水在不同土體中浮力值的試驗研究

李華

摘 要：隨著城市建設發展，城市空間日趨緊缺，大量地下室，特別是純地下建筑物的涌現，對于地下構筑物抗浮方面的研究也應運而生。只有了解水在不同土體中浮力的大小，才能根據土體的具體情況采用相應的抗浮措施，從而達到造價經濟的目的。

關鍵詞：浮力;地下建筑;土體

一、選題背景

隨著我國經濟的快速發展，地下建筑的類型和數量不斷增加，很多新的建筑問題也隨之出現，如地下建筑在地下水浮力的作用下而發生結構破壞，為了減小其對結構造成的不利影響，不得不在設計和施工上都加大了投入，抗浮措施如抗拔樁、錨桿等大量使用。然而，當前我國對于地下建筑所受浮力的研究并不完善，對于地下水浮力的理論計算尚不成熟。由于地下建筑物所受到地下水浮力、側壁摩擦力的大小勢必會因地基土性質的不同而有些差異，因而這些力的實際值不一定等同于用阿基米德定理算得的值（以下簡稱理論值），究竟這些因素如何影響地下水對建筑物的作用則必須經過試驗及相關數據來說明，因而有了本次的課題研究。

二、研究方法與方案論證

（一）測試裝置的組成及考評

經過實驗可行性，操作簡易規范性與經濟性等方面的必選，最終選用測試裝置如下：

測試裝置組成：SF-400A型電子稱（已改裝）、密封塑料膜;玻璃槽模型;透明膠帶、強力膠;大容量方形塑料透明容器，20cm刻度尺;（注：1選用電子稱作為實驗裝置是因為電子秤能實時直觀地把重力的變化顯示在屏幕上，而重力又與力存在密切的關系;2選用玻璃槽是因為有利于實時觀察容器底部，即假想地下建筑物的底部與水接觸等情況。）

進行實驗前，先對裝置的靈敏性和穩定性進行了性能評定，結果如下：其靈敏度達到了0.22pa，具有很高的穩定性。該裝置能長時間實時采集浮力信號，自動檢測某種地基下由水位變化而引起的浮力變化過程，因此能滿足對試驗研究測試的要求。（詳見論文“土體中浮力測試裝置的研制”）。

（二）土樣選取

由于不同土體中地下建筑收到的浮力可能不同，因此選取砂土試樣①②③④⑤⑥⑦和粘性土試樣⑧來模擬幾種不同的地基情況。其中試樣①為砂土、②為粗砂、③為細砂、④為粒徑在0.15mm-0.3mm的砂、⑤為粒徑在0.3mm-0.6mm的砂、⑥為粒徑在0.6mm-1.18mm的砂、⑦為粒徑在1.18mm-2.36mm的砂、⑧為紅粘土。其中④⑤⑥⑦為同種砂經過篩分所得到的不同粒徑的砂。

（三）試驗步驟

第一步：將20cm刻度尺貼于玻璃槽外壁，并用塑料膜密封電子稱固定于塑料容器中間。

第二步：將土樣（若為砂土則先用標準篩分實驗篩分，在分別用不同粒徑的砂繼續以下步驟）加入大容量塑料透明容器內，在中間放入SF-400A電子稱，將其固定并打開，顯示儀表及操作鍵盤放在外部。

第三步：將土樣抹平，添加或減少土樣以使其高度與固定好的電子稱秤盤上表面平齊。

第四步：將玻璃槽模型放置在電子稱上壓至緊密接觸，玻璃槽內放入4塊秤砣。

第五步：待電子稱讀數穩定后開始沿透明容器壁緩慢加水，讀取水位及對應的壓力讀數。記錄數據（10-15組左右）。

第六步：換土樣重復上述步驟，每組土樣的厚度要求大概一致。測得浮力隨水位的變化情況，繪制出相應的浮力變化曲線。

三、研究結果

（一）數據采集與處理

1、測量結果處理方法

顯示儀表顯示的數值為被測物體在面積S秤盤的相對P值，通過找出顯示器顯示數據與被測物體真實F值之間的對應關系，得到線性方程

P實 =（U0- Ui）g/【1000×（S底– S秤）】? ?… …? … … …? ?（1）

P理=1000 ×g×（hi–h0）/1000? ? ? ? ? … … … … … … …? （2）

式中： P實—— 表示建筑模型所受到的實際壓強，

U0 —— 表示電子稱顯示儀的初始數值，Ui —— 表示第i次測量時的電子稱顯示儀讀數;

S底—— 表示模型底部面積，? ? ? ? ?S秤 —— 表示秤盤面積;

P理—— 表示用阿基米德定理計算出的理論壓強（P=ρgV/S，其中V/S=h）;

hi —— 表示第i次測試到的水位值。

試驗回歸方程式為形如y = kx + b 式的一個性狀指標與測量結果的關系。試驗用所測得數據，進行計算。

2、數據采集與處理結果

通過以上方法得出水位變化對浮力的影響，初步研究分析試驗數據，該數據反映了隨著水位的升高，浮力逐漸增大，電子稱顯示器上數值越來越小。并將其繪成曲線圖。

如圖1所示，本試驗對地下建筑物浮力進行了初步的實驗和研究測試實驗分析了4種地基對浮力的影響，其中粗砂（未篩分）地基中的浮力值為理論值的0.23-0.58倍，砂土（未篩分）地基中浮力為理論值的0.17-0.27倍，細砂（未篩分）地基中浮力為理論值的0.10-0.68倍，紅粘土地基中的浮力值是理論值的0.06-0.13倍。由此可見，地下建筑所受到的浮力會隨著地基土的不同而有所變化，它的大小與地基的孔隙率，粘聚性有關。當粘聚性相同時孔隙率越大浮力越大，當孔隙率相同時，粘聚性越小浮力越大。因此實際工程抗浮力計算中應該將建筑物的自重，地基土的實際情況及基礎如側壁摩擦力、樁基礎的抗拔力等都考慮到，只有這樣才能將各項材料的性能充分利用，減少浪費。

由圖2可知：砂粒粒徑越大，浮力的變化越平穩;砂粒粒徑越小，浮力隨著水位的升高變化越快。但就總體而言，同種砂由于粒徑不同而造成的浮力差距不會太大。

3、結論

1、實際地基土當中地下建筑所受到的浮力小于阿基米德定理所計算出來的浮力。

2、研究出了水在部分土體中浮力值的變化規律，說明在進行地基設計時考慮土體中浮力的實際值是很有必要的。

四、創新點

不用傳統的應變片，壓力盒等器材，而采用改裝后的電子稱，既實現了遠距離自動測量，使得操作簡便，大大降低了勞動量;又大大地節約了研究經費，達到了試驗目的。

參考文獻：

[1] 孔思麗，曹小兵。土力學中幾個問題的探討 土力學教育與教學 人民交通出版社 2006年8月

[2] 代雪梅，王保中，顧平等。浮力測試裝置的開發 紡織學報 第28卷 第5期 2007年5月

[3] 趙明華，愈曉，王貽蓀等。無粘性土的密實度 土力學與基礎工程 武漢理工大學出版社2008年 11月