模擬分層飽和土滲流固結的教學實驗裝置研制

梁發云， 鄧 航， 姚笑青， 陳少慶

(1. 同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092;2. 杭州奔流科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

模擬分層飽和土滲流固結的教學實驗裝置研制

梁發云1， 鄧 航1， 姚笑青1， 陳少慶2

(1. 同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092;2. 杭州奔流科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

為了讓學生能更好地理解和掌握滲流固結知識，自主設計了一種模擬飽和土滲流固結的“海綿-活塞”教學演示裝置。該裝置構造簡單，便于攜帶，可模擬具有不同彈性模量的分層飽和土體的土骨架和孔隙比，從而形象地模擬其單向固結過程。結合該實驗裝置進行教學演示有利于學生對飽和土固結理論的直觀體會和理解，有效地提升了課堂教學效果。

飽和土； 滲流固結； 海綿-活塞模型； 有效應力； 教學演示

土力學是土木工程專業重要的基礎理論課,其中涉及到許多抽象的基本概念,目前教學方式主要是采用黑板板書或者PPT多媒體方式進行理論講解,這對于剛剛接觸土力學知識的學生具有很大的挑戰和困難[1-3]。飽和土滲流固結問題是土力學中重要的基本概念,涉及到土體的有效應力、孔隙水壓力、土體沉降量隨時間變化等基本問題。為了讓學生能更好地理解和掌握滲流固結知識,在教學中常將該問題抽象為彈簧-活塞模型,建立數學模型來描述土體固結過程中有效應力與孔隙水壓力相互轉化的關系。但目前還沒有看到針對該問題進行課堂教學演示實驗的文獻報道,多年來的教學實踐表明,學生對該問題的理解不夠深入,對于滲流固結過程的認識也不夠清晰。基于這一現實情況,筆者研發了用于模擬飽和土滲流固結的模型演示裝置,形象地模擬飽和土的單向固結過程,幫助學生對有效應力原理和太沙基固結理論的理解和認識[4-5]。

1 實驗裝置

1.1 飽和土滲流固結

實際工程中,受大面積均布荷載的飽和土在無側限狀態下而發生滲流固結,為便于裝置設計以及更直觀地觀察研究飽和土固結滲流過程,在本文裝置設計中假定飽和土處于側限狀態,滲流固結和土體的變形只沿豎向發生[6-7]。

根據上述假設與簡化,建立的飽和土滲流固結過程模型見圖1,其中彈簧可以等效為土骨架。在附加應力作用下,可采用式(1)的數學模型來描述飽和土固結過程,以及固結過程中土體的有效應力與孔隙水壓力相互轉化關系。

圖1 飽和土滲流固結過程模型

(1)

可將土體滲流固結過程分為如下3部分：

(2) 滲流固結過程中(0

(3) 固結完成(t=),此時荷載全部由彈簧(土骨架)承受,水不受附加力,彈簧變形穩定,有效應力等于附加應力

1.2 工作原理

圖1的彈簧-活塞模型描述了飽和土的單向固結模型,但在實際模型中,由于彈簧在受壓過程中不易保持同步變形,加載板可能會傾斜或失穩。經過反復試驗,在裝置研制中采用海綿代替彈簧來模擬土骨架。海綿不但具有剛度可替代彈簧的作用,還可吸水排水,更適合于模擬土體。

設置不同剛度的海綿模擬分層土的壓縮特性,每層海綿可設置不同的勁度系數,用來模擬分層土體的單向固結情況,活塞上的小孔模擬土體孔隙中的排水條件,容器的側壁和底部均不透水,在容器側壁上設置測壓管測量超孔隙水壓力,觀察孔隙水壓力隨時間的變化情況。本模型裝置可通過改變模型的加載條件、排水條件、各層海綿勁度系數來模擬不同土體的滲流固結問題。

實驗裝置的設計原理如圖2所示,飽和土的滲流固結就是孔隙水逐漸向外排出、孔隙體積縮小、土體逐漸被壓密的過程。飽和土滲流固結的海綿-活塞模型是一個側壁和底部均不能透水。模型在加壓過程中,附加荷載由海綿與水共同承擔,海綿受壓將水排出,直觀地模擬飽和土滲流固結過程。

圖2 滲流固結海綿-活塞模型的基本原理

在該力學模型中,每一層中海綿均承受一定的骨架壓力,而容器中的水則承受孔隙水壓力。假定活塞與容器側壁之間的摩擦忽略不計,當模型受到外界壓強p時,這相當于土體中的附加應力。在施加荷載的瞬間,由于容器中的水還來不及向外排出,而水被認為是不可壓縮的,因而各分層的海綿是沒有壓縮的,而附加應力全部由水來承擔。經過一段時間t后,由于活塞上存在排水小孔,容器中的水受水頭壓力作用由下而上逐漸從頂層活塞的排水孔向外排出,導致活塞下降,海綿受壓所提供的反力平衡了部分荷載,水分擔的荷載相應減少。水在超靜孔隙水壓力作用下繼續滲流,各分層的孔隙水壓力繼續減小,海綿繼續下降,直至水中的超孔隙水壓力全部消散,水不再向外排出,海綿壓縮穩定,附加應力全部由海綿承擔,此時固結完成。

1.3 裝置設計

本實驗裝置主要目的是模擬分層飽和土的滲流固結,海綿-活塞裝置設置在盛水容器內部,用來模擬分層土體,量測裝置設置在盛水容器側壁上用來測量靜水壓力[11-12]。

圖3是裝置的主視結構示意圖,盛水容器裝滿水,模擬土體中的孔隙,圓筒形海綿用來模擬土骨架,容器底部不透水,側壁采用剛度較大的鋼化玻璃制成,便于學生在課堂演示教學中直接觀察實驗現象；加載裝置為將加載砝碼放置在頂層帶孔活塞板上,對海綿-活塞裝置施加荷載,使附加荷載施加較為均勻,加載砝碼選取500 g的不銹鋼砝碼；測量裝置由3根測壓管組成,測壓管固定在盛水容器外壁,測量點分別設置在每層海綿-活塞裝置的中間高度,用于量測模型裝置在加載狀態下產生的超靜孔隙水壓力。

圖3 實驗裝置正視圖

加工方案見圖4。整個裝置采用圓筒形狀,圓筒和活塞的材料采用透明有機玻璃來制作以便于學生課堂觀察實驗現象,圓筒的側壁和底部要密封保證不透水。圓筒的尺寸：外直徑為19 cm,厚度為5 mm,圓筒高為24 cm。活塞蓋板上鉆有小孔,孔徑為2 mm,荷載采用多個砝碼分級加載。在圓筒側壁距頂面高分別為11、16、21 cm的位置設置測壓管以量測超孔隙水壓力。

2 裝置測試

2.1 TJ-1型固結演示儀

圖5 為海綿-活塞模型演示裝置的實物圖,并將該裝置定名為TJ-1型固結演示儀。通過飽和土的滲透固結實驗,對該裝置進行系統測試。

圖4 海綿-活塞模型演示裝置加工圖

圖5 TJ-1型固結演示儀實物圖

2.2 實驗過程

(1) 將海綿與帶孔活塞按照設計要求放入盛水容器內,向容器內倒水直至水位超過最上層海綿頂部,使海綿達到飽和狀態以模擬分層飽和土。

(2) 將頂層帶孔活塞放置在最上層海綿上,將砝碼放置在頂層活塞上,此過程中加載情況不變。

(3) 從加載的瞬間開始觀察,并記錄隨時間t的增加海綿被壓縮情況以及測壓管的水位,直至海綿不再產生壓縮,測壓管水位不再變化,停止實驗。

2.3 實驗結果

通過實驗觀察,在砝碼加載的瞬間,測壓管內水頭急劇升高,高出容器內自由水面一定距離,此時海綿未被壓縮,附加應力全部轉化為超靜孔隙水壓力。隨后,海綿逐漸被壓縮,測壓管水位隨之降低,附加荷載逐漸轉化為由海綿承擔,即在此過程中海綿模擬的土骨架逐漸被壓縮,土骨架由剛開始不受力，然后受力逐漸增大,相應地超靜孔隙水壓力逐漸減少。最終待海綿不再被壓縮時,測壓管水頭已穩定,與容器內自由水位平齊。此時,超靜孔隙水壓力消散為零,附加荷載完全由海綿承擔,固結過程完成。

經測試,實驗結果較好地反映了分層飽和土體滲流固結的過程,與飽和土體一維固結過程一致,可直觀地表現出有效應力、超靜孔隙水壓力以及附加應力三者之間關系,該固結模擬教學實驗裝置設計合理,可以應用于課堂教學演示。

3 結論

從實驗結果看,該分層飽和土滲流固結模擬教學實驗裝置設計合理,實驗結果較好地反映土體滲流固結過程,且與現有技術相比,本實驗裝置具有以下優點,可以應用于相關教學實驗：

(1) 該裝置設置多層海綿-活塞裝置以模擬層狀土體,每層海綿具有不同的勁度系數,可模擬分層土體中具有不同彈性模量的土骨架；

(2) 帶孔活塞板的孔隙大小可進行調整,可模擬土體不同的孔隙比和滲流速度；

(3) 有助于幫助學生深刻理解太沙基一維固結理論,可模擬出土體的有效應力、孔隙水壓力隨時間變化規律,通過改變模型的排水條件、加載條件、彈簧勁度系數,該實驗設備還可以提供給學生開展相關的課外科研活動。

References)

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Development of teaching experimental device for simulating seepage consolidation of layered saturated soil

Liang Fayun1， Deng Hang1， Yao Xiaoqing1， Chen Shaoqing2

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Hangzhou Benliu Technology Co., Ltd., Hangzhou 310013, China)

In order to enable the students to understand and master the knowledge of the seepage consolidation, a kind of “sponge-piston” teaching demonstration device for simulating the consolidation of saturated soil is independently designed. This device has a simple structure, and is convenient to carry, which can be used to simulate the soil skeleton and the pore ratio of layered saturated soil with different elastic modulus. Thus, the unidirectional consolidation process is vividly simulated. Combined with the experimental device, the teaching demonstration can be carried out to help the students to get the intuitive experience and understanding of the saturated soil consolidation theory, which effectively improves the teaching effect.

saturated soil; seepage consolidation; sponge-piston model; effective stress; teaching demonstration

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.020

2016-10-15 修改日期：2016-12-03

同濟大學第10期實驗教學改革項目

梁發云(1976—)，男，安徽肥東，博士，教授，主要從事土力學與基礎工程的教學科研工作.

E-mail：fyliang@tangji.edu.cn

TU41;G484

B

1002-4956(2017)4-0078-04