地下水位变化对建筑物地基沉降影响的数值模拟
地下水位变化对建筑物地基沉降影响的数值模拟
周宏益, 孟莉敏, 彭雄武
(教育部喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室(贵州大学) , 贵阳 550003)
摘要:地下水是宝贵的自然资源, 同时给地下工程带来的负面影响不容忽视。特别是针对建筑物地
基而言, 地下水位的上升和下降可直接导致建筑物的变形或进一步的严重破坏。因此, 紧紧结合工
程实践, 利用GE O 2S LOPE 岩土计算软件进行地基沉降计算模拟, 可以大致量化地基在不同水位情况下的沉降变化。
关键词:地下水; 地基沉降; 数值模拟中图分类号:T U433; T U46+3文献标识码:A Abstract :G roundwater is the extraordinarily precious res ources , but its negative in fluences to underground engineering should not be ignored. The changes of groundwater level w ould result in the deformation and break of buildings. Therefore , ass ociated with engineering practices , the numerical simulation for the foundation settlement is performed by using the s oftware GE O 2S LOPE , and it could estimate the of settlement in the conditions of different groundwater levels.
K ey w ords :groundwater ; foundation settlement ; numerical 0 前言
压水等。其中, 。容忽视, [1]
工程界最普遍关心的问题之一。
由于地层和地下水赋存条件的复杂性和多样性, 在考虑地下水渗流影响以及多种不同工况作用下, 借助计算机有限元分析能够快速、准确、直观的对建筑物地基沉降进行全面的估算, 为地基稳定及进一步采取加固措施提供科学的参考依据。本文采用GE O 2S LOPE International Ltd. 出品的土工商用软件GE O 2S LOPE 对冷竹关水电站GIS 楼进行水位、地震、风向等多因素变化时的基底沉降分析, 得出基底各点的沉降量与不同水位作用下的大致关系。1 地下水位变化对建筑物地基的危害
。如果地基土质不均匀或地下水位不
, 基础就会产生不均匀沉降, 导致建筑物变形或倾斜, 更严重的甚至导致结构物开裂以及最终破坏。设有地下室和地下结构物的地基内, 由于地下水的上升,
[2]
对结构物防潮、防湿、稳定均可产生不利影响。2 工程概况
由于地下水位突然上升或下降而造成的建筑物
浅基础产生不均匀沉降的实例屡见不鲜。当地下水位在建筑物基础底面以上变化时, 除了稍许增加基础自重外对结构物影响不大; 但如果地下水位在基础底面以下变化时, 结果是非常严重的:地下水位的上升浸湿和软化地基土, 造成地基承载力降低, 压缩性增大:若地下水位在基础底面以下下降时, 地基土的有效应力增加, 产生固结沉降, 基础就会
2006年第12期
四川华能瓦斯河二期工程冷竹关电站厂区GIS
楼位于冷竹关村冷竹关沟口左侧, 老川藏公路旁, 平面面积为3316m ×11m , 建基面高程为 137715m 。地貌单元为大渡河I 级阶地冲积堆积的漂卵砾石夹砂, 其上为厚15~20m 的泥(水) 石流堆积物, 表层有1~4m 的人工回填孤块碎石, 成分为斜长花岗岩, 场地地形平坦、开阔。
GIS 楼处于大渡河右岸, 地下水资源丰富, 因厂区地基土总体上渗透性良好, 地下水水位受大渡河水位和季节控制。根据地形和附近水系发育情况, 覆盖层中的潜水面平面上呈扇形, 空间上呈近似锥形, 锥顶位于冷竹沟沟口。并且据调查, 场区所处的黄草坪~冷竹关村1952~1991年多年平均降雨量为81517mm , 降雨较为集中(6~7月) , 建筑
收稿日期:2006205216; 修订日期:2006208215
作者简介:周宏益(1981-) , 男(汉族) , 海南陵水人, 硕
士研究生.
工程勘察 J ournal of Geotechnical Investigation &Surveying 47
物地基土受地下水的影响十分显著。
GIS 楼后边坡(高程138415~2143m ) 地下水类型为第四系孔隙水和基岩裂隙水。黄草坪古河道堆积物河湖相的昔格达组粉砂层、黏土层透水性弱, 具相对隔水作用, 其顶板高程为1700~1830m , 故在其顶板出露部位常有泉水出露。3 计算模型的建立
位移约束; 由于大渡河浸漫位置受水压力作用, GIS
楼基底受上部荷载作用, 故在以上各节点处应施加相应大小的集中力作为边界约束条件。为了使分析结果具有较明显的规律性, 对材料参数加以简单的假设, 具体见表2。表2中的序号对应于图1中的土层编号。
计算工况条件
工况序号
12345
表1
工况条件
无地震和风
地震及风向大渡河方向地震向大渡河及风向后山地震向后山及风向大渡河地震向后山及风向后山
利用SIG M AW 模块依次按以下步骤建立计算模型:网格剖分—输入材料参数—定义边界约束条件。计算时, 通过改变模型的边界条件来反映地下水的升降情况。在本算例中, 大渡河枯期水位(正常运行, 11月~4月) 从1379116m 降到1378150m , 持续时间615天; 汛期水位:(非正常运行, 5月~10
月) 从1380178m 降到137510m , 持续时间615天。考虑地震和风力作用的边界条件计算采用QUAKE/W 模块, 表1列出了最不利条件下的5种工况组合。水位每降一次就用S LOPE 计算出基底的沉降值, 每次它们之间的差值就是水位变化引起的基底实际沉降量。图1中不同的土层由不同的颜色加以区分, 模拟区左右两侧及GIS 平向位移约束; )
计算所需力学参数
序号
重度地基土名称
m ) [**************]5
表2
渗透系数
k
变形模量泊松比内摩阻(kN Π
μE () 角
[***********]8000000
[***********]12
[1**********]2
(10-3cm Πs )
[***********]10630
1堆积孤块碎石洞碴17122367
() (碎花岗岩(基岩)
挡土墙
ΠΠΠ
图1 GIS 楼横轴线截面计算有限元网格
4 地下水位变化对地基稳定的影响规律
在场区地下水的影响因素较多、地下水位较高且具体情况不是十分明确的情况下, 对边界条件进行了以下一些假设:假设在计算模拟区的右侧存在一个稳定的水位其高程为 1378m , 假设挡土墙上
48工程勘察 J ournal of Geotechnical Investigation &Surveying
有许多排水孔, 并且挡土墙采用的材料透水性较
好。
根据枯、汛两期的地下水位升降值, 由表3算出工况1时水位由1379116m 降到1378150m 以及从1380178m 降到137510m 所对应的基底沉降量ΔY 1和ΔY 2, 其他各工况按类似于工况1方法计算。图3~
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图7分别反映了不同工况条件下的基底沉降量与水
节点编号
[***********]753
平方向距离的关系, 可以看出:
表3
水位1375m 时的基底沉降(cm )
-015238-015358-014913-014431-013980-013491-012712
工况1时的基底沉降量计算表
距离
(m ) [***********][1**********]
水位1379
116m 时的水位
137815m 时的基底沉降(cm ) 基底沉降(cm )
-015489-015602-015109-014580-014095-013599-012829
-015340-015459-015043-014522-014050-013553-012805
Δ
Y 1
(cm ) -010149-010144-010066-010058-010045-010045-010024
水位13801
78m 时的
基底沉降(cm )
-015542-015613-015171-014650-014146-013656-012920
ΔY 2
(cm ) -010304-010255-010258-010218-010166-010164-010208
图2 GIS 楼基底节点编号及约束形式
5 工况3时的地基沉降关系曲线
(地震向大渡河及风向后山)
图3 工况1时的地基沉降关系曲线(无地震和风)
图6 工况4时的地基沉降关系曲线
(地震向后山及风向大渡河)
图4 工况2时的地基沉降关系曲线
(地震及风向大渡河方向)
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(1) 由于枯水期地下水位变化幅度较小仅为
0166m , 浸润线基本上变化不大, 基底处浸润线升降大致在第1层堆积孤块碎石洞碴范围内, 沉降主要集中在GIS 楼左侧墙体处, 最大沉降量约为2cm 。 (2) 汛期地下水位变化幅度为5178m , 基底浸润线升降大致在第1至第2土层范围内, 产生的最大不均匀沉降主要发生在左侧墙体处, 最大沉降量为3cm 。
(3) 枯、汛两期各种工况下出现的沉降量均表明建筑物有朝大渡河方向倾斜的趋势, 一是由于
工程勘察 J ournal of Geotechnical Investigation &Surveying 49
5 结束语
图7 工况5时的地基沉降关系曲线
(地震向后山及风向后山)
各土层对地下水的敏感程度存在差异性, 如土层参数表明第1层土对水的敏感度要大于第2层土(E 1>E 2, k 2) , 所以在枯水期即使是很小的水位变化也有可能达到最大2cm 的沉降量; 二是由于工况地震力和风力方向不同组合的影响。
(4) 工况5时的地基沉降关系曲线表明, 由于地震力及风向后山的共同作用, 对挡墙产生一个抗滑力, 阻止其向大渡河方向滑移, (上接第23页)
参
考
文
献
[M].北
地下水位对地基沉降的主要影响因素有:土的性质(对水的敏感度、孔隙比、渗透率等) , 厚度, 工况条件和时间的变化等。需要特别说明的是, 同等条件下黏性土对水的敏感度要高于无黏性土, 且发生渗流破坏的形式不一, 黏性土由于颗粒间胶结
[3]
力的下降会使地基产生更大的变形, 文章有待对此进一步的扩展。
利用数值模拟手段来仿真地下水位升降对建筑物地基沉降的影响可以节约大量资金且模拟结果与实际观测值差别不大。但数值模拟也存在一些局限性, 如模型的边界条件始终处于理想状态, 岩土材料被视为均质体等等。这就要求一是要充分了解计算软件的特点及应用范围, 二是要对计算结果大致进行估值, 。
参
献
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下期预告
我刊2007年第1期将推出“岩土工程地方标准”的专题, 专题文章为:论岩土工程地方规范
(高大钊) 、《河北省建筑地基承载力技术规程》编制情况介绍(梁金国等) 、重庆市岩土工程标准的编制(方玉树等) 、正确认识和执行岩土工程地方技术标准(钱午等) 。欢迎广大读者参阅并提宝贵意见!
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2006年第12期