梁发云， 邓 航， 姚笑青， 陈少庆

(1. 同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092;2. 杭州奔流科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

模拟分层饱和土渗流固结的教学实验装置研制

梁发云1， 邓 航1， 姚笑青1， 陈少庆2

(1. 同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092;2. 杭州奔流科技有限公司， 浙江 杭州 310013)

为了让学生能更好地理解和掌握渗流固结知识，自主设计了一种模拟饱和土渗流固结的“海绵-活塞”教学演示装置。该装置构造简单，便于携带，可模拟具有不同弹性模量的分层饱和土体的土骨架和孔隙比，从而形象地模拟其单向固结过程。结合该实验装置进行教学演示有利于学生对饱和土固结理论的直观体会和理解，有效地提升了课堂教学效果。

饱和土； 渗流固结； 海绵-活塞模型； 有效应力； 教学演示

土力学是土木工程专业重要的基础理论课,其中涉及到许多抽象的基本概念,目前教学方式主要是采用黑板板书或者PPT多媒体方式进行理论讲解,这对于刚刚接触土力学知识的学生具有很大的挑战和困难[1-3]。饱和土渗流固结问题是土力学中重要的基本概念,涉及到土体的有效应力、孔隙水压力、土体沉降量随时间变化等基本问题。为了让学生能更好地理解和掌握渗流固结知识,在教学中常将该问题抽象为弹簧-活塞模型,建立数学模型来描述土体固结过程中有效应力与孔隙水压力相互转化的关系。但目前还没有看到针对该问题进行课堂教学演示实验的文献报道,多年来的教学实践表明,学生对该问题的理解不够深入,对于渗流固结过程的认识也不够清晰。基于这一现实情况,笔者研发了用于模拟饱和土渗流固结的模型演示装置,形象地模拟饱和土的单向固结过程,帮助学生对有效应力原理和太沙基固结理论的理解和认识[4-5]。

1 实验装置

1.1 饱和土渗流固结

实际工程中,受大面积均布荷载的饱和土在无侧限状态下而发生渗流固结,为便于装置设计以及更直观地观察研究饱和土固结渗流过程,在本文装置设计中假定饱和土处于侧限状态,渗流固结和土体的变形只沿竖向发生[6-7]。

根据上述假设与简化,建立的饱和土渗流固结过程模型见图1,其中弹簧可以等效为土骨架。在附加应力作用下,可采用式(1)的数学模型来描述饱和土固结过程,以及固结过程中土体的有效应力与孔隙水压力相互转化关系。

图1 饱和土渗流固结过程模型

(1)

可将土体渗流固结过程分为如下3部分：

(2) 渗流固结过程中(0

(3) 固结完成(t=),此时荷载全部由弹簧(土骨架)承受,水不受附加力,弹簧变形稳定,有效应力等于附加应力

1.2 工作原理

图1的弹簧-活塞模型描述了饱和土的单向固结模型,但在实际模型中,由于弹簧在受压过程中不易保持同步变形,加载板可能会倾斜或失稳。经过反复试验,在装置研制中采用海绵代替弹簧来模拟土骨架。海绵不但具有刚度可替代弹簧的作用,还可吸水排水,更适合于模拟土体。

设置不同刚度的海绵模拟分层土的压缩特性,每层海绵可设置不同的劲度系数,用来模拟分层土体的单向固结情况,活塞上的小孔模拟土体孔隙中的排水条件,容器的侧壁和底部均不透水,在容器侧壁上设置测压管测量超孔隙水压力,观察孔隙水压力随时间的变化情况。本模型装置可通过改变模型的加载条件、排水条件、各层海绵劲度系数来模拟不同土体的渗流固结问题。

实验装置的设计原理如图2所示,饱和土的渗流固结就是孔隙水逐渐向外排出、孔隙体积缩小、土体逐渐被压密的过程。饱和土渗流固结的海绵-活塞模型是一个侧壁和底部均不能透水。模型在加压过程中,附加荷载由海绵与水共同承担,海绵受压将水排出,直观地模拟饱和土渗流固结过程。

图2 渗流固结海绵-活塞模型的基本原理

在该力学模型中,每一层中海绵均承受一定的骨架压力,而容器中的水则承受孔隙水压力。假定活塞与容器侧壁之间的摩擦忽略不计,当模型受到外界压强p时,这相当于土体中的附加应力。在施加荷载的瞬间,由于容器中的水还来不及向外排出,而水被认为是不可压缩的,因而各分层的海绵是没有压缩的,而附加应力全部由水来承担。经过一段时间t后,由于活塞上存在排水小孔,容器中的水受水头压力作用由下而上逐渐从顶层活塞的排水孔向外排出,导致活塞下降,海绵受压所提供的反力平衡了部分荷载,水分担的荷载相应减少。水在超静孔隙水压力作用下继续渗流,各分层的孔隙水压力继续减小,海绵继续下降,直至水中的超孔隙水压力全部消散,水不再向外排出,海绵压缩稳定,附加应力全部由海绵承担,此时固结完成。

1.3 装置设计

本实验装置主要目的是模拟分层饱和土的渗流固结,海绵-活塞装置设置在盛水容器内部,用来模拟分层土体,量测装置设置在盛水容器侧壁上用来测量静水压力[11-12]。

图3是装置的主视结构示意图,盛水容器装满水,模拟土体中的孔隙,圆筒形海绵用来模拟土骨架,容器底部不透水,侧壁采用刚度较大的钢化玻璃制成,便于学生在课堂演示教学中直接观察实验现象；加载装置为将加载砝码放置在顶层带孔活塞板上,对海绵-活塞装置施加荷载,使附加荷载施加较为均匀,加载砝码选取500 g的不锈钢砝码；测量装置由3根测压管组成,测压管固定在盛水容器外壁,测量点分别设置在每层海绵-活塞装置的中间高度,用于量测模型装置在加载状态下产生的超静孔隙水压力。

图3 实验装置正视图

加工方案见图4。整个装置采用圆筒形状,圆筒和活塞的材料采用透明有机玻璃来制作以便于学生课堂观察实验现象,圆筒的侧壁和底部要密封保证不透水。圆筒的尺寸：外直径为19 cm,厚度为5 mm,圆筒高为24 cm。活塞盖板上钻有小孔,孔径为2 mm,荷载采用多个砝码分级加载。在圆筒侧壁距顶面高分别为11、16、21 cm的位置设置测压管以量测超孔隙水压力。

2 装置测试

2.1 TJ-1型固结演示仪

图5 为海绵-活塞模型演示装置的实物图,并将该装置定名为TJ-1型固结演示仪。通过饱和土的渗透固结实验,对该装置进行系统测试。

图4 海绵-活塞模型演示装置加工图

图5 TJ-1型固结演示仪实物图

2.2 实验过程

(1) 将海绵与带孔活塞按照设计要求放入盛水容器内,向容器内倒水直至水位超过最上层海绵顶部,使海绵达到饱和状态以模拟分层饱和土。

(2) 将顶层带孔活塞放置在最上层海绵上,将砝码放置在顶层活塞上,此过程中加载情况不变。

(3) 从加载的瞬间开始观察,并记录随时间t的增加海绵被压缩情况以及测压管的水位,直至海绵不再产生压缩,测压管水位不再变化,停止实验。

2.3 实验结果

通过实验观察,在砝码加载的瞬间,测压管内水头急剧升高,高出容器内自由水面一定距离,此时海绵未被压缩,附加应力全部转化为超静孔隙水压力。随后,海绵逐渐被压缩,测压管水位随之降低,附加荷载逐渐转化为由海绵承担,即在此过程中海绵模拟的土骨架逐渐被压缩,土骨架由刚开始不受力，然后受力逐渐增大,相应地超静孔隙水压力逐渐减少。最终待海绵不再被压缩时,测压管水头已稳定,与容器内自由水位平齐。此时,超静孔隙水压力消散为零,附加荷载完全由海绵承担,固结过程完成。

经测试,实验结果较好地反映了分层饱和土体渗流固结的过程,与饱和土体一维固结过程一致,可直观地表现出有效应力、超静孔隙水压力以及附加应力三者之间关系,该固结模拟教学实验装置设计合理,可以应用于课堂教学演示。

3 结论

从实验结果看,该分层饱和土渗流固结模拟教学实验装置设计合理,实验结果较好地反映土体渗流固结过程,且与现有技术相比,本实验装置具有以下优点,可以应用于相关教学实验：

(1) 该装置设置多层海绵-活塞装置以模拟层状土体,每层海绵具有不同的劲度系数,可模拟分层土体中具有不同弹性模量的土骨架；

(2) 带孔活塞板的孔隙大小可进行调整,可模拟土体不同的孔隙比和渗流速度；

(3) 有助于帮助学生深刻理解太沙基一维固结理论,可模拟出土体的有效应力、孔隙水压力随时间变化规律,通过改变模型的排水条件、加载条件、弹簧劲度系数,该实验设备还可以提供给学生开展相关的课外科研活动。

References)

[1] 蒋海飞,谢远光,唐德兰,等. 土力学实践教学方法研究[J].教育教学论坛,2015(7):145-146.

[2] 沈扬,葛冬冬,陶明安,等. 土力学原理可视化演示模型实验系统的研究[J]. 力学与实践,2014,36(5)：663-666.

[3] 李广信,吕禾,张建红. 土力学课程中的实践教学[J]. 实验技术与管理,2006,23(12):13-14,23.

[4] 赵迪,王俊杰. 排水固结法课堂教学改革初探[J]. 大学教育,2015(6):132-134.

[5] 钟红霞. 浅谈快速固结试验教学中的难点[J]. 湖南水利水电,2007(1):100,103.

[6] 中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999 土工试验方法标准[S]. 北京：中国计划出版社,1999.

[7] 袁聚云,钱建固,张宏鸣,等. 土质学与土力学[M]. 4版. 北京：人民交通出版社,2009.

[8] 龚晓南. 高等土力学[M]. 杭州：浙江大学出版社,1999.

[9] 袁聚云,徐超,贾敏才,等. 岩土体测试技术[M]. 北京：中国水利水电出版社,2011.

[10] 陈孙文,王炳晖. 饱和土与非饱和土固结理论及有效应力原理浅谈[J]. 中国水运(学术版),2007,7(10)：104-105.

[11] 师旭超,汪稔,胡元育,等. 渗透固结试验装置的研制[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(22):3891-3895.

[12] 孙丽云,乐金朝,刘忠玉,等. 渗透固结试验装置的改进[J]. 实验力学,2010,25(3):353-358.

Development of teaching experimental device for simulating seepage consolidation of layered saturated soil

Liang Fayun1， Deng Hang1， Yao Xiaoqing1， Chen Shaoqing2

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Hangzhou Benliu Technology Co., Ltd., Hangzhou 310013, China)

In order to enable the students to understand and master the knowledge of the seepage consolidation, a kind of “sponge-piston” teaching demonstration device for simulating the consolidation of saturated soil is independently designed. This device has a simple structure, and is convenient to carry, which can be used to simulate the soil skeleton and the pore ratio of layered saturated soil with different elastic modulus. Thus, the unidirectional consolidation process is vividly simulated. Combined with the experimental device, the teaching demonstration can be carried out to help the students to get the intuitive experience and understanding of the saturated soil consolidation theory, which effectively improves the teaching effect.

saturated soil; seepage consolidation; sponge-piston model; effective stress; teaching demonstration

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.020

2016-10-15 修改日期：2016-12-03

同济大学第10期实验教学改革项目

梁发云(1976—)，男，安徽肥东，博士，教授，主要从事土力学与基础工程的教学科研工作.

E-mail：fyliang@tangji.edu.cn

TU41;G484

B

1002-4956(2017)4-0078-04