周明

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510006)

不同土層中地下結(jié)構(gòu)抗浮作用的試驗(yàn)研究

周明

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510006)

本文通過模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同土層中地下結(jié)構(gòu)所受浮力進(jìn)行試驗(yàn)，主要探討礫石、中砂和粘土中地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的浮力作用效應(yīng)，通過水位的變化和對(duì)中砂中孔隙率的不同來探究浮力的變化規(guī)律，試圖通過試驗(yàn)，來研究無粘性土與粘性土中浮力的作用之區(qū)別。

模型試驗(yàn)；砂土地基；地下結(jié)構(gòu)；浮力

隨著城市的發(fā)展，建筑有從多高層向地下要空間的趨勢(shì)。特別近年來，各大中小城市在中國(guó)經(jīng)濟(jì)浪潮的帶動(dòng)下，人口壓力和經(jīng)濟(jì)需求都迫使城市大量新建地下鐵道和地下管廊以緩解交通壓力，全國(guó)出現(xiàn)興建地鐵的風(fēng)潮。目前，業(yè)界尚沒有統(tǒng)一的抗浮理論依據(jù)和普遍讓工程師信服的操作實(shí)踐，甚至對(duì)其中的基本問題存在一些較大的分歧。所以一般的建筑抗浮設(shè)計(jì)中，從安全和保險(xiǎn)起見，往往采用最高設(shè)防水位作為抗浮設(shè)計(jì)的依據(jù)，建筑所受浮力便簡(jiǎn)單的采用阿基米德定理進(jìn)行估算。這種方法在工程上是偏于安全的，但是大量的工程實(shí)踐表明，這樣做會(huì)使工程造價(jià)很大程度的增加也同時(shí)增加了工程的施工難度。本文將試圖探索無黏性土和黏性土中水浮力的作用機(jī)理，研究地下結(jié)構(gòu)抗浮的分析方法，為后人更好地完善抗浮理論提供一定參考。

1 地下水浮力模型試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法

在不同土層中，由于水-土顆粒的作用形式的差異性和復(fù)雜性，地下結(jié)構(gòu)的所受浮力也不盡相同，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙M量排除一些次要因素，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，本次研究采用室內(nèi)模擬的方法。為了規(guī)避試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔缧?yīng)，采用兩套大小規(guī)格不同的模擬同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)通過模擬地基和基礎(chǔ)建立地下結(jié)構(gòu)、地下水和土顆粒之間的力學(xué)關(guān)系，盡量使試驗(yàn)接近現(xiàn)場(chǎng)工況，又不摻雜多余因子。通過控制進(jìn)水量，達(dá)到控制地下水水位的目的，再通過簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)求出測(cè)力環(huán)上等算出的壓力，進(jìn)而求出基礎(chǔ)模型所受浮力。

2 無黏性土中的試驗(yàn)和結(jié)果

無黏性土一般包括碎石類土和砂類土，含黏粒非常少，不具有可塑性，結(jié)構(gòu)為單粒類型。區(qū)別于黏性土，其物理性質(zhì)主要取決于土的密實(shí)度。當(dāng)呈密實(shí)狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度較大，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，是良好的天然地基；松散狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，且壓縮性大，是一種軟弱的地基，特別是飽和狀態(tài)的粉、細(xì)砂在振動(dòng)荷載作用下易發(fā)生液化。評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度時(shí)，孔隙比是主要性質(zhì)指標(biāo)，不同孔隙比下的砂土有松散、稍密、中密和密實(shí)的不同密實(shí)狀態(tài)。將通過對(duì)礫砂地基的浮力試驗(yàn)和不同孔隙率的砂土試驗(yàn)，來分析無黏性地基中的地下結(jié)構(gòu)受浮力的影響。

在砂類土的浮力試驗(yàn)中，擬研究這樣幾個(gè)問題：摩擦力處理的幾種方法、摩擦力與孔隙水壓力的關(guān)系、浮力與孔隙度的關(guān)系和浮力與滲流的關(guān)系等等，介于此，砂類土試驗(yàn)分為三個(gè)漸進(jìn)的過程：

一是砂類土在松散狀態(tài)時(shí)的浮力試驗(yàn)，稱為狀態(tài)一，即往地基模型缸內(nèi)填入砂時(shí)，不經(jīng)搗密，模擬砂自然松散狀態(tài)時(shí)的浮力及其相關(guān)影響；

二是砂類土在中密狀態(tài)時(shí)的浮力試驗(yàn)，稱為狀態(tài)二，經(jīng)過第一次升水出水，再經(jīng)過人工壓密，靜置一周后，砂的密實(shí)狀態(tài)改變，再進(jìn)行試驗(yàn)；

三是砂類土在密實(shí)狀態(tài)時(shí)的浮力試驗(yàn)，稱為狀態(tài)三，經(jīng)過一和二狀態(tài)的試驗(yàn)，砂類土已經(jīng)相對(duì)密實(shí)，再次升水試驗(yàn)時(shí)，用振搗棒對(duì)砂類土進(jìn)行搗密實(shí)，明顯可見砂層下降且有氣泡上冒，靜置兩周后，再進(jìn)行試驗(yàn)。

狀態(tài)一時(shí)，實(shí)測(cè)浮力與理論計(jì)算浮力的對(duì)比圖1：

圖1 實(shí)測(cè)浮力與理論計(jì)算浮力的對(duì)比

理論計(jì)算浮力的截距為其真實(shí)墊層厚度，實(shí)測(cè)浮力曲線和理論計(jì)算浮力曲線其擬合直線的斜率理論是相等的。從上面三組試驗(yàn)可是看出，隨著砂的密實(shí)度的增加，浮力結(jié)果的理論值與進(jìn)水實(shí)測(cè)浮力的差值是逐漸增大的，原因之一是地基模型與內(nèi)缸側(cè)壁的摩擦力處理有關(guān)，摩擦力到底隨著砂土中的水位變化以否，這還需要進(jìn)一步研究。

在礫石試驗(yàn)中，通過礫石曲線的截距法，繪制出的浮力曲線與純水計(jì)算的浮力曲線幾乎重合，這表明截距法有相當(dāng)?shù)目煽啃?。在中砂試?yàn)中，采用三組不同的密實(shí)度來研究中砂所受浮力以及影響浮力大小的其他因素。經(jīng)過進(jìn)水和出水試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂類土的摩擦力因子與孔隙水無關(guān)。浮力也僅有水位成正相關(guān)。但隨著砂類土的密實(shí)度增加，浮力曲線的斜率呈增加趨勢(shì)，考慮其主要是由于側(cè)壁摩擦力的影響。砂類土地基中的地下結(jié)構(gòu)不應(yīng)折減。

3 黏性土中試驗(yàn)和結(jié)果

黏性土的透水性較差，試驗(yàn)所用土為殘積砂質(zhì)黏性土，試驗(yàn)填土?xí)r，在地基模型下鋪置8cm礫石，有利于底部進(jìn)水的均勻性，內(nèi)缸底下再墊有5cm黏性土，填土后靜置兩周。其試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，時(shí)間間隔較久，采用試驗(yàn)法確定在20小時(shí)后，讀數(shù)基本穩(wěn)定。每次升水后，隔5小時(shí)、10小時(shí)、20小時(shí)、30小時(shí)的間隔進(jìn)行讀數(shù)，每一個(gè)過程不少于三次讀數(shù)。

圖2 砂質(zhì)黏性土試驗(yàn)

經(jīng)過一個(gè)月的進(jìn)水試驗(yàn)，基本能使水位下土樣飽和，且讀數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定。再通過類似砂類土的處理方法，將結(jié)果等算成浮力的曲線。利用每一過程的最后一個(gè)讀數(shù)（認(rèn)為是最后穩(wěn)定讀數(shù)），見圖3。

圖3 黏性土浮力計(jì)算對(duì)比

從圖表中可以看出，無論是合算計(jì)算的浮力相比分算的結(jié)果，在斜率上更接近理論的浮力，曲線的斜率可以看做是液體地基的重度和內(nèi)缸面積的乘積γS，以前學(xué)者研究（崔巖）對(duì)于黏性土的浮力計(jì)算中，浮力的重力應(yīng)該取其液體懸濁液，而非水的重度。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間，在靜水情況下，斜率的一致性證明砂質(zhì)黏性土中浮力計(jì)算仍擬用水的重度。但是，圖表顯示結(jié)果又表明，合算所得的結(jié)果與純水中的理論值存在一定的折減，大概為10%-20%之間。這個(gè)關(guān)系在本試驗(yàn)中尚不能確定，工程實(shí)踐中不建議直接折減，還應(yīng)該綜合考慮黏性土中水的賦存形式、有無滲流。因?yàn)轲ば酝恋牟煌魉苤笖?shù)，土性差異相當(dāng)大，而純水中的理論值并不是浮力的真實(shí)值。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)礫石和中砂進(jìn)行浮力試驗(yàn)，在礫石試驗(yàn)中，通過礫石曲線的截距法，繪制出的浮力曲線與純水計(jì)算的浮力曲線幾乎重合，這表明截距法有相當(dāng)?shù)目煽啃?。在中砂試?yàn)中，采用三組不同的密實(shí)度來研究中砂所受浮力以及影響浮力大小的其他因素。經(jīng)過進(jìn)水和出水試驗(yàn)，結(jié)果表明，砂類土的摩擦力因子與孔隙水無關(guān)。浮力也僅有水位成正相關(guān)。但隨著砂類土的密實(shí)度增加，浮力曲線的斜率呈增加趨勢(shì)，考慮其主要是由于側(cè)壁摩擦力的影響。砂類土地基中的地下結(jié)構(gòu)不應(yīng)折減。

主要對(duì)黏性土地基上中地下結(jié)構(gòu)受浮力作用進(jìn)行了研究分析，所得主要結(jié)論為：

（1）砂質(zhì)黏性土一次讀數(shù)的穩(wěn)定時(shí)間大約為20小時(shí)，隨著水位的上升，總體數(shù)據(jù)散點(diǎn)為線性分布。

（2）圖表顯示結(jié)果又表明，合算所得的結(jié)果與純水中的理論值存在一定的折減，大概為10%-20%之間。這個(gè)關(guān)系在本試驗(yàn)中尚不能確定，工程實(shí)踐中不建議直接折減，還應(yīng)該綜合考慮黏性土中水的賦存形式、有無滲流。

（3）以上兩點(diǎn)表明，對(duì)飽和砂質(zhì)黏性土地基，計(jì)算地下水浮力的水位折減程度不大，在計(jì)算浮力仍可采用水的重度。

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1007-6344（2015）08-0070-01

周明（1985-），男，江西人，研究生學(xué)歷，助理工程師，從事建筑工程類專利審查