价，而且能够提高施工的工艺流砂的危害 基础是建筑物的十分重要组成部分，它对建筑物的安全和正常使用影响极大，在实际施工过程中必须结合工程地质条件、建筑材料及施工技术等因素，并将上部结构与地基基础综合考虑，使基础工程安全可靠、经济合理、技术先进，便于施工。在基础施工过程中，如果没有解决好这一问题，基础就会跟着砂层一起流动，发生位移，这样地基础的持力层就会发生变化，这对建筑物来说是十分有害的，也是绝对不容许有这种现象发生的。实践证明，建筑物的事故很多是与地基基础有关的。例如著名的意大利比萨斜塔的倾斜就是由于地基的不均匀沉降而造成的。我国上海工业展览馆建于 1954 年，总重 10000t，地基为厚14m 的淤泥软质粘土。建成后，当年地基下沉 0.6m，目前大厅平均每年沉降量达 1.6m。因此我们在进行施工时，必须要认真处理好基础，一般多层建筑中，基础工程造价约占总造价的 20%-25%，对高层建筑或需地基处理时，则所需费用更大。另外，地基基础属于隐蔽工程，一旦出现事故，不容易处理。因此基础工程实属百年大计，必须慎重对待。 流砂处理的简易对策 随着我国国民经济的发展，不仅要选择在地质条件好的场地上从事建设，而且有时不得不在地质条件不良的地基上进行施工；另外，随着科技的日益发展，结构荷载增大，对变形要求越来越严，因此必须要选择最恰当的地基处理方法来施工。只有充分认识了流砂的形成原因和流砂的危害才能采取切实有效的方法来进行处理，在进行基础施工之前先认真阅读地质勘察报告书，对砂层的厚度、地下水位的高低等地质状况有个比较直观的认识，这样才能便于我们采取何种施工方法来进行施工。 在实际施工过程中，通常处理基础的方法有换土垫层法、深层密实法、排水固结法、化学加固法、加筋法、热学法。 这里介绍处理流砂的方法是综合了换土垫层法和排水固结法两种施工方法的优点。在开工之前先进行安全和技术交底工作，使参加作业的施工人员对整个操作的流程有个比较清醒的认识和理解，便于我们组织施工。首先是土方的开挖，最好选择机械挖土，这样可以提高速度，加快施工的进度。开挖深度根据设计要求而定，在开挖的过程中要做好排水措施，在开挖基础的附近处，设置集水井，用吸砂泵或离心式水泵不停的向外排水，集水井的设置位置要根据基坑平面开头与大小，土质与地下水位的高度与流向、降水深度等决定，设置在地下水流的上游一侧。整个抽水过程要持续到土方和基础施工结束时为止，上面如果有砂层，用人工清理完毕，再用块石填置，直到能够满足设计要求，这样整个基础垫层的组成就发生了变化，原先为砂和水，现变成了块石和砂的混合物，在这个过程中要不停的排水，下一步是在垫层上浇筑砼，这样逐步推进，再进行下一段的施工，直到整个基础施工结束，为了防止基础四周土方发生塌方，在施工过程中可以根据实际情况在基础周围布置木桩，防止基础四周土方塌陷。在此施工过程中，由于不是整体进行的，因此在相邻 部分之间肯定或多或少会有空隙存在，这样里面就会有少量的砂随着水流向上涌出，可以采取在空隙处插入一根软管，管子周围用水泥加水玻璃将管缚住，再上面浇一层砼，这样里面的流砂就会在压力的作用下通过软管排除，待砼的强度初凝几个小时后，将管扎牢，相邻段砼之间的空隙用水玻璃敷住，这样可以加快水泥的硬化速度，由于采用此方法，单位时间内砼的用量非常大，如果砼搅拌机的速度满足不了施工的要求，最好采用泵送商品砼。 2、基坑突涌（举例分析：开挖阶段的基坑图） 事故原因分析 依据事故勘察结果分析，基坑底部距含丰富地下水的粗-粉砂层厚度不足 2 m，达不到 H0h 平衡条件的 H(0).h 3 m 的要求，加之人工降水的泵吸扰动和桩基施工时振动扰动，帷幕降水方案必须确保将砂层隔离方可保证不产生突涌现象；隔水层宜选择渗透系数较小、分布较稳定的第 6 层有机质土为妥。而提供的详细勘察资料未划分出砂层，故设计的帷幕深度仅 12 m，事故后检查其实际施工深度才 10 余米，加之单排锚杆隔水质量不高，故在此粗粉砂层中未形成帷幕。此事故是由于基坑开挖快速降水使基坑底部含丰富地下水的砂层压力骤降，水的差异压力顶裂基坑底板而造成突涌现象(见图 4)，地下水快速涌出加之自来水管断裂后的水源补充流动而带出粉土中细小颗粒，继而发生流砂现象和管涌使砂土液化，地基被急剧扰动、下沉、失稳而造成的重大工程事故。(例)基坑突涌示意图应汲取的教训(1)要重视野外地质观察与编录工作。应根据各种岩性特征，尽可能详细的分层，决不能仅依据室内试验指标而划分工程地质层。要特别重视深开挖基坑下部工程地质层划分与研究工作。凡大于 0.5 m 工程地质层均应描述和单独标出。(2)要重视 地下水对地基稳定性的影响评价。当大幅度人工降低地下水位时，一定要对其不良作用进行论证分析。特别是在粉土、砂土地层区大幅度降低地下水水位时，因细小颗粒被带走，极易发生流砂管涌事故，要特别予以重视。(3)要切实重视对粉土性质的研究工作。粉土既不同于粘性土，又不同于砂土，在振动条件下例如密度较大的桩基施工和快速排水条件下极易产生液化现象，常会给工程造成意想不到的重大损失。 五.地面沉降 地面沉降又称为地面下沉或地陷。它是在人类工程经济 活动影响下，由于地下松散土层固结压缩，导致地壳表面标 高降低的一种局部的下降运动（或工程地质现象） 。我国出现的地面沉降的城市较多。按发生地面沉降的地 质环境可分为三种模式：1.现代冲积平原模式，如我国的几大平原 。2三角洲平原模式，尤其是在现代冲积三角洲平原地 区。3断陷盆地模式，它又可分为近海式和内陆式两类。