水在不同土体中浮力值的试验研究

李华

摘 要：随着城市建设发展，城市空间日趋紧缺，大量地下室，特别是纯地下建筑物的涌现，对于地下构筑物抗浮方面的研究也应运而生。只有了解水在不同土体中浮力的大小，才能根据土体的具体情况采用相应的抗浮措施，从而达到造价经济的目的。

关键词：浮力;地下建筑;土体

一、选题背景

随着我国经济的快速发展，地下建筑的类型和数量不断增加，很多新的建筑问题也随之出现，如地下建筑在地下水浮力的作用下而发生结构破坏，为了减小其对结构造成的不利影响，不得不在设计和施工上都加大了投入，抗浮措施如抗拔桩、锚杆等大量使用。然而，当前我国对于地下建筑所受浮力的研究并不完善，对于地下水浮力的理论计算尚不成熟。由于地下建筑物所受到地下水浮力、侧壁摩擦力的大小势必会因地基土性质的不同而有些差异，因而这些力的实际值不一定等同于用阿基米德定理算得的值（以下简称理论值），究竟这些因素如何影响地下水对建筑物的作用则必须经过试验及相关数据来说明，因而有了本次的课题研究。

二、研究方法与方案论证

（一）测试装置的组成及考评

经过实验可行性，操作简易规范性与经济性等方面的必选，最终选用测试装置如下：

测试装置组成：SF-400A型电子称（已改装）、密封塑料膜;玻璃槽模型;透明胶带、强力胶;大容量方形塑料透明容器，20cm刻度尺;（注：1选用电子称作为实验装置是因为电子秤能实时直观地把重力的变化显示在屏幕上，而重力又与力存在密切的关系;2选用玻璃槽是因为有利于实时观察容器底部，即假想地下建筑物的底部与水接触等情况。）

进行实验前，先对装置的灵敏性和稳定性进行了性能评定，结果如下：其灵敏度达到了0.22pa，具有很高的稳定性。该装置能长时间实时采集浮力信号，自动检测某种地基下由水位变化而引起的浮力变化过程，因此能满足对试验研究测试的要求。（详见论文“土体中浮力测试装置的研制”）。

（二）土样选取

由于不同土体中地下建筑收到的浮力可能不同，因此选取砂土试样①②③④⑤⑥⑦和粘性土试样⑧来模拟几种不同的地基情况。其中试样①为砂土、②为粗砂、③为细砂、④为粒径在0.15mm-0.3mm的砂、⑤为粒径在0.3mm-0.6mm的砂、⑥为粒径在0.6mm-1.18mm的砂、⑦为粒径在1.18mm-2.36mm的砂、⑧为红粘土。其中④⑤⑥⑦为同种砂经过筛分所得到的不同粒径的砂。

（三）试验步骤

第一步：将20cm刻度尺贴于玻璃槽外壁，并用塑料膜密封电子称固定于塑料容器中间。

第二步：将土样（若为砂土则先用标准筛分实验筛分，在分别用不同粒径的砂继续以下步骤）加入大容量塑料透明容器内，在中间放入SF-400A电子称，将其固定并打开，显示仪表及操作键盘放在外部。

第三步：将土样抹平，添加或减少土样以使其高度与固定好的电子称秤盘上表面平齐。

第四步：将玻璃槽模型放置在电子称上压至紧密接触，玻璃槽内放入4块秤砣。

第五步：待电子称读数稳定后开始沿透明容器壁缓慢加水，读取水位及对应的压力读数。记录数据（10-15组左右）。

第六步：换土样重复上述步骤，每组土样的厚度要求大概一致。测得浮力随水位的变化情况，绘制出相应的浮力变化曲线。

三、研究结果

（一）数据采集与处理

1、测量结果处理方法

显示仪表显示的数值为被测物体在面积S秤盘的相对P值，通过找出显示器显示数据与被测物体真实F值之间的对应关系，得到线性方程

P实 =（U0- Ui）g/【1000×（S底– S秤）】   … …  … … …   （1）

P理=1000 ×g×（hi–h0）/1000          … … … … … … …  （2）

式中： P实—— 表示建筑模型所受到的实际压强，

U0 —— 表示电子称显示仪的初始数值，Ui —— 表示第i次测量时的电子称显示仪读数;

S底—— 表示模型底部面积，         S秤 —— 表示秤盘面积;

P理—— 表示用阿基米德定理计算出的理论压强（P=ρgV/S，其中V/S=h）;

hi —— 表示第i次测试到的水位值。

试验回归方程式为形如y = kx + b 式的一个性状指标与测量结果的关系。试验用所测得数据，进行计算。

2、数据采集与处理结果

通过以上方法得出水位变化对浮力的影响，初步研究分析试验数据，该数据反映了随着水位的升高，浮力逐渐增大，电子称显示器上数值越来越小。并将其绘成曲线图。

如图1所示，本试验对地下建筑物浮力进行了初步的实验和研究测试实验分析了4种地基对浮力的影响，其中粗砂（未筛分）地基中的浮力值为理论值的0.23-0.58倍，砂土（未筛分）地基中浮力为理论值的0.17-0.27倍，细砂（未筛分）地基中浮力为理论值的0.10-0.68倍，红粘土地基中的浮力值是理论值的0.06-0.13倍。由此可见，地下建筑所受到的浮力会随着地基土的不同而有所變化，它的大小与地基的孔隙率，粘聚性有关。当粘聚性相同时孔隙率越大浮力越大，当孔隙率相同时，粘聚性越小浮力越大。因此实际工程抗浮力计算中应该将建筑物的自重，地基土的实际情况及基础如侧壁摩擦力、桩基础的抗拔力等都考虑到，只有这样才能将各项材料的性能充分利用，减少浪费。

由图2可知：砂粒粒径越大，浮力的变化越平稳;砂粒粒径越小，浮力随着水位的升高变化越快。但就总体而言，同种砂由于粒径不同而造成的浮力差距不会太大。

3、结论

1、实际地基土当中地下建筑所受到的浮力小于阿基米德定理所计算出来的浮力。

2、研究出了水在部分土体中浮力值的变化规律，说明在进行地基设计时考虑土体中浮力的实际值是很有必要的。

四、创新点

不用传统的应变片，压力盒等器材，而采用改装后的电子称，既实现了远距离自动测量，使得操作简便，大大降低了劳动量;又大大地节约了研究经费，达到了试验目的。

参考文献：

[1] 孔思丽，曹小兵。土力学中几个问题的探讨 土力学教育与教学 人民交通出版社 2006年8月

[2] 代雪梅，王保中，顾平等。浮力测试装置的开发 纺织学报 第28卷 第5期 2007年5月

[3] 赵明华，愈晓，王贻荪等。无粘性土的密实度 土力学与基础工程 武汉理工大学出版社2008年 11月