地下水位变化引起地基破坏的模拟实验装置

李大勇，张雨坤，冯 磊，郑则旺

（山东科技大学 土木建筑学院，山东省防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590）

土是由孔隙水、空气和土颗粒组成的三相体，饱和土是只含孔隙水和土颗粒的二相土。有效应力原理在土力学性质中起到决定性作用，主导着土的压缩性、抗剪强度和土压力［1－3］。土的有效应力不能直接量测，总应力和孔隙水压力可以直接量测，初学者对这些概念往往感到比较抽象。对于饱和土，其有效应力为总应力与孔隙水压力之差。水位变化，引起有效应力增加或减小，从而导致地基土产生沉降或破坏，即地基承载力降低至完全丧失。由地基承载力失效而导致的工程事故时有发生［4－5］，其破坏过程一般难以记录，不能满足课堂教学中的直观性要求［6－7］。为了能直观再现建筑物地基破坏过程，特研发了地基基础承载力破坏模拟实验装置，且已获得了国家发明专利授权［8］。该装置能方便地演示：地下水位上升导致建筑物发生倾斜、倾倒破坏等的连续发展过程；能比较相同情况下桩基础抵抗地下水位变化的效果；使学生利用渗流和有效应力原理定量分析地基破坏的原因。

1 实验装置

1.1 实验装置组成

（1）主桶。主桶（见图1）是一个设有进出水口（直径20mm）、封底的、透明有机玻璃圆柱体（直径300 mm，高500mm，壁厚10mm），侧面设有水位量测管。

图1 主桶、储水桶及附件

（2）储水桶。储水桶是直径120mm、高200mm有机玻璃封底圆柱体，底部侧面有进出水口（直径20 mm），放在支架平台上（见图2），通过调整支架位置（幅度为1 500mm），容器可高于或低于主桶底部。

图2 高度可调的支架

（3）浅基础和桩基础房屋模型。房屋模型有2个有机玻璃制成的封底空心方柱体（见图3），长40mm、宽40mm、高250mm，可填充细砂或铁屑。通过改变建筑物模型配重，可大致模拟层数不同的多层建筑或高层建筑。桩基础模型采用4根模型桩作为支撑。承台为长50mm、宽50mm、厚5mm。模型桩直径4mm、高60mm。皆为有机玻璃材质。

1.2 实验用砂

为了快速、直观演示地下水位变化对建筑物模型的影响，选用渗透系数较大的中粗砂作为地基材料［9－11］。中粗砂取自青岛胶南风河入海口天然河砂，其粒径级配曲线见图4，砂土不均匀系数为4.25，渗透系数为0.002cm／s，重度为19.2kN／m3。中粗砂装入主桶内高度为350mm，砂越厚，实验效果越好，但需要的水量也越大。

2 实验原理

饱和土的有效应力原理可以用下式表示：

图3 浅基础及桩基础房屋模型

图4 实验用砂的粒径级配曲线

式中：σ′为有效应力；σ为总应力；u为孔隙水压力。

建筑物建成后，稳定地下水位以下土体中任一点的总应力是不变的，孔隙水压力为静水压力，此时地下水不受附加应力影响；而受渗流作用时，地下水位会发生变化，此时的有效应力必须计入渗流力。

2.1 地下水位稳定情况的有效应力表达

无渗流发生时，地下水位以下的饱和土的有效应力为

式中：γsat为土饱和重度；γw为水重度；z为土中任一点至土体表面的垂直高度；γ′为有效重度，γ′＝γsat－γw。

此时地基是安全的，按Mohr－Coulomb理论，地基土的应力点处于Mohr－Coulomb抗剪强度线下面，此点应力状态Mohr圆与之相离。

2.2 渗流情况的有效应力表达

只要有渗流发生，渗流对土颗粒就会产生渗流力，其作用方向与渗流方向一致，考虑两种情况：

（1）渗流方向向上。此时，地下水位升高（见图5），任一点的孔隙水压力上升，有效应力减小，导致地基基础承载力降低，最终建筑物发生倾斜或倒塌。

图5 水位上升实验

土体中的水有渗流时，水将对土颗粒有渗流力［12－13］。当土中水自下而上渗流时，渗流力方向与土重力方向相反，土体有效应力减小，此时饱和土体中任一点的有效应力为

式中：γ′为土体的浮重度；z为该点至水面的垂直高度；j为该点渗流力，j＝i·γw，i为该点水力梯度，i＝为水在土体中渗流路径的长度，Δh为经过渗流长度L后的水头变化。

比较式（3）和式（2）可知，此时土中的有效应力减少了i·γw·z，抗剪强度会减低，直至地基完全破坏。

（2）渗流方向向下。此时，地下水位降低（见图6），渗流力方向与土重力方向相同，土体有效应力增加，饱和土体的有效应力为

比较式（4）和式（2）可知，此时土中的有效应力增加了i·γw·z，抗剪强度会提高，地基土不会发生剪切破坏，但会进一步引起基础沉降。

3 实验方案及步骤

针对地下水位上升、下降都会对建筑物产生不良影响，设置了水位上升实验和水位下降实验。

3.1 水位上升实验步骤

（1）安装、连接主桶、储水桶及相关附件。

图6 水位下降实验

（2）把储水桶安放在支架平台上，调整支架高度使储水桶底部高于主桶顶面300mm；向储水桶注水，打开阀门，使水由储水桶流入主桶，当主桶内水位达到100mm时，关闭阀门，检查各接头的密水性。

（3）向主桶内撒入实验用中粗砂，初次用砂可以是干砂或稍湿砂，砂层厚度为350mm；再打开进水阀门，控制砂中水位高度为150mm。

（4）待量测管水位高度稳定后，在砂表面放置浅基础房屋模型，将柱基础房屋模型桩插入砂中，承台与砂面齐平，然后建筑物模型放置在模型桩承台上。两模型放置时要留有一定间距，以避免模型失稳时相互影响，同时也便于观察对比。

（5）模型安装完毕后静置5min，待量测管水位稳定，打开注水阀门，观察两建筑物模型的稳定性变化以及量测管中的水位变化，并分别记录两建筑物模型出现倾斜时对应的水位高度，建筑物最终失稳倒塌时记录失稳时所对应的水位高度。

（6）做完上述实验之后，调整支架高度，使储水容器底面分别高于主桶顶部500mm及1 000mm，并分别重置建筑物模型，然后重复上述实验步骤，观察建筑物的整体变化趋势，并记录相应水位高度。最终将3组实验结果进行综合比较。

3.2 水位下降实验步骤

（1）首先安装实验设备并检查其密水性，同时调整支架高度，使主桶底面高于储水桶顶部1 000mm。

（2）使主桶内砂土饱和：向主桶内注水使其水位达到300mm，然后将实验用砂均匀分层撒入主桶水中，砂层厚度为350mm，控制主桶内液面最终高于砂土表面50mm。待量测管水位稳定后，将桩基础建筑物模型平稳埋入砂土中一定深度。静置5min，然后测量建筑物模型顶端距砂土表面的高度。

（3）打开阀门，主桶中的水流入储水容器，当主桶内液面高度降至200mm时，关闭阀门，静置5min后观察建筑物模型的整体变化情况，并测量此时建筑物模型顶端距砂土表面的高度。

当然这2个实验无先后，可待任一方案做完后，略作调整，连贯起来做。

4 实验结果分析

（1）水位上升时，土体中孔隙水压力增加，有效应力降低，因而地基基础的承载力降低，最终导致建筑物倾斜甚至失稳倒塌。从倾斜到倒塌过程与渗透有关。本实验中，储水桶高于主桶300mm时，浅基础房屋最终状态倾斜，桩基础房屋没明显变化（见图7（a））；储水桶高于主桶500mm时浅基础房屋时倾斜加重（见图7（b））；储水桶高于主桶1 000mm时，浅基础房屋倒塌，而桩基础房屋略有倾斜（见图7（c））。可见，桩基础比浅基础具有较高的地基承载能力，能够显著抵抗地下水上升导致的建筑物地基破坏。

（2）地下水位下降时，建筑物发生下沉现象，如图8所示。相比于实验初始状态，最终整体沉降约3mm。此次实验由于房屋模型平面尺寸较小、质量较轻，并且砂土层厚度有限，因此不均匀沉降不明显。

图7 水位上升实验

图8 水位下降实验

5 结论

（1）本实验装置直观展示了地下水位升降导致的建筑物地基破坏以及沉降的过程，揭示了土力学教学中的重要原理，即有效应力原理和渗流原理。

（2）通过对同种情况下浅基础建筑物和桩基建筑比较，揭示了桩基础能更好地抵抗地下水位变化。

（3）本装置可将复杂的工程问题，变成直观的模型演示实验，实验操作简单，价格低廉，整套装置造价为500元，利于实验室推广应用，能够产生较好的教学效果。

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