建筑场地相对隔水层中地下水压力分布的若干规律

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明显减小的位置总是在 ! ! 层的顶板位置， 这种总水头的明显减小在地下水压力垂向分 布曲线上的表现是曲线上出现转折点 （分别 见图 ! 中的 " 、 。 #、 $）
上述规律。 以上验证说明了本文中总结出的规律是 正确、 可靠的。 & 结语 以上对垂向上渗透性有差异的地层组合 中的地下水压分布规律进行了初步分析总 结， 并运用实际工程等方法进行了验证， 这些 规律对我们判断地层中水压力的分布状态提 供了一定的参考， 具有一定的实用性。 为简化分析， 上述分析过程中进行了一些 假设， 忽略了一些因素的影响。众所周知， 影 响地下水压力分布的因素很多， 比如含水层及 相对隔水层的渗透系数、 侧向径流条件等都有 可能影响到地下水压力的分布状态， 实际工程 中的地下水压力分布状态可结合具体的地质 及水文地质条件进行深入具体的研究。
图" 常见的地层组合示意
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由 （%） 式可知， 当 "# ( "% & ## ( #% 时， 则 % $ 随 $ 的增大而增大。换句 "% $ ) "$ & "，
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话说， 也就是当 ! ! 层的上下层位中的水头 差大于 !! 层的厚度时， " # 随 # 的增大而增 则 大； 当 $ " # $ $ % %" # % $ 时， !" # &!# % ’， " # 随 # 的增大而减小。也就是当 !! 层的上 下层位中的水头差小于 !! 层的厚度时， "# 随 # 的增大而减小； 当 ! ! 层的上下层位中 的水头差等于 ! ! 层的厚度时， " # 在 !! 层中 随 # 的增大而保持定值 （ "# ( $" # %" ） 不变。 为分析地下水压力 " # 随 %" 和 %$ 的 $） 变化规律， 并相应得出 " # 随 !! 层的厚度 & （ & ( %" # %$ ） 的变化规律， 可分别求 " # 对 % " 和 % $ 的一阶偏导数来分析。 求 " # 对 %$ 的一阶偏导 ! 当 % " 不变时， 数， 得出： （ $" # $$ ） （ %" # # ） "" # （!） (# $ （ %" # %$ ） "%$ 由 （!） 式可知， 在 !! 层中， # 是 !! 层中 的某一标高点， 因此 % " 是 !! 层的顶板标高， 只要 $ " # $ $ ) 有 （ %" # # ） ) ’。由此可见， 也就是 ! ! 层之上的土层中水位标高大于 ’， 就有!" # &!# ! ! 之下的土层中水位标高时， 则 " # 随 % $ 的减小而增大。由于在 %" % ’， 不变时， % $ 的减小也就是 !! 层的厚度增大， 因此可得出在其它条件相同时， !! 层厚度越 大， 则相同位置某一标高点的地下水压力越 大。 求 " # 对 %" 的一阶偏导 " 当 % $ 不变时， 数， 得出： （ $" # $$ ） （ # # %$ ） "" # （*） (# $ （ %" # %$ ） "%" 同样由 （ *） 式可知， 在 !! 层中， # 是 !! 层中的某一标高点， %$ 是 !! 层的底板标高， 因此有 （ # # % $ ）) ’。由此可见， 只要 $ " # 也就是 ! ! 层之上的土层中水位标高 $ $ ) ’， 就有 大于 !! 之 下 的 土 层 中 水 位 标 高 时， 则 " # 随 %" 的增大而减小。由 ’， !" # &!# %万方数据
用的空间有限， 一些建筑物充分发展地下空 间， 使建筑物的基础埋深也不断增大， 北京地 区最 大 基 础 埋 深 达 O!C。在 基 础 埋 深 范 围 内， 经常出现多种渗透性不同的地层组合。
第一作者简介： 贺学海， 男， 工学硕士、 工程师， 主要 #& 岁， 万方数据 从事水文地质与工程地质方面的科研和工程咨询工作。
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研究的前提条件
在图 % 中， 为便于研究， 假设 $ 种渗透 #） 性不同的地层 （ !# 、 的渗透系数大小 !% 和 !$ ） 存在 !# & !% & !$ 的关系， !$ 就是相对隔水 层。在 !# 层和 !% 层中各有一层地下水， 水 位标高分别为 "# 和 "% ， !$ 层的顶底板标高 分别为 ## 和 #% ， $ 是 !$ 层中的某位置点。 根据地下水渗流的基本理论和建筑场 %） 地的地质及水文地质条件， 将研究的建筑场 地概化为一维、 非均质、 侧向无限的稳定流系 统。 忽略含水层中地下水垂向渗流时的水 $） 头损失等因素， 则影响 !$ 层中地下水压力 大小的因素主要是其顶底板位置和相邻地层 （ $ 点） 的 中水位的高低， !$ 层中某标高位置 地下水压力表达式可简化为： %$ ’ "# ( $ ( ## ( $ （ " ( "% ） （#） ## ( #% #
图!
某建筑场地不同位置地 下水压力监测结果
式中
— — !$ 层中 $ 点位置地下水压力 %$ — 大小； — — !$ 层的顶底板位置标高； ## 、 #% — — —与 !$ 层相邻的上下层中 "# 、 "% — 地下水水位。
下面是建筑场地基础埋深范围内常见的 （见图 %） ， 我 $ 种渗透性不同的地层组合形式 们对其中的地下水压力分布规律进行了研 究， 并总结出若干规律， 以供工程分析中使用 和参考。 #
于在 %$ 不变时， %" 的增大也就是 !! 层的 厚度增大， 因此可得出在这种条件下， !! 层 厚度越大， 则相同位置某一标高点的地下水 压力越小。 以上这些规律， 尤其是某建筑场地内地 层分布不均时， 判定各处的水压力分布状况 非常实用。 为分析地下水压力 " # 随 $" 和 $$ 的 !） 变化规律， 对 （"） 式求 " # 对 $" 和 $$ 的一阶 偏导数， 结果如下： %" # # "" # ( "# %" # %$ "$" %" # # "" # ( % $ " $ " # %$ （+） （,）
由 （+） 和 （,） 式可知， 在 !! 层中， 由于 %$ 因此 (!" # &!$" ) ( " # ( %" # # ) & # # # %" ， ( %" # %$ ) $ ’， (!" # &!$$ ) ( ( %" # # ) &
( %" # %$ ) $’， 由此可见， !! 层中某一标高
点的地下水压力 " # 随 $" 和 $$ 的增大而增 大； 同理可得出： 在 $" 不变时， !! 层中某一 标高点的地下水压力 " # 随 !! 层之上下土层 中的水位标高之差 （ $" # $$ ） 的增大而减小； 在 $$ 不变时， !! 层中某一标高点的地下水 压力 " # 随 !! 层之上下土层中的水位标高之 差 （ $" # $$ ） 的增大而增大。 地层组合类型变化时的地下水压力分 *） 布规律。对图 $ 中垂向上 ! 种渗透性不同的 ， 通过调整其在垂向上的 地层 （ !" 、 !$ 和 !! ） 相对分布位置， 共有 , 种组合类型， 根据地下 水的渗流理论， 利用 -./01234 有限元法专门 编制 了 “建 筑 场 地 地 下 水 压 力 分 析 计 算 程 序” ， 对其中的地下水压力的分布情况进行分 析， 从分析结果可知地下水压力曲线的分布 形态有 ! 种 （见图 !） ， 其形态的变化主要受 渗透性最小的地层 （ !! ） 控制。或者说无论 中部或下 !! 层位于这 ! 种地层组合的上部、 部位置， 地下水在垂向上各点的总水头出现
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前言 随着城市建设的不断发展， 地面上可利
由于地基土层中渗透系数在垂向上有所变 化， 垂向上水压力的分布不符合静水条件下 的直线分布规律， 因而基底抗浮验算、 地下室 外墙承载力验算等有关地下水压力的取值问 题， 不再仅仅是确定一个地下水位就可以解 决的问题。在基础埋深范围内可能明显存在 多层地下水， 且各含水层之间存在以粘性土 为主的相对隔水层， 这就使得确定垂向上水 压力的分布变得复杂起来， 需要考虑的因素
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建筑场地相对隔水层中地下水压力 分布的若干规律
贺学海 （北京市勘察设计研究院 龙陆军 （中国煤田地质总局一七三队 提要 河北 ・ 涿州 "%&%’"） 北京市 !"""#$）
地下水压力的大小在建筑物基础底板抗浮验算和地下室外墙承载力验算等工程计算中
都是一个很重要的参数。根据一些建筑场地地下水压力现场监测的结果， 并利用有限元模型进 行计算分析和验证， 总结出在一定的水文地质条件下， 相对隔水的粘性土层中地下水压力分析 的若干规律。由于类似的建筑场地很多， 上述规律对类似工程中判定地下水压力分布状况有一 定的指导作用， 这种分析结果具有一定的实用性。 关键词 建筑场地 地下水压力 现场监测 有限元 含水层 相对隔水层
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较多。 近几年我们在北京地区进行了 !" 多个 建筑场地的地下水压力现场监测和分析， 发 现地下水压力分布曲线在垂向上呈现出多种 形态 （图 #） ， 为找出控制曲线形态的主要因 素， 分析地下水压力分布规律， 通过大量的建 筑场地的地质及水文地质条件的对比分析， 结合相关的理论推导和有限元分析法， 总结 出一些地下水压力分布的规律。
地下水压力分布规律 如前所述， 当建筑场地分布有多层地下
水、 且各含水层之间存在以粘性土为主的相 对隔水层时， 地下水压力沿垂向并不是线性 分布的。 为分析地下水压力 % $ 在 !$ 层中随位 #） 置标高 $ 的变化规律， 对 （ #） 式求一阶偏导 数， 结果如下： "# ( "% !% $ ’ (# ## ( #% !$