水土壓力模型試驗研究

楊曉宇 束 文 陳 煒

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

水土壓力模型試驗研究

楊曉宇 束 文 陳 煒

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225000)

選取兩種不同特性的粘性土樣，通過自制試驗模型，對水土壓力進行了針對性的分析，探討了兩種不同土樣在水土分算和合算理論值與實測值之間的異同點，得出了一些有價值的結論。

水土壓力，粘性土，試驗模型，擋墻

0 引言

在研究水土壓力這一方面，國內和國外的許多專家和學者結合工程實際情況和自制的模型試驗進行的很多深入的研究。其中徐日慶[1]，李興高和劉維寧[2]，張彬[3]，陸培毅[4]，宋磊[5]等學者進行了許多關于擋墻的水土壓力的試驗研究。他們主要研究了主被動土壓力、靜止土壓力、土壓力的合力的分布及其作用點的分布、水土壓力對模型擋墻的位移變化程度和相互之間的關系。

本文主要研究不同土體的水土壓力分算與合算對于不同土體的合理程度。試驗過程中把所需要的傳感器安裝在預先留置的剛性擋墻的凹槽中，通過傳感器所測量到的讀數來記錄水土壓力值的大小。同時擋墻的位移是通過圍繞擋墻下的固定點來實現的。另一個重要參數，擋墻的位移是通過安裝在墻體后方的百分表來記錄的。土的力學性質和參數是通過土的室內試驗獲得。從收集到的試驗數據和參數可以分析水土壓力的實測值、水土壓力的理論值、水土壓力的合算值和水土壓力的分算值之間的關系和有關規律性，為進一步的研究探討和工程應用提供參考。

1 試驗材料選擇及物理力學參數測定

1.1 試驗材料的選擇

本試驗結合前人研究土體的較單一性及以無粘性土為主，提出了研究兩種粘性土的想法。因此本試驗所選擇的土體為兩種不同特性的粘性土樣，試驗之前對兩種土樣以1號和2號命名。土樣的各種物理性質指標見表1～表3。

表1 土樣的顆粒組成

表2 土樣的基本物理參數

表3 土樣的界限含水率

通過對兩種土樣進行的顆粒級配測定和界限含水率的測定，判斷這兩種土樣為粘土和粉土。

1.2 試驗土樣力學參數的測定

本試驗采用的是南京智龍科技有限公司生產的 TSZ-1 型全自動三軸剪切試驗儀對兩種飽和試樣進行了固結不排水三軸(CU)剪切試驗。

試樣的制備和試驗過程如圖1，圖2所示。

試驗計算成果如圖3所示。

兩種土樣的三軸固結不排水剪切試驗測定的土樣力學參數如表4所示。

表4 土樣力學參數 kPa

2 試驗模型的設計

本試驗模型的組成部分主要包括自制的試驗槽、水土壓力測量裝置和擋墻頂位移監測裝置等。

試驗槽內尺寸為180 cm×80 cm×100 cm(長×寬×高)，如圖4所示。考慮到土壓力理論的基本假即設擋土墻背豎直，墻面光滑，不計墻面和土層之間的摩擦力，試驗前期準備過程中采取了有效的措施：為防止土中水滲出槽外，用玻璃膠將擋墻與試驗槽接縫密封，并在槽內鋪設塑料薄膜，并在每層塑料膜間涂抹潤滑油，這對于消除試驗槽內墻、擋墻與土樣間的摩擦力十分有效。在試驗槽后部設10 cm的砂礫層作為緩沖層，試驗時由此處加水，可以避免直接加水對表層土樣的沖刷。在試驗槽后預留的間隙，用留有小孔的擋板隔開作為緩沖區，試驗時由此處加水，這樣可以使水均勻流入土樣中。

土壓力盒見圖5。

3 試驗結果及分析

通過試驗觀測到1號和2號土樣中，不同土壓力觀測點深度的水土壓力隨觀測時間的變化情況，如圖6，圖7所示。

通過試驗觀測得到兩種土體在沿墻高分布的不同測點的水土壓力均隨著時間的推移而逐漸穩定到一個恒定的值。對于1號粘土而言，沿深度分布的不同測點的水土壓力隨時間推移逐漸緩慢的變化到一個穩定的水土壓力值，而對于2號粉土而言，水土壓力在前期下降的比較明顯，但經歷過比較短的時期內，水土壓力很快的達到一個恒定的狀態。

究其原因可能是1號和2號兩種不同性質土體的滲透性和水土相互作用機理有關。當從模型試驗槽的另一端開始加水對土體進行飽和時，1號土體的透水性比2號土體的透水性要弱，所以兩種土體達到飽和狀態所經歷的時間不一樣，從而造成水土壓力隨時間變化程度有所差異。

4 結語

本文基于自制的模型試驗體系對水土壓力進行了有針對性的研究分析。除了在靜止水土壓力測量情況下，試驗還通過控制擋墻繞墻底轉動而產生主動土壓力來分析兩種不同土樣在水土分算和合算理論值與實測值之間的不同點和相似點。同時試驗還通過擋墻位移量測裝置和沿墻高布置的土壓力量測裝置來記錄和測量水土壓力隨時間、隨擋墻位移、隨試驗槽中降水等變化情況總結水土壓力的規律性，以期望為實際基坑工程的勘測，設計和施工提供有意義的參考。

本文主要結論如下：

1)天然夯實土體的靜止土壓力實測值與理論值較為接近，擋墻上深度為5 cm處的水土壓力實測值略大于理論值，而且誤差隨著深度的增加逐漸減小，造成這種誤差的可能原因是：土體夯實是由擋墻對面逐漸夯至擋墻位置，擋墻一側上部土體被周圍土體擠壓，故實測值偏大。

2)水土壓力主要的降低時間段也是墻體發生主動位移的前期，這段時間土體發生主動位移變化大，土體中產生負的超靜孔隙水壓力，而且在粘土和粉質粘土中會持續一段時間，在一定程度上減小了主動土壓力大小，對于支護結構的設計有利，在設計中適當考慮這種影響可使設計更為經濟合理。

[1] 徐日慶，陳頁開，楊仲軒，等.剛性擋墻被動土壓力模型試驗研究[J].巖土工程學報，2002，24(5)：569-575.

[2] 李興高,劉維寧.擋土結構上水—土壓力分算的進一步探討[J].巖土力學,2009,30(2):419-424.

[3] 張 彬.深基坑水土壓力共同作用試驗研究與機理分析[D].武漢：武漢大學博士學位論文,2004:27-74.

[4] 陸培毅,嚴 馳,劉 潤.粘性土基于室內模型試驗土壓力分布形式的研究[J].建筑結構報,2002,23(2):83-86.

[5] 宋 磊.粘土基坑支擋結構水土壓力研究[D].北京：清華大學碩士學位論文,2003:20-52.

Abstract: The paper selects two types of clay samples with different features, analyzes the water and soil pressure according to the self-made test model, and explores the similarities and differences between the theoretic and measured values in the layered calculation and combined calculation theories, so as to achieve some valuable conclusions.

Key words: water and soil pressure, cohesive soil, experimental model, retaining wall

Experimental study on the water and soil pressure model

Yang Xiaoyu Shu Wen Chen Wei

(CollegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225000,China)

2016-03-18

楊曉宇(1990- )，男，在讀碩士； 束 文(1990- )，男，在讀碩士； 陳 煒(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2016)15-0066-02

TU411.3

A