水土壓力模型試驗(yàn)研究

楊曉宇 束 文 陳 煒

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

水土壓力模型試驗(yàn)研究

楊曉宇 束 文 陳 煒

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

選取兩種不同特性的粘性土樣，通過自制試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢λ翂毫M(jìn)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(shí)測值之間的異同點(diǎn)，得出了一些有價值的結(jié)論。

水土壓力，粘性土，試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑩鯄?/p>

0 引言

在研究水土壓力這一方面，國內(nèi)和國外的許多專家和學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際情況和自制的模型試驗(yàn)進(jìn)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(xué)者進(jìn)行了許多關(guān)于擋墻的水土壓力的試驗(yàn)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(diǎn)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(guān)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(yàn)過程中把所需要的傳感器安裝在預(yù)先留置的剛性擋墻的凹槽中，通過傳感器所測量到的讀數(shù)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。另一個重要參數(shù)，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(xué)性質(zhì)和參數(shù)是通過土的室內(nèi)試驗(yàn)獲得。從收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)可以分析水土壓力的實(shí)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(guān)系和有關(guān)規(guī)律性，為進(jìn)一步的研究探討和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料選擇及物理力學(xué)參數(shù)測定

1.1 試驗(yàn)材料的選擇

本試驗(yàn)結(jié)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(yàn)所選擇的土體為兩種不同特性的粘性土樣，試驗(yàn)之前對兩種土樣以1號和2號命名。土樣的各種物理性質(zhì)指標(biāo)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(shù)

表3 土樣的界限含水率

通過對兩種土樣進(jìn)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(yàn)土樣力學(xué)參數(shù)的測定

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

試樣的制備和試驗(yàn)過程如圖1，圖2所示。

試驗(yàn)計算成果如圖3所示。

兩種土樣的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)測定的土樣力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 土樣力學(xué)參數(shù) kPa

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕M成部分主要包括自制的試驗(yàn)槽、水土壓力測量裝置和擋墻頂位移監(jiān)測裝置等。

試驗(yàn)槽內(nèi)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(shè)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(yàn)前期準(zhǔn)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(yàn)槽接縫密封，并在槽內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜，并在每層塑料膜間涂抹潤滑油，這對于消除試驗(yàn)槽內(nèi)墻、擋墻與土樣間的摩擦力十分有效。在試驗(yàn)槽后部設(shè)10 cm的砂礫層作為緩沖層，試驗(yàn)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(yàn)槽后預(yù)留的間隙，用留有小孔的擋板隔開作為緩沖區(qū)，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析

通過試驗(yàn)觀測到1號和2號土樣中，不同土壓力觀測點(diǎn)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(yàn)觀測得到兩種土體在沿墻高分布的不同測點(diǎn)的水土壓力均隨著時間的推移而逐漸穩(wěn)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(diǎn)的水土壓力隨時間推移逐漸緩慢的變化到一個穩(wěn)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(jīng)歷過比較短的時期內(nèi)，水土壓力很快的達(dá)到一個恒定的狀態(tài)。

究其原因可能是1號和2號兩種不同性質(zhì)土體的滲透性和水土相互作用機(jī)理有關(guān)。當(dāng)從模型試驗(yàn)槽的另一端開始加水對土體進(jìn)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(dá)到飽和狀態(tài)所經(jīng)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(jié)語

本文基于自制的模型試驗(yàn)體系對水土壓力進(jìn)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(yàn)還通過控制擋墻繞墻底轉(zhuǎn)動而產(chǎn)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(shí)測值之間的不同點(diǎn)和相似點(diǎn)。同時試驗(yàn)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(yàn)槽中降水等變化情況總結(jié)水土壓力的規(guī)律性，以期望為實(shí)際基坑工程的勘測，設(shè)計和施工提供有意義的參考。

本文主要結(jié)論如下：

1)天然夯實(shí)土體的靜止土壓力實(shí)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(shí)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(shí)是由擋墻對面逐漸夯至擋墻位置，擋墻一側(cè)上部土體被周圍土體擠壓，故實(shí)測值偏大。

2)水土壓力主要的降低時間段也是墻體發(fā)生主動位移的前期，這段時間土體發(fā)生主動位移變化大，土體中產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力，而且在粘土和粉質(zhì)粘土中會持續(xù)一段時間，在一定程度上減小了主動土壓力大小，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有利，在設(shè)計中適當(dāng)考慮這種影響可使設(shè)計更為經(jīng)濟(jì)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(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報，2002，24(5)：569-575.

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

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

[4] 陸培毅,嚴(yán) 馳,劉 潤.粘性土基于室內(nèi)模型試驗(yàn)土壓力分布形式的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)報,2002,23(2):83-86.

[5] 宋 磊.粘土基坑支擋結(jié)構(gòu)水土壓力研究[D].北京：清華大學(xué)碩士學(xué)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