地基土中孔隙水壓力的現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗與模擬

1、104建筑技術(shù)Architecture Technology增刊2000地基土中孔隙水壓力的現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗與模擬魏海燕孫保衛(wèi)徐宏聲摘要現(xiàn)場測試結(jié)果證實,地基土中孔隙水壓力場的分布規(guī)律與傳統(tǒng)上應(yīng)用靜水力學(xué)套式計算的結(jié)果有顯著不同(特剮是在相對弱透水土層中.地下水位變化后,相應(yīng)的孔隙水壓力變化規(guī)律更加復(fù)雜。本文蛄舍室內(nèi)模型試驗蛄果,建立有限單元法計算模型,實現(xiàn)了對水位變化時孔隙水壓力分布的成功預(yù)測,對建筑地基基礎(chǔ)抗浮水壓力和沉降計算等有重要意義。1問題的提出孔晾水壓力在土力學(xué)和巖土工程中的重要性已經(jīng)逐漸為多數(shù)專家和工程師們所認(rèn)知,并開始對實際工程場地地基土中的孔晾永壓力分布和變化規(guī)律進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)

2、測。根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理,飽和土層中的總應(yīng)力d與土層的有效應(yīng)力一和孔隙水壓力U之和相平衡.即:d=d+U,由于土體的工程性狀實際上是由其內(nèi)部的有效應(yīng)力控制的,在實際的試驗和設(shè)計中,總應(yīng)力和孔暾水壓力都可直接量測或計算,但有效應(yīng)力卻無法直接獲取,必須通過與總應(yīng)力和孔隙水壓力的上述關(guān)系計算得到。在一定的地層條件下,總應(yīng)力的大小是不變的,而孔隙水壓力值將隨地下水水位動態(tài)變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。如圖1所示地層結(jié)構(gòu)中的承壓水水位變化時的各壓力分布情況,有效應(yīng)。承壓水位。R力羔壓枇辮琢貅墟-、Y層【二互,;一二I仃注:實墁為熏壓承位為-時的情況:蚺為熏壓水位為b時的情掘.圍1承壓水位變化時土中應(yīng)力分布狀態(tài)

3、力等于總應(yīng)力和孔隙水壓力之差,當(dāng)承壓水靜止水位由a降至b時,直接導(dǎo)致土層中孔隙水壓力值的減小,總應(yīng)力不變,有效應(yīng)力相應(yīng)增加(增加量為孔隙水壓力值的減小部分。因而,合理確定不同水位高度下土層中的孔隙水壓力分布狀況,對基礎(chǔ)工程和巖土工程有著重要的實用價值。但是,目前傳統(tǒng)上計算孔隙永壓力仍根據(jù)水力學(xué)的靜水力學(xué)公式(u=hh,h一水的比重,h一水位高度進(jìn)行,實踐證明,該計算方法存在如下同題:1對于如北京市區(qū)淺層存在多層地下水的情況,水壓力的計算均是自第1層水的自由水面算起,而忽視了實際地層中地下水的賦存狀態(tài)和產(chǎn)生的孔隙水壓力場的實際情況;2地下水位變化時,孔隙水壓力計算仍采用該公式計算,其結(jié)果為,地下

4、水位升高或降低多少,相應(yīng)的孔隙水壓力值增加或減少多少,常造成基礎(chǔ)工程中如地基沉降、基底抗浮水壓力、地下室外墻水壓力等計算結(jié)果與實際情況差異較大,而無從解釋和修正的現(xiàn)象,因而,進(jìn)行孔隙水壓力的測試和研究極為重要。2孔隙水壓力的現(xiàn)場測試現(xiàn)場測試方法較多,本次采用孔隙水壓力計進(jìn)行測試,即在地基土層的不同深度處埋設(shè)一定量的孔隙水壓力計,并定時監(jiān)測水壓力的變化情況。近兩年,通過對多項工程孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn):自然狀態(tài)下不同巖土類型組合的地基土中,孔隙水壓力分布并非沿垂向上線性增加的規(guī)律,特別是對于北京市區(qū)淺層存在多個含水層的情況,如某工程場區(qū)(地層組臺如圖1所示基礎(chǔ)影響范圍內(nèi)賦存2層地下水,含水

5、層分別為粉土層和砂卵石層,兩個含水層之間的層為透水性差(或相對隔水的粘性土層,按土力學(xué)中傳統(tǒng)的水壓力計算方法(靜水力學(xué)公式,得到的垂向上水壓力的分布為線性,即自第1層水水面開始計算的深度每增加1m,水壓力相應(yīng)增加10kPa,實際水壓力垂向分布為圖2所示的情況,特別囊海燕北京市勘寨設(shè)計研究慌北京市海淀區(qū)蘋坊店路15號11口083建筑技術(shù)塑型!竺皇苧!t竺!蘭!苧竺!嬰:!竺:是在弱透水土層中有一定的折減,粉土中的折減率為30%左右。口昌導(dǎo)2昌暑萎瑩墨量量求壓力(kPa圖2水壓力實測值與靜水壓力值對比圈如圖2的實測與理論計算結(jié)果對比反映:1在同一土層中的水壓力基本符合按照靜水力學(xué)公式計算的線性分布

6、,但不同土層中水壓力分布線的斜率(或水力坡度存在顯著差異,與土層的滲透性有關(guān),滲透性強(qiáng)的土層(如砂卵石層中水壓力分布的線性接近靜水力學(xué)公式的計算結(jié)果,而透水性差(如粉土的土層中的水壓力值的大小相對而言有一定的折減,滲透性越差(如粘性土,折減率越大直至孔噱水壓力為零或負(fù)值(土層為隔水層;2土層中垂向上的孔隙水壓力分布有一定連續(xù)性,由于每層水都有不同的自由水面,土層中的孔醵水壓力值為從該土層中所賦存的那層水的自由水面開始計算,如圖l中的含水層中的水壓力應(yīng)考慮第1層水水面,含水層中的水壓力按第2層水水面計算,在兩層水之問的土層則考慮這兩層水的共同作用,當(dāng)下層水不承壓時,該層水對上覆土層的水壓力無影響

7、。為驗證上述現(xiàn)場測試結(jié)果,進(jìn)行了孔隙水壓力分布的室內(nèi)試驗?zāi)M。3孔隙水壓力的室內(nèi)試驗為研究水位動態(tài)變化時土層中孔噱水壓力分布的變化規(guī)律,特研制了相應(yīng)的室內(nèi)試驗裝置。土層結(jié)構(gòu)為:上下2個含水層均為透水性強(qiáng)的砂卵石層,中間的弱透水土層選用粉土,在粉土中的不同深度預(yù)埋了3個孔隙水壓力計,重點(diǎn)研究該土層內(nèi)水壓力變化規(guī)律。圖3為不同水位高度下的孔隙水壓力一位置深度的關(guān)系圖,可以非常直觀地看出:同一水位高度下,土層內(nèi)垂向上的孔噱水壓力為線性分布,但與靜水力學(xué)計算值有顯著差異,試驗值隨土體內(nèi)深度的變化幅度顯然低于相應(yīng)的計算值,甚至在本試驗土體內(nèi)出現(xiàn)孔噱水壓力隨深度遞減的規(guī)律(理論計算結(jié)果只能是遞增的情況,這

8、一結(jié)果與現(xiàn)場測試得到的結(jié)論一致。水位高度變化時,各量測點(diǎn)的孔晾水壓力值隨水位的升高或降低相應(yīng)增大或減小,垂向上水壓力分布線的斜率也相應(yīng)增或減(即變化線并不是平行關(guān)系。圖4為該試驗的孔隙水壓力一水位高度關(guān)系圖,更明顯地反應(yīng)了水位動態(tài)對土層內(nèi)的水壓力變化的影響.即水位越高,土層內(nèi)埋深小的位置(如3#孔壓計的孔噱水壓力值升幅大,反之(如l#孔壓計的位置則變幅小,直至零變幅,即水位變化對土層內(nèi)近距離點(diǎn)的影響程度大,遠(yuǎn)距離點(diǎn)影響程度小甚至沒有影響,而理論計算結(jié)果是無論水位怎樣變化,各點(diǎn)的變化幅度相同,顯然,兩者的差異較大。50100童150囂200蠟250蛆3003oo450o5承器力皆2025蜜并值(

9、水位1-168a-實鬻值(水位1.7拍-實一值(水位2.178-曩論僵(水位1.1ssa理論位(水位1.72B-一理論懂t水位2.17B-田3室內(nèi)試驗的孔障水壓力分布曲線0.81.31.82.3水位高虞圈4水壓力水位商度關(guān)系田試驗結(jié)果證實,水位變化時,不同土層中的孔隙水壓力的變化規(guī)律不同,不能簡單地按照靜水力學(xué)公式進(jìn)行計算.需進(jìn)行專門研究,以期能獲得較為準(zhǔn)確、o:0o加坨HM埔一占世姑嘲暈坫m5O。生一R齟*1106建筑技術(shù)Architecture Teeknology增刊2000合理的孔隙水壓力分布動態(tài)。4有限單元法的模擬計算目前,單純依靠試驗(現(xiàn)場和室內(nèi)來研究各種情況或體系的建筑場地孔隙水

10、壓力分布或變化規(guī)律是不現(xiàn)實,也是不可能的,為實現(xiàn)理論研究向定量化的發(fā)展,根據(jù)某種已有規(guī)律來概化復(fù)雜的場地條件,建立模型,進(jìn)行模擬計算或預(yù)測,已被廣泛證明是一種有效的方法。目前,地下水運(yùn)動的數(shù)值模擬中,有限元方法顯示出其優(yōu)越性。有限單元法(即Finite Ele. ment Method,縮寫為FEM的基本原理是通過把整個滲流剖刑分成若干單元,以內(nèi)插函數(shù)近似描述各單元的地下水流動定解問題,求解這一代數(shù)方程組,得到滲流區(qū)中各離散點(diǎn)的水頭值和孔隙水壓力值。首先,對現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行模擬計算。根據(jù)地下水的滲流理論和工程場區(qū)土層條件.將實際物理模型概化為剖面二維非均質(zhì)各向同性穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行矩形網(wǎng)格

11、剖分,以已知的地下水位作為模型的上下邊界,綜合工程場地地層分布和孔囔水壓力監(jiān)測結(jié)果,模擬出相應(yīng)的水壓力分布狀況。模擬計算應(yīng)用了SEEWW有限元軟件,對多個實際工程的孔隙水壓力動態(tài)進(jìn)行了模擬,計算結(jié)果與實測值對比表明(如圖2例舉的某工程的模擬計算結(jié)果見圖5:模擬計算結(jié)果非常接近現(xiàn)場實測孔隙水壓力分布規(guī)律,反映可以用有限單元法模擬孔隙水壓力分布規(guī)律。該方法常用于確定未來最不利條件下建筑地下室外墻承載力驗算所需的水壓力分布,并利用該結(jié)果作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠依據(jù)。如上述工程中,在模擬現(xiàn)狀水壓力分布狀況的基礎(chǔ)上,調(diào)整水位邊界(根據(jù)預(yù)測的這兩層水的未來最高水位作為預(yù)測模型的邊界條件進(jìn)行未來場區(qū)孔隙水壓力

12、分布的預(yù)測計算,結(jié)果如圖5所示。上述結(jié)果表明,由于地基土中的孔隙水壓力分布和變化規(guī)律并不完全符合按照靜水力學(xué)公式計算的結(jié)果,為給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更為可靠的依據(jù),可以根據(jù)某個時刻的現(xiàn)場測試結(jié)果.建立模型.利用有限單元法進(jìn)行不同水位條件下的水壓力模擬預(yù)測。實踐證明,該方法應(yīng)用于基礎(chǔ)工程中,可以緩解結(jié)構(gòu)設(shè)計難度、節(jié)約工程投資和施工工期等=2l一638鎣10葛1214161820020406080100120140160180200水壓力(kh圍5預(yù)測水壓力分布圍5結(jié)論孔隙水壓力分布及動態(tài)變化規(guī)律的確定對飽和土中有效應(yīng)力的計算、基底抗浮設(shè)計水位的確定、地下室外墻承載力的計算和防滲設(shè)計都有重要意義,可吼緩解結(jié)構(gòu)設(shè)計難度、節(jié)約工程投資和施工工期等。由于不同地區(qū)或建筑場區(qū)的地層分布差異較大,且建筑物類型、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)埋深等各不相同