地下水位變化引起地基破壞的模擬實驗裝置

李大勇，張雨坤，馮 磊，鄭則旺

（山東科技大學 土木建筑學院，山東省防災減災重點實驗室，山東 青島 266590）

土是由孔隙水、空氣和土顆粒組成的三相體，飽和土是只含孔隙水和土顆粒的二相土。有效應力原理在土力學性質中起到決定性作用，主導著土的壓縮性、抗剪強度和土壓力［1－3］。土的有效應力不能直接量測，總應力和孔隙水壓力可以直接量測，初學者對這些概念往往感到比較抽象。對于飽和土，其有效應力為總應力與孔隙水壓力之差。水位變化，引起有效應力增加或減小，從而導致地基土產生沉降或破壞，即地基承載力降低至完全喪失。由地基承載力失效而導致的工程事故時有發生［4－5］，其破壞過程一般難以記錄，不能滿足課堂教學中的直觀性要求［6－7］。為了能直觀再現建筑物地基破壞過程，特研發了地基基礎承載力破壞模擬實驗裝置，且已獲得了國家發明專利授權［8］。該裝置能方便地演示：地下水位上升導致建筑物發生傾斜、傾倒破壞等的連續發展過程；能比較相同情況下樁基礎抵抗地下水位變化的效果；使學生利用滲流和有效應力原理定量分析地基破壞的原因。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置組成

（1）主桶。主桶（見圖1）是一個設有進出水口（直徑20mm）、封底的、透明有機玻璃圓柱體（直徑300 mm，高500mm，壁厚10mm），側面設有水位量測管。

圖1 主桶、儲水桶及附件

（2）儲水桶。儲水桶是直徑120mm、高200mm有機玻璃封底圓柱體，底部側面有進出水口（直徑20 mm），放在支架平臺上（見圖2），通過調整支架位置（幅度為1 500mm），容器可高于或低于主桶底部。

圖2 高度可調的支架

（3）淺基礎和樁基礎房屋模型。房屋模型有2個有機玻璃制成的封底空心方柱體（見圖3），長40mm、寬40mm、高250mm，可填充細砂或鐵屑。通過改變建筑物模型配重，可大致模擬層數不同的多層建筑或高層建筑。樁基礎模型采用4根模型樁作為支撐。承臺為長50mm、寬50mm、厚5mm。模型樁直徑4mm、高60mm。皆為有機玻璃材質。

1.2 實驗用砂

為了快速、直觀演示地下水位變化對建筑物模型的影響，選用滲透系數較大的中粗砂作為地基材料［9－11］。中粗砂取自青島膠南風河入海口天然河砂，其粒徑級配曲線見圖4，砂土不均勻系數為4.25，滲透系數為0.002cm／s，重度為19.2kN／m3。中粗砂裝入主桶內高度為350mm，砂越厚，實驗效果越好，但需要的水量也越大。

2 實驗原理

飽和土的有效應力原理可以用下式表示：

圖3 淺基礎及樁基礎房屋模型

圖4 實驗用砂的粒徑級配曲線

式中：σ′為有效應力；σ為總應力；u為孔隙水壓力。

建筑物建成后，穩定地下水位以下土體中任一點的總應力是不變的，孔隙水壓力為靜水壓力，此時地下水不受附加應力影響；而受滲流作用時，地下水位會發生變化，此時的有效應力必須計入滲流力。

2.1 地下水位穩定情況的有效應力表達

無滲流發生時，地下水位以下的飽和土的有效應力為

式中：γsat為土飽和重度；γw為水重度；z為土中任一點至土體表面的垂直高度；γ′為有效重度，γ′＝γsat－γw。

此時地基是安全的，按Mohr－Coulomb理論，地基土的應力點處于Mohr－Coulomb抗剪強度線下面，此點應力狀態Mohr圓與之相離。

2.2 滲流情況的有效應力表達

只要有滲流發生，滲流對土顆粒就會產生滲流力，其作用方向與滲流方向一致，考慮兩種情況：

（1）滲流方向向上。此時，地下水位升高（見圖5），任一點的孔隙水壓力上升，有效應力減小，導致地基基礎承載力降低，最終建筑物發生傾斜或倒塌。

圖5 水位上升實驗

土體中的水有滲流時，水將對土顆粒有滲流力［12－13］。當土中水自下而上滲流時，滲流力方向與土重力方向相反，土體有效應力減小，此時飽和土體中任一點的有效應力為

式中：γ′為土體的浮重度；z為該點至水面的垂直高度；j為該點滲流力，j＝i·γw，i為該點水力梯度，i＝為水在土體中滲流路徑的長度，Δh為經過滲流長度L后的水頭變化。

比較式（3）和式（2）可知，此時土中的有效應力減少了i·γw·z，抗剪強度會減低，直至地基完全破壞。

（2）滲流方向向下。此時，地下水位降低（見圖6），滲流力方向與土重力方向相同，土體有效應力增加，飽和土體的有效應力為

比較式（4）和式（2）可知，此時土中的有效應力增加了i·γw·z，抗剪強度會提高，地基土不會發生剪切破壞，但會進一步引起基礎沉降。

3 實驗方案及步驟

針對地下水位上升、下降都會對建筑物產生不良影響，設置了水位上升實驗和水位下降實驗。

3.1 水位上升實驗步驟

（1）安裝、連接主桶、儲水桶及相關附件。

圖6 水位下降實驗

（2）把儲水桶安放在支架平臺上，調整支架高度使儲水桶底部高于主桶頂面300mm；向儲水桶注水，打開閥門，使水由儲水桶流入主桶，當主桶內水位達到100mm時，關閉閥門，檢查各接頭的密水性。

（3）向主桶內撒入實驗用中粗砂，初次用砂可以是干砂或稍濕砂，砂層厚度為350mm；再打開進水閥門，控制砂中水位高度為150mm。

（4）待量測管水位高度穩定后，在砂表面放置淺基礎房屋模型，將柱基礎房屋模型樁插入砂中，承臺與砂面齊平，然后建筑物模型放置在模型樁承臺上。兩模型放置時要留有一定間距，以避免模型失穩時相互影響，同時也便于觀察對比。

（5）模型安裝完畢后靜置5min，待量測管水位穩定，打開注水閥門，觀察兩建筑物模型的穩定性變化以及量測管中的水位變化，并分別記錄兩建筑物模型出現傾斜時對應的水位高度，建筑物最終失穩倒塌時記錄失穩時所對應的水位高度。

（6）做完上述實驗之后，調整支架高度，使儲水容器底面分別高于主桶頂部500mm及1 000mm，并分別重置建筑物模型，然后重復上述實驗步驟，觀察建筑物的整體變化趨勢，并記錄相應水位高度。最終將3組實驗結果進行綜合比較。

3.2 水位下降實驗步驟

（1）首先安裝實驗設備并檢查其密水性，同時調整支架高度，使主桶底面高于儲水桶頂部1 000mm。

（2）使主桶內砂土飽和：向主桶內注水使其水位達到300mm，然后將實驗用砂均勻分層撒入主桶水中，砂層厚度為350mm，控制主桶內液面最終高于砂土表面50mm。待量測管水位穩定后，將樁基礎建筑物模型平穩埋入砂土中一定深度。靜置5min，然后測量建筑物模型頂端距砂土表面的高度。

（3）打開閥門，主桶中的水流入儲水容器，當主桶內液面高度降至200mm時，關閉閥門，靜置5min后觀察建筑物模型的整體變化情況，并測量此時建筑物模型頂端距砂土表面的高度。

當然這2個實驗無先后，可待任一方案做完后，略作調整，連貫起來做。

4 實驗結果分析

（1）水位上升時，土體中孔隙水壓力增加，有效應力降低，因而地基基礎的承載力降低，最終導致建筑物傾斜甚至失穩倒塌。從傾斜到倒塌過程與滲透有關。本實驗中，儲水桶高于主桶300mm時，淺基礎房屋最終狀態傾斜，樁基礎房屋沒明顯變化（見圖7（a））；儲水桶高于主桶500mm時淺基礎房屋時傾斜加重（見圖7（b））；儲水桶高于主桶1 000mm時，淺基礎房屋倒塌，而樁基礎房屋略有傾斜（見圖7（c））。可見，樁基礎比淺基礎具有較高的地基承載能力，能夠顯著抵抗地下水上升導致的建筑物地基破壞。

（2）地下水位下降時，建筑物發生下沉現象，如圖8所示。相比于實驗初始狀態，最終整體沉降約3mm。此次實驗由于房屋模型平面尺寸較小、質量較輕，并且砂土層厚度有限，因此不均勻沉降不明顯。

圖7 水位上升實驗

圖8 水位下降實驗

5 結論

（1）本實驗裝置直觀展示了地下水位升降導致的建筑物地基破壞以及沉降的過程，揭示了土力學教學中的重要原理，即有效應力原理和滲流原理。

（2）通過對同種情況下淺基礎建筑物和樁基建筑比較，揭示了樁基礎能更好地抵抗地下水位變化。

（3）本裝置可將復雜的工程問題，變成直觀的模型演示實驗，實驗操作簡單，價格低廉，整套裝置造價為500元，利于實驗室推廣應用，能夠產生較好的教學效果。

（References）

［1］李廣信.高等土力學［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］松岡元.土力學［M］.羅汀，姚仰平，譯.北京：中國水利水電出版社，2001.

［3］Braja M Das.Principles of Geotechnical Engineering［M］.Stamford：Cengage Learning，2010.

［4］陳希哲.地基事故與預防［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［5］曹衛平，陳云敏.臺華高速公路路堤失穩原因分析與對策［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（7）：1504－1510.

［6］李大勇，崔煜.國外土力學本科教學探討［J］.力學與實踐，2010，32（5）：99－101.

［7］李廣信，呂禾，張建紅.土力學課程中的實踐教學［J］.實驗技術與管理，2006，23（12）：13－14：23.

［8］李大勇.地基基礎承載力破壞模型試驗裝置：中國，ZL 2009 20239916.7［P］.2010－07－21.

［9］張聰.地下水位變化對砂土地基承載特性影響試驗研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2011.

［10］余湘娟，姜樸，魏松.砂土的穩態強度試驗研究［J］.河海大學學報，2001，29（1）：50－54.

［11］吳哲濱，于剛.地基承載力的試驗研究［J］.工程地質學報，2001，9（3）：277－281.

［12］李小勇.一維向上滲流作用下多層地基有效應力性狀研究［J］.巖土力學，2003，24（6）：1060－1064.

［13］何世秀，胡其志，莊心善.滲流對基坑周邊沉降的影響［J］.巖石力學與工程學報，2003，22（9）：1551－1554.