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1、I 0 4 建筑技术 A r c h i te c t u re T e c h n o l o g y 增刊 2 0 0 0 地基土中孔隙水 压力的现场测试、 室内试验与模拟 魏海燕孙保卫徐宏声 摘要现场浏试结果证实， 地基土中孔隙水压力场的分布规律与传统上应用静水力学公式计算的结果有 显著不同( 特别是在相对弱透水土层中) ， 地下水位变化后， 相应的孔陈水压力变化规律更加复杂。本文结合室 内模型试脸结果， 建立有限单元法计算模型， 实现了对水位变化时孔隙水压力分布的成功预m， 对建筑地基基础 抗浮水压力和沉降计算等有重要意义。 1 问题的提出 孔隙水压力在土力学和岩土工程中的重要性已 经
2、逐渐为多数专家和工程师们所认知， 并开始对实际 工程场地地基土中的孔晾水压力分布和变化规律进 行现场监侧。根据太沙基有效应力原理， 饱和土层中 的总应力。 与土层的有效应力a 和孔隙水压力u 之和 相平衡 即: a = a 十 u ， 由于土体的工程性状实际上是 由其内部的有效应力控制的， 在实际的试验和设计 中， 总应力和孔隙水压力都可直接量测或计算， 但有 效应力却无法直接获取， 必须通过与总应力和孔隙水 压力的上述关系计算得到。在一定的地层条件下， 总 应力的大小是不变的， 而孔隙水压力值将随地下水水 位动态变化而发生相应的改变。如图 1 所示地层结 构中的承压水水位变化时的各压力分布情
3、况， 有效应 一地面 有放应 ， 力。 睡 日 卜.， - 乐 - - N III 弱 透 水 土 层 含水层 - - - .一 祖卜J 叫卜 一 - 口u 8 注: 实坟为 承压 水位为 目 时 的 .况: 宜臼为承压水 位为 b 时的 们况。 圈I 承压水位变化时土中应力分布状态 力等于总应力和孔隙水压力之差， 当承压水静止水位 由a 降至b 时， 直接导致土层中孔隙水压力值的减 小， 总应力不变， 有效应力相应增加 增加量为孔隙水 压力值的减小部分) 。因而， 合理确定不同水位高度 下土层中的孔隙水压力分布状况， 对荃础工程和岩土 工程有着重要的实用价值。 但是， 目前传统上计算孔隙水压
4、力仍根据水力学 的静水力学公式( u = Y . h , Y , 一水的比重, h 一 水位高 度) 进行， 实践证明， 该计算方法存在如下问题: 1 ) 对 于如北京市区浅层存在多层地下水的情况， 水压力的 计算均是自 第1 层水的自由水面算起， 而忽视了实际 地层中地下水的赋存状态和产生的孔隙水压力场的 实际情况; 2 ) 地下水位变化时， 孔隙水压力计算仍采 用该公式计算， 其结果为， 地下水位升高或降低多少， 相应的孔隙水压力值增加或减少多少， 常造成基础工 程中如地基沉降、 基底抗浮水压力、 地下室外墙水压 力等计算结果与实际情况差异较大， 而无从解释和修 正的现象， 因而， 进行孔
5、隙水压力的测试和研究极为 重要。 2 孔隙水压力的现场测试 现场测试方法较多， 本次采用孔隙水压力计进行 测试， 即在地基土层的不同探度处埋设一定量的孔隙 水压力计， 并定时监测水压力的变化情况。近两年， 通过对多项工程孔隙水压力监测结果的分析发现: 自 然状态下不同岩土类型组合的地基土中， 孔隙水压力 分布并非沿垂向上线性增加的规律， 特别是对于北京 市区浅层存在多个含水层的情况， 如某工程场区( 地 层组合如图 I 所示) 基础影响范围内赋存 2 层地下 水， 含水层分别为粉土层和砂卵石层， 两个含水 层之间的层为透水性差( 或相对隔水) 的粘性土层， 按土力学中传统的水压力计算方法( 静
6、水力学公式) ， 得到的垂向上水压力的分布为线性， 即自 第 1 层水水 面开始计算的深度每增加 l m ， 水压力相应增加 1 0 k P a ， 实际水压力垂向分布为图2所示的情况， 特别 位姆燕北京市助察设计研究院北京市海淀区羊坊店路1 5 号1 0 0 0 8 3 增刊 2 (X刃 建筑技术 A 欢 击 i l e t u 佗叽 况 h n l 1 o gy 1 05 是在弱透水土层中有一定的折减， 粉土中的折减率 为30%左右。 . 实侧值 静水压力值 粉土凰含水层) 泛 热瓣煎 : 球 内巴OC峨6只户0 1上1，孟IJ111勺户 己翅疑叫翻 0 吕 写 3 吕 水压 虽虽舅 度显
7、然低于相应的计算值， 甚至在本试验土体内出现 孔隙水压力随深度递减的规律( 理论计算结果只能是 递增的情况) ， 这一结果与现场测试得到的结论一致。 水位高度变化时， 各量侧点的孔隙水压力值随水位的 升高或降低相应增大或减小， 垂向上水压力分布线的 斜率也相应增或减( 即变化线并不是平行关系) 。图4 为该试验的孔隙水压力一 水位高度关系图， 更明显地 反应了水位动态对土层内的水压力变化的影响， 即水 位越高， 土层内埋深小的位置( 如3 # 孔压计) 的孔隙 水压力值升幅大， 反之( 如 1 # 孔压计的位置) 则变幅 小， 直至零变幅， 即水位变化对土层内近距离点的影 响程度大， 远距离点
8、影响程度小甚至没有影响， 而理 论计算结果是无论水位怎样变化， 各点的变化幅度相 同， 显然 两者的差异较大。 圈 2 水压力实侧值与静水压 力值对比圈 如图2 的实测与理论计算结果对比反映: 1)在同 一土层中的水压力基本符合按照静水力学公式计算 的线性分布， 但不同土层中水压力分布线的斜率( 或 水力坡度) 存在显著差异， 与土层的渗透性有关， 渗透 性强的土层( 如砂卵石层) 中水压力分布的线性接近 静水力学公式的计算结果， 而透水性差( 如粉土) 的土 层中的水压力值的大小相对而言有一定的折减， 渗透 性越差( 如粘性土) ， 折减率越大直至孔隙水压力为零 或负值 土层为隔水层) ;
9、2)土层中垂向上的孔隙水压 力分布有一定连续性， 由于每层水都有不同的自由水 面， 土层中的孔隙水压力值为从该土层中所赋存的那 层水的自由水面开始计算， 如图1 中的含水层中的 水压力应考虑第1 层水水面， 含水层中的水压力按 第2 层水水面计算， 在两层水之间的土层则考虑这两 层水的共同作用， 当下层水不承压时， 该层水对上扭 土层的水压力无影响。 为验证上述现场测试结果， 进行了孔隙水压力分 布的室内试验模拟。 3 孔隙水压力的室内试验 为研究水位动态变化时土层中孔隙水压力分布 的变化规律， 特研制了相应的室内试验装置。土层结 构为: 上下 2 个含水层均为透水性强的砂卵石层， 中 间的弱
10、透水土层选用粉土， 在粉土中的不同深度预埋 了3 个孔隙水压力计， 重点研究该土层内水压力变化 规律。 图3 为不同水位高度下的孔隙水压力 一 位置深 度的关系图， 可以非常直观地看出: 同一水位高度下， 土层内垂向上的孔隙水压力为线性分布， 但与静水力 学计算值有显著差异， 试验值随土体内深度的变化幅 5 水 器 力 (份) : 。: 。 r 一 一一 ， 个一 一 尸嘴一，幸一，一声 二 二 实侧位( 水位 1 . 1 6 8. 1 实侧谊( 水位 17 2 8. 实侧优( 水位 2 . 1 7 如 : 口论位( 水位 1 . 1 6 翻) 理论位 水位 1 . 7 2 8. 一 一 一
11、理论值( 水位 2 。 1 7 B.) 、.:几L，.胜、.，It.，、.几、1毛.-.1 万/J.-、-;.卜.-卜，、 .己侧错州划 图3 室内试验的孔陈水压力分布曲钱 .班板 .豁孔压计 2 . 孔压计 x! 日 孔压计 。的10D150200250300翔4004500rLLi|抖 成 全长田书任裸 众81 . 31B2 . 3 水位离度回 圈4 水压力一 水位离度关系圈 试验结果证实， 水位变化时， 不同土层中的孔隙 水压力的变化规律不同， 不能简单地按照静水力学公 式进行计算 . 需进行专门研究 . 以期能获得较为准确、 1 0 6 建筑技术 A 况 h i t e t u reT
12、 以 山 11 0 1 。 幻 ， 增刊2 ( 众) 合理的孔隙水压力分布动态。 4 有限单元法的模拟计算 目 前， 单纯依靠试验( 现场和室内) 来研究各种情 况或体系的建筑场地孔隙水压力分布或变化规律是 不现实， 也是不可能的， 为实现理论研究向定量化的 发展， 根据某种已有规律来概化复杂的场地条件， 建 立模型， 进行模拟计算或预测， 已被广泛证明是一种 有效的方法。目前， 地下水运动的数值模拟中， 有限 元方法显示出其优越性。有限单元法 即F i ni teE le - IneniM e th 司， 缩写为 FEM ) 的基本原理是通过把整个 渗流剖刑分成若干单元， 以内插函数近似描述
13、各单元 的地下水流动定解问题， 求解这一代数方程组， 得到 渗流区中各离散点的水头值和孔隙水压力值。 首先， 对现场侧试结果进行模拟计算。根据地下 水的渗流理论和工程场区土层条件， 将实际物理模型 概化为剖面二维非均质各向同性稳定流数学模型， 并 进行矩形网格剖分， 以已知的地下水位作为模型的上 下边界， 综合工程场地地层分布和孔隙水压力监测结 果， 模拟出相应的水压力分布状况。模拟计算应用了 SEE P/w有限元软件， 对多个实际工程的孔隙水压力 动态进行了模拟， 计算结果与实测值对比表明( 如图2 例举的某工程的模拟计算结果见图5): 模拟计算结果 非常接近现场实测孔隙水压力分布规律， 反
14、映可以用 有限单元法模拟孔隙水压力分布规律。 该方法常用于确定未来最不利条件下建筑地下 室外墙承载力验算所需的水压力分布， 并利用该结果 作为建筑结构设计的可靠依据。如上述工程中， 在模 拟现状水压力分布状况的基础上， 调整水位边界( 根 据预测的这两层水的未来最高水位作为预测模型的 边界条件) 进行未来场区孔隙水压力分布的预测计 算， 结果如图5 所示。 上述结果表明， 由于地基土中的孔隙水压力分布 和变化规律并不完全符合按照静水力学公式计算的 结果， 为给建筑结构设计提供更为可靠的依据， 可以 根据某个时刻的现场测试结果， 建立模型， 利用有限 单元法进行不同水位条件下的水压力模拟预测。实
15、 践证明， 该方法应用于基础工程中， 可以缓解结构设 计难度 、 节约工程投资和施工工期等 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 l 6 1 8 2 0 . 穷侧值 有限元法计抹位 .水压力 一有限 元法班一尽期水压力 粉土 禽含水 层 众心瞥绝嗯 七 _ _ 粉细砂层 ( 含水层) J侧转州却 02 0 4 0 6 0 8 0 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 水压力( k Pa) 圈 5 预浏水压力分布图 5 结论 孔隙水压力分布及动态变化规律的确定对饱和 土中有效应力的计算、 基底抗浮设计水位的确定、 地 下室外墙承载力的计算和防渗设计都有重要意义， 可 以缓解结构设计难度、 节约工程投资和施工工期等。 由于不同地区或建筑场区的地层分布差异较大， 且建筑物类型、 结构和基础埋深等各不相同， 很难确 定孔隙水压力值相对于静水压力计算值折减的普遍 规律或适用的计算公式， 必须具体问题具体分析， 一 般工作程序为: 了解地层分布、 建筑结构和地下水赋 存条件， 监测各相关土层中的孔隙水压力， 根据监测 结果分析现状孔隙水压力分布的垂向分布规律， 建立 物理和数值模型， 进行预测分析
