1、地下水对土的自重应力的影响 周载阳建设综合勘察研究设计院有限公司 目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论0 引言引言n 当土层位于地下水位以上时，土的重度取天然重度。当土层位于地下水位以下时，情况就会复杂起来，对此学术界有过热烈的讨论。有的学者认为土的自重应力是总应力，对于地下水位以下的土，式（1）中土的重度应当采用饱和重度；也有学者认为自重应力为
2、有效应力，应采用浮重度；还有学者认为可分为总自重应力和有效自重应力两部分，二者的关系是有效自重应力等于总自重应力减去孔隙水压力。目前国内外学术界公认的土的自重应力的定义是有效自重应力，对于地下水位以下土的自重应力计算方法是大家争论的焦点。n自然界中的土多以成层型式出现，含水层与相对隔水层互层组成多含水层系统。由于各层地下水的水头不同，在水压力差作用下相邻含水层会发生越流，从而在其间的相对隔水层中产生竖向渗流作用，根据土力学有效应力原理，有效应力是作用在土骨架上的应力，地下水对土骨架不仅有静水浮力的作用，还有渗透力作用，因此在计算土的自重应力时，不仅要考虑地下水的静水浮力，还应考虑地下水的渗透力
3、而这一问题长期以来一直被忽略了。目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论1 根据浮力原理计算土体的自重应力根据浮力原理计算土体的自重应力n自然条件下，土层和地下水往往都是分层存在的。稳定渗流条件下，在含水层中，孔隙水压力即压力水头呈静水压力分布，在两个含水层之间的弱透水层即相对隔水层中，孔隙水压力由其上下两个含水层的压力水头决定。根据达西定律及水流连续原理，均质土层中孔隙水压力分布为线性。典型的孔隙水压力分布见图2。图2典型的孔隙水压力分布示意图n以上的分析过程中，并没有直接提到渗透力，因
4、为分析时将饱和微单元土体作为隔离体，其中的土颗粒和孔隙水作为整体来考虑，这样土颗粒所受的渗透力作为土颗粒与孔隙水之间的内力，在分析时没有显现，但正是由于渗透力、浮力、重力等的共同的作用，才导致土中孔隙水压力水头分布呈现各种不同的型式。也就是说考虑了孔隙水压力水头分布按照式（7）计算的有效重度，已经包含了渗透力的作用。n本文所说的浮力是广义的浮力概念，也可以说是包含了地下水静水浮力和渗透力综合作用的“动水”浮力。n由此可得到这样的结论：成层土的自重应力计算公式仍可采用式（1），但其中土的重度取值对于非浸没于地下水中的土取天然重度，对于浸没于地下水中的土，其有效重度按式（8）或式（9）计算。目 录
5、n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论2 根据有效应力原理计算土体的自重应力根据有效应力原理计算土体的自重应力 图3 典型地层及孔隙水压力分布目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论3 不同情况下土的有效重度分析不同情况下土的有效重度分析n需要特别说明的是对于绝对不透水土层和层间无压水含水层中地下水位以上的土层，其孔隙水压力为0，土中的自重应力为其上部土层的水土自重之和，采用式（10）计算较为
6、方便。当绝对隔水层作为承压含水层的隔水顶板时，承压含水层的自重应力计算应采用式（10）。目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论4 算例算例 图图4n孔隙水压力水头分布在a、b、c三种情况下，传统的自重应力计算结果与按照本文理论计算结果对比见表3。自重应力分布曲线对比见图5。传统方法计算的土的自重应力分布曲线与本文方法计算结果对比（图5）n在图4a所示情况下，在相对隔水层中，土颗粒所受的浮力为负浮力，浮力方向向下，渗流方向为由上向下，按本文方法计算的相对隔水层及其下的承压含水层中自重应力要大
7、于传统方法的计算结果；n在图4b所示情况下，在相对隔水层中，土颗粒所受的浮力为欠浮力，浮力方向向上，渗流方向为由上向下，按本文方法计算的相对隔水层及其下的承压含水层中自重应力要大于传统方法的计算结果；n在图4c所示情况下，在相对隔水层中，土颗粒所受的浮力为超浮力，浮力方向向上，渗流方向为由下向上，按本文方法计算的相对隔水层及其下的承压含水层中自重应力要小于传统方法的计算结果。目 录n0.引言n1.根据浮力原理计算土体的自重应力n2.根据有效应力原理计算土体的自重应力n3.不同情况下土的有效重度分析n4.算例n5.结论5 结论结论n在多含水层地层中，土的自重应力受渗流影响很大。受含水层与隔水层的
8、分布及各含水层中压力水头的控制，地层中的孔隙水压力有多种分布型式，由此造成土的自重应力分布亦呈现多种情况。5 结论结论n1）成层土的自重应力计算公式可采用式（1）或式（10），采用式（1）时，其中土的重度对于非浸没于地下水中的土取天然重度，对于浸没于地下水中的土取按式（8）或式（9）计算的有效重度。n2）在相对隔水层中，土颗粒受到的浮力大小及方向受其相邻含水层中地下水压力水头的影响，可能出现负浮力、零浮力、欠浮力、静水浮力和超浮力等多种型式；在含水层中浸没于地下水中的土颗粒受到的浮力为静水浮力。5 结论结论n3）绝对不透水和位于地下水位以上（包括层间无压水含水层中水位以上）的土层，土中的孔隙水
9、压力为0，土颗粒不受浮力作用。绝对不透水层顶部的自重应力为其上部土层自重应力和孔隙水压力的和，采用式（1）计算时，对于地下水位以上的土取天然重度，对于地下水位以下的饱和土取饱和重度。当绝对不透水层作为承压含水层的隔水顶板时，承压含水层的自重应力计算应采用式（10）。5 结论结论n4）在多含水层地层中，相对隔水层中的渗透力对土的自重应力影响极大，不可忽略，而且这一影响会依次向下部的土体中传递。渗透力的大小和方向受其相邻含水层中地下水总水头即测压管水头的影响，可能出现向下或向上的渗透力，在相邻含水层中地下水总水头相同的情况下，渗透力为0。5 结论结论n5）正是由于地下水竖直方向的渗流影响，造成了长期以来对土的自重应力的低估或高估，以及对土的应力历史的误判。因此对土力学以及岩土工程中的许多问题比如土压力计算、地下水的浮力计算等等，需要重新审视。谢谢大家！
