水工建筑物地基持力层性能分析

□邵留焕　□何志军　□袁长玉（西华县水利技术推广站；南阳市御龙建筑水利水电工程有限公司）

水工建筑物地基持力层性能分析

□邵留焕1□何志军1□袁长玉2（1西华县水利技术推广站；2南阳市御龙建筑水利水电工程有限公司）

水工建筑物建造在地基上，承受有基础传来的荷载。水工建筑物对地基的稳定对其安全正常运行起关键性的作用。文章结合周口市已建水工建筑物的地基勘探、实验资料，就周口市水工建筑物的地基持力层的特性特征、物理力学性质、工作状态、施工排水影响等进行了讨论和分析。希望为水工建筑物的设计、施工、运行提供一些借鉴和参考。

建筑物；地基；性能；分析

1　前言

周口市属于淮河流域，是多河流地区。境内有沙颍河、涡惠河、茨淮新河和洪汝河四大水系，流域面积100 km2以上的大中型河道62条。新中国成立后，在党中央、国务院和省委、省政府对周口市水利建设的关心支持下，开展了大规模的治水兴利活动，兴建了大批水工建筑物，初步形成了一个防洪、除涝、灌溉相结合的水利工程体系。

该地区水工建筑物地基主要是老黄泛时期（1194年“黄河夺淮”时期）的沉积物。由于各处地基层位的变异和水工建筑物基础底面高程的不同，所使用的持力层层位也不尽相同。大、中型水工建筑物所使用的持力层可归纳为两种模式：一是砂层（以细砂为主），上覆2～3m壤土和砂壤土互层；二是透水性良好的含砂礓的粘性土层。小型水工建筑物的基础埋深变幅较大，基础埋深较大者，其持力层与大、中型水工建筑物相似；基础埋深较小者，其基底往往坐落在新黄泛时期的沉积层上，各处变异甚大，情况较为复杂。

水工建筑物设计中，多从工程布置和结构要求的角度出发，依照地基对地下轮廓的一般要求设计基础，然后根据地质钻探、试验资料和经验数据验算持力层和基础的工程状态。鉴于地基的隐蔽特性及其物理、力学性能模拟手段的局限性和以往水工建筑物失事的教训，设计人员总是十分谨慎地处理地基参数，唯恐地基隐患酿成大祸。所以，很有必要对水工建筑物地基（持力层）的工作性能进行科学的分析，以求有个中肯的认识，从而提高水工设计水平。

2　持力层的成因和结构特征

水工建筑物持力层，主要是老黄泛时期的沉积物，其分布及产状有一定规律。地质工作者已基本查明，本区自西北向东南有五条古河道，古河道地带的沉积下部为8～20m的砂层，其上逐渐沉积了壤土和沙壤土，上覆含礓石的粘性土以及泛滥洼地的湖泊相黑色亚粘土；河间地块地带的沉积砂层很薄，不连续或无明显的砂层，以含礓石的粘性土层为主，上覆沉积物与古河道地带相类似。古河道地带沉积砂层表面呈波状，波高0.10～5m，波长从几米至一百多米，波状砂层倾向东南，坡降为1／1 000～1/2000，上覆粘性土层层面较平缓，倾向东南偏东，倾角小，层面坡降为1／1000～1/10000；河道地块地带沉积层的产状与古河道地带砂层以上覆盖层的产状相似。

由于近代新构造运动的影响，本区南部和东南部沉积层的产状随之发生了变化，东部和南部的沙河所揭示的地层结构剖面是个很好的例证。其西部（周口以上）河床质为含砂礓的粘性土层，抗侵蚀能力较强，河床与地面的相对高差较小；其东部（周口以下），在水流长期侵蚀作用下，原抗侵蚀能力较强而层位升高了的土层均被切割，现河床显示为壤土和砂壤土，抗冲能力较差，河床与地面的相对高差较大，由于河流沿程地质构造及其抗侵蚀能力的变异而形成的这种河床特性，就决定了沙河的抗洪特征为“铜头、铁尾、豆腐腰”。所以，周口以西水工建筑物的持力层大多是含砂礓石的粘性土层和下垫的壤土、沙壤土层以及砂层，例如沙河周口闸、贾鲁河周口闸、颍河黄桥闸；周口以东水工建筑物的持力层主要为壤土、沙壤土及砂层，如惠济河东孙营闻、沙河槐店闸。尽管水工建筑物有的建在原河道上，有的建在河道裁弯取直段上，但所使用的持力层是相似的。

3　持力层的物理、力学性质

3.1黑色亚粘土层

多孔隙、裂隙，含贝壳和植物根系，渗透系数1～2m/d，标准贯入击数3～5，压缩系数0.40～0.50MPa-1。此层属于透水性良好的中压缩性粘性土层，由于有机质成分及含量的不同，岩性差异较大。

3.2含礓石的粘性土层

多孔隙，孔隙比0.50～0.90，含礓石量25%～50%，渗透系数2～5m/d，标准贯入击数7～11，压缩系数0.10～0.30mPa-1。此层属于透水性良好有一定胶结的中压缩性粘性土，其力学性能的差异取决于礓石的质量和含量，本区西部的礓石质地良好，含量高，局部形成“礓石盘”，施工开挖时需用钢钎敲凿，甚至需要炸药爆破。

3.3壤土和沙壤土层

致密，有一定程度的胶结，渗透系数1～2m/d，层内含小礓石（粒径＜10mm），压缩系数0.07～0.10mPa-1，标准贯入击数9～13。此层属于透水性较好的低压缩性胶结的粘质砂性土，其力学性较好，但由于取样扰动及试验前再次浸水破坏了原结构的胶结．故室内土工试验显示的抗剪强度参数偏低，在施工排水条件下，开挖此土层时，需用铁镐锛。

3.4砂层

层面起伏呈波状，以细砂为主，上部为极细砂。不均匀系数Cu分别为2.1和2.8，渗透系数5～15m/d，相对密度多＞0.66，标准贯入击数15～60，多数＞20击。

4　持力层的工作状态分析

地基承受建筑物施予的附加荷载后，其工作状态如何，不仅直接关系着建筑物的安危，而且是衡量地基基础设计安全度的标志。由于条件所限，本区已建水工建筑物均未埋设地基应力观测装置，我们就从反映地基变形情况的建筑物位移来分析地基的工作状态。

为了说明问题，选择沙河周口深孔闸和颍河黄桥闸的沉降观测统计值如表1、表2；两闸设计闸墩基底应力如表3。

表1　沙河周口深孔闸实测沉降量表（单位：mm）

注：1、沉降量为9个闸墩沉降量均值；

2、相对沉降量为历次观测高程与1977年7月24日普测高程之差。

表2　颍河黄桥闸实测沉降量表（单位：mm）

表3　设计基底应力表（单位：kPa）

黄桥闸的沉降观测除施工初期缺测外，在施工运行阶段的观测比较系统、完整，精度较高。其沉降过程表明，工程完建时，地基的固结已完成；涡河鹿邑闸等资料表明，工程完建时，地基的固结也已完成。

各闸投入运行后，历次沉降观测值与第一次蓄至设计水位的高程相比，随着蓄水位的变化而有降又有升，即其垂向位移是可逆的。据5座水闸垂向位移资料，升降变幅平均为15mm，因此，可以判定，建筑物持力层是处于弹性工作状态。

上述地基变形的沉降回弹现象，在非膨胀性土基上的工业与民用建筑中是罕见的，但在本区的水工建筑物中却是普遍的，这不仅仪表明本区水工建筑物的持力层是良好的天然地基，已有的水工地基基础设计安全度较大,而且，充分显示了水工建筑物地基的特殊工作条件之影响；也可以说，各水闸观测到的可逆的垂向位移量反映了水闸运行过程中地基应力和变形重新调整的状态。

5　施工排水时对持力层的影响

作好施工排水对于造就良好的工作面、提高工效、保证施工质量的意义是水利工作者所熟知的；施工排水能加速地基的渗透固结和压密也是大家所公认的；但是，对于在施工排水条件下，地基压密变形的过程及其效应迄今尚少研究，以致对于某些工程现象的认识和处理难免带有盲目性。因此，很有必要作进一步的探讨。

施工排水条件下，地基迅速固结的过程，在对持力层工作状态的分析中已经显示。例如，颍河黄桥闸中墩浇完后，实测了垂向位移观测点的高程，以后在不同阶段都进行了观测。从资料中可以看出，该闸运行阶段库空时的高程与中墩浇完时的高程一致。这个现象表明，该闸地基固结已在中墩浇完时就已经结束，而后续荷载所引起的沉降被地基回弹相抵消了。涡河鹿邑闸在施工中也作了类似的观测，观测点的高程几乎没有变化。水工建筑物的固结过程过快、地基在建筑物附加荷载作用下回弹，主要是由于施工排水的作用，以及地基渗透水压力的变化使地基结构应力不断调整所致。

水工建筑物施工时，不仅早已截断径流，而且采用强力基坑排水，使水位急剧下降，并保持相当的埋深。在此过程中，地下水位以上的地基土孔隙水排出，孔隙水压力降低，同时，地下水渗透力使土颗粒的相对位置调整，土体压缩、压密，地基产生附加沉降，地下水流对地基结构作的功以持力层变形能的形式储存起来。当停止基坑排水时，地下水位回升，孔隙水充填孔隙，地基似应回弹，但由于建筑物正处于施工阶段，直至运行蓄水时，对地基的附加荷载继续增加而产生的附加沉降掩盖了地基的回弹。随着渗透压力的增大，地基孔隙水压力增高，结合水楔入粒间，其结构应力再次调整。当上游水位降低甚至排空时，持力层骤然减荷，储备的变形能随之释放，表现为地基明显的回弹。基底压力和地下水渗透压力随建筑物上、下游水位的变化而变化，持力层的结构应力及变形也随之调整，在未达到其破坏的应力与变形之前，则一直处于动平衡状态。

施工排水对持力层的影响不仅表现为地基的迅速固结和建筑物运行阶段位移的可逆性，而且由于施工排水布置的不均衡所形成的漏斗状地下水面，加之局部排水设备运行不正常的因素，产生的附加沉降势必不均匀。这时，地基、基础和上部结构处于协调工作条件下，上部结构将产生不可忽视的内力，可能导致某些结构部位的开裂。例如，颍河逍遥闸和涡河鹿邑闸的施工过程中，均在混凝土隔墩上出现裂缝，而在混凝土工艺上又都无明显的缺陷，归咎于温度应力的结论，显然是不能信服的。然而，两闸相距150km时隔9a，而裂缝的部位及开裂情况却十分相似，这绝不是偶然的。

施工排水使地基产生附加沉降的作用有多大，试从颍河黄桥闸的情况中作粗略的定量分析。

该闸设计基底压力为P＝124～196 kPa,简化按P＝200 kPa计，用弹性理论计算其最终沉降量S总＝72.40mm（据现场实验资料，分层总和法计算结果与之吻合），中墩浇完时（P=88 kPa）的计算沉降量S1＝31.90mm，实测后续载引起的附加沉降量S2＝16.70mm，实测库空后的沉降量（回弹值）S3＝-16.70mm，其高程与中墩浇完时一致。如无排水作用，应有S总＝S1＋S2＋S3；由于施工排水使地基产生了附加沉降，其量值应为S＝S总－S2－S3＝40.50mm，为最终沉降量的56%。

6　结论

尽管水工建筑物有的建在原河道上，有的建在河道裁弯取直段上，但所使用的持力层的结构特征是相似的。由于建筑物持力层具有相似的岩性组成和沉积环境，尤其具有相同的先期预压历史和上覆土层荷载，先期压密的状况类似，所以，即使勘探实验的方法不同，而不同地理位置同一层位的力学性质均相近似。由于各地建筑物持力层岩性组成（砂粒、粘粒比例和含礓石量）与覆盖层厚度的差异，以及勘探实验的误差，显示某些参数值的差异是正常的，而变幅不大。文章讨论的水工建筑物持力层是透水性较好、压缩性中等的良好天然地基，由于施工排水的作用，其渗透固结过程在施工中已基本结束，在建筑物投入运行后，持力层处于弹性工作状态是经先期排水固结后再次充水的受剪状态，设计中采用的一次固结不排水抗剪强度参数小值平均值是偏于安全的。施工排水对于对加速地基固结、提高地基的强度作用是十分明显的。施工排水设计应超脱工程施工的范畴，同时作为地基加固及加速地基固结的重要手段来考虑，排水设计的布置及强度应使建筑物持力层的水位尽量降低且趋于水平，并应随地基透水性的不同而相应地设计排水时间，使地基固结在基础施工前就完成大部，并在主体工程完成前保持相当的排水强度，以便建筑物投入使用后，其持力层维持良好的工作状态。

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1673-8853（2016）08-0106-03

2016-05-09

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

邵留焕（1963-），男，工程师，主要从事水利工程设计、施工和建设管理工作。