河南嵩縣水利局 趙正強(qiáng) 賈小峰河南嵩縣舊縣鎮(zhèn)人民政府 趙紅偉

水利工程不良地基類(lèi)型及土的抗剪強(qiáng)度與滲透性分析

河南嵩縣水利局 趙正強(qiáng) 賈小峰
河南嵩縣舊縣鎮(zhèn)人民政府 趙紅偉

實(shí)踐表明，大部分水利工程建筑物的破壞或失事都是由于地基缺陷或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不妥而造成的。而基礎(chǔ)土的物理性質(zhì)是地基設(shè)計(jì)的根本和出發(fā)點(diǎn)，本文對(duì)水利工程中常見(jiàn)的不良地基類(lèi)型做了概要介紹，并對(duì)基礎(chǔ)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和滲透系數(shù)的確定做了簡(jiǎn)單分析。

不良地基類(lèi)型 抗剪強(qiáng)度 滲透性 滲流

一、水利工程中不良地基常見(jiàn)類(lèi)型

1. 雜填土。雜填土是指由人類(lèi)活動(dòng)所形成的建筑垃圾、生活垃圾和工業(yè)廢料等無(wú)規(guī)則堆填物。雜填土成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、分布極不均勻，因而均勻性差、壓縮性大、強(qiáng)度低。未經(jīng)人工處理的雜填土不得作為建筑物基礎(chǔ)的持力層。

2. 軟土。軟土包括淤泥及淤泥質(zhì)土。其特點(diǎn)是含水量高、孔隙比大，壓縮高，內(nèi)摩擦角小，因此軟土地基承載力低，在外荷載作用下地基變形大。軟土的另一特點(diǎn)是滲透系數(shù)小，固結(jié)排水慢，在比較深厚的軟土層上，建筑物基礎(chǔ)的沉降往往持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年之久。

3. 砂卵石地基。對(duì)于中小型水閘、泵房等建筑物及一般的堤防工程而言，砂卵石地基的承載力通常能滿(mǎn)足要求。但砂卵石地基有著極強(qiáng)的透水性，當(dāng)擋水建筑物存在上下游水頭差時(shí)，地基極易產(chǎn)生管涌，造成嚴(yán)重事故。因此水利工程中的砂卵石地基包括粉細(xì)砂地基必須采取適當(dāng)?shù)姆罎B排水措施。

4. 特殊土地基。特殊土地基一般帶有地區(qū)性特點(diǎn)，包括濕陷性黃土、膨脹土和凍土等。濕陷性黃土的主要特點(diǎn)是受水浸潤(rùn)后土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，在自重應(yīng)力和上部荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生顯著的附加沉陷，從而引起建筑物的不均勻沉降。膨脹土是一種吸水顯著膨脹而失水顯著收縮的高塑性土，這種地基土的特性容易造成建筑物隆起或下沉，從而帶來(lái)嚴(yán)重危害。凍土是指氣溫在零度以下時(shí)出現(xiàn)固態(tài)冰的土，包括瞬時(shí)凍土、季節(jié)性?xún)鐾梁投嗄陜鐾?。其中，季?jié)性?xún)鐾翆?duì)水利工程的危害較大。季節(jié)性?xún)鐾烈蚱渲芷谛缘膬鼋Y(jié)和融化，從而造成地基的不均勻沉降。

二、水利工程中基礎(chǔ)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定

土的抗剪強(qiáng)度是指土的某一受剪面上抵抗剪切破壞的最大應(yīng)力。土的抗剪強(qiáng)度一般由黏聚力和內(nèi)摩擦力兩部分組成。黏聚力主要由包圍在土顆粒周?chē)酿そY(jié)水產(chǎn)生的，它是以吸附水膜的形式使顆粒在接觸面上相互黏結(jié)。顯然，顆粒越細(xì)，顆粒的比表面積越大，黏聚力越大，而對(duì)無(wú)黏性土來(lái)說(shuō)，黏聚力很小甚至可認(rèn)為不存在。內(nèi)摩擦力是指顆粒之間的摩擦阻力，它來(lái)自顆粒接觸面上的摩擦作用和顆粒棱角的鏈鎖作用。這種摩擦力取決于土的滑動(dòng)面的粗糙程度和該面所受的法向壓力。

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的正確選擇，取決于剪切實(shí)驗(yàn)方法的正確運(yùn)用。而剪切實(shí)驗(yàn)方法的選定，又必須保證土樣所處的實(shí)驗(yàn)條件（如受力和排水條件等）應(yīng)盡可能與實(shí)際情況相一致。下面對(duì)三種用于近似模擬土體在現(xiàn)場(chǎng)遇到的不同受剪排水條件的剪切試驗(yàn)做簡(jiǎn)單介紹。

第一，不固結(jié)不排水剪（UU）或快剪（Q）。不固結(jié)不排水剪或快剪通常用來(lái)模擬弱透水性黏土地基受建筑物的快速加載或土壩在快速施工中被剪破的情況。這類(lèi)試驗(yàn)要求飽和土樣在受剪之前以及剪切過(guò)程中，始終保持原有水分不變。不排水剪（UU）在三軸壓縮儀中進(jìn)行，快剪在直接剪切儀中進(jìn)行。

第二，固結(jié)不排水剪（CU）或固結(jié)快剪（R）。完全符合固結(jié)不排水剪或固結(jié)快剪試驗(yàn)中受力排水條件的實(shí)際工程情況是不存在的。有時(shí)，這種試驗(yàn)用來(lái)模擬中等透水性土或黏土在中等加荷速率下被剪破的情況。通常，固結(jié)不排水剪試驗(yàn)主要用來(lái)測(cè)定土的有效強(qiáng)度指標(biāo)和推求原位不排水強(qiáng)度。CU試驗(yàn)在三軸儀中進(jìn)行，固結(jié)快剪試驗(yàn)在直剪儀中進(jìn)行。

第三，固結(jié)排水剪（CD）或慢剪（S）。 這種試驗(yàn)用來(lái)模擬黏土地基和土壩在自重荷載作用下已壓縮穩(wěn)定后，受緩慢荷載被剪破的情況或砂土受靜荷載被剪破的情況。CD試驗(yàn)在三軸儀中進(jìn)行，慢剪試驗(yàn)在直剪儀中進(jìn)行。

三、滲流危害及基礎(chǔ)土滲透系數(shù)的確定

1. 滲流的危害。水利工程中由于廣泛建造堤、壩、圍堰、水閘等擋水建筑物形成了水頭差，這些建筑物或其地基通常是透水的多孔介質(zhì)（土或風(fēng)化巖石），因此，滲流現(xiàn)象十分普遍。滲流不僅會(huì)造成水庫(kù)、渠道水量損失，還會(huì)使堤壩、圍堰土體飽和，降低壩體的有效應(yīng)力，從而降低抗剪強(qiáng)度，可能導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)；當(dāng)滲透坡降過(guò)大時(shí)，甚至使堤壩中的土體顆粒流失，發(fā)生滲透變形，從而使堤壩塌陷潰決。

2. 基礎(chǔ)土滲透系數(shù)的確定。滲透系數(shù)的大小是直接衡量土的透水性強(qiáng)弱的一個(gè)重要的力學(xué)性指標(biāo)。土的滲透性除了與水的動(dòng)力黏滯系數(shù)和溫度有關(guān)之外，還與土的種類(lèi)、孔隙比、顆粒級(jí)配、顆粒形狀等因素有關(guān)。確定滲透系數(shù)值的方法包括野外原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式或查表估計(jì)。一般認(rèn)為野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定滲透系數(shù)得到的結(jié)果比較可靠，當(dāng)然現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所要投入的人力和經(jīng)費(fèi)也較多。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)一般存在較大偏差，因此室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定值一般不能直接采用，只能作為野外原位試驗(yàn)的輔助資料。對(duì)于一些無(wú)條件進(jìn)行野外原位滲透試驗(yàn)的工程，在初步設(shè)計(jì)階段或可行性論證階段，可由驗(yàn)公式或查表來(lái)進(jìn)行估算。

表 1 土的滲透系數(shù)估算表

四、結(jié)語(yǔ)

總之，不同性質(zhì)土基的缺陷會(huì)給水利工程建筑物造成不同形式的破壞，而要控制地基沉陷、防止地基發(fā)生滲透變形，就必須準(zhǔn)確的把握土的抗剪強(qiáng)度、滲透性等物理性質(zhì)。

[1] 吳楚權(quán). 談小型水利工程地基處理[J].廣東科技. 2007，170(6):226-227

[2] 杜留記．土的抗剪強(qiáng)度及破壞準(zhǔn)則[J].工程論壇．2005,(11)：120