塑料排水板內(nèi)部真空壓力的現(xiàn)場測試

胡鈾，諸葛愛軍，陳智軍

（1.中海油海西寧德工業(yè)區(qū)開發(fā)有限公司，福建寧德 352100；2.天津大學建工學院，天津 300072；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

0 引言

真空預壓法機理研究成果表明，抽真空首先在膜下形成真空壓力，當土體中打設塑料排水板時，真空壓力同時在排水板中產(chǎn)生，這些邊界孔隙水壓力的降低，使土中孔隙水壓力與邊界降低的孔隙水壓力之間形成壓差和水力梯度，從而發(fā)生滲流，逐漸降低土中的孔隙水壓力，增加土體中有效應力[1]。塑料排水板在加固過程中不僅起著垂直排水通道的作用，同時也起到傳遞真空壓力的作用[2]。因此掌握真空壓力在塑料排水板內(nèi)部的傳遞規(guī)律，對于研究真空預壓機理、工程設計以及分析真空預壓的加固效果有著重要意義。

現(xiàn)行JTS147-2—2009《真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程》[3]中也指出“施工過程中可根據(jù)需要對塑料排水板內(nèi)部的真空壓力進行監(jiān)控”。

1 常用測量方法及測量結(jié)果

在工程實踐過程中，常用的塑料排水板內(nèi)部真空壓力測量有兩種方法：第一種是采用真空表觀測。測量裝置由空腔、軟管以及真空表等組成。測量過程中，在排水板上需要的位置固定一個空腔，然后通過真空軟管引出密封膜后接真空表，直接讀取真空表讀數(shù)，測量結(jié)果通常稱作“真空度”；第二種方法采用孔隙水壓力測頭觀測，通常將孔隙水壓力測頭固定在排水板上需要的位置，將導線引出密封膜后通過頻率儀觀測其變化，其觀測結(jié)果實際是“孔隙水壓力差”。上述兩種測試方法得到的觀測結(jié)果均為壓力值，但其本質(zhì)上還是有些區(qū)別，不少工程師經(jīng)常將其混淆，導致觀測結(jié)果存在較大差異。因此在利用上述兩種方法測量真空壓力前，首先要對其測量結(jié)果加以明確，對此不少學者已有一些研究。

文獻 [4]中指出真空度是用來描述真空狀態(tài)的，不應用于描述地下水位以下某處孔隙水壓力的大小。當真空度測點布置在表面砂墊層或地下水位線以上豎向排水體內(nèi)時，真空表讀數(shù)即為該處的真空度。當真空度測點位于地下水位以下時，真空度實際上是真空軟管內(nèi)氣體的壓力，而并非測點的孔隙水壓力。文獻 [5]分析了真空度與孔隙水壓力是兩個不同的概念，前者描述氣體狀態(tài)，后者描述液體狀態(tài)，在土體中某點真空表測試的真空度與測點處的孔隙水壓力差并不相同。在地下水位以上，真空度與孔水壓力差在數(shù)值上是相等的；在地下水位以下，真空表讀數(shù)與孔隙水壓力讀數(shù)的關系示意圖如圖1所示。

圖1 真空表讀數(shù)與孔隙水壓力測頭讀數(shù)關系示意圖

文獻 [5]根據(jù)氣體狀態(tài)方程和平衡方程，推導出某點真空表反映的真空度值與孔隙水壓力測頭反映的孔隙水壓力差值的理論關系式如式（1）所示。由式（1）可知，在地下水位以下，真空表讀出的真空度小于孔隙水壓力差。

式中：P0為一個標準大氣壓；Pw為孔隙水壓力測頭反映的真空度測頭位置的孔隙水壓力差，即Pw0-Pw1；Pa為真空度測頭的讀數(shù)，即P0-P1；L0為真空管內(nèi)初始氣體長度，即l0+hw。

根據(jù)上述分析結(jié)合真空預壓的加固機理，筆者認為，規(guī)范中“塑料排水板內(nèi)部真空壓力”實際上是排水板內(nèi)孔隙水壓力差，上述兩種方法理論上都能夠測量塑料排水板內(nèi)部的真空壓力，但是當測點位于地下水位以下，采用真空表觀測時，觀測結(jié)果需要進行換算。

2 現(xiàn)場測試結(jié)果

本文以現(xiàn)場工程實踐為例，介紹上述兩種方法在某工程中的應用。

2.1 工程概況

該工程位于天津港東疆港區(qū)，地基主要加固土層為淤泥（1-2）、淤泥質(zhì)黏土（2-1）、淤泥（2-2）、黏土（2-3）。這類土由于沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強度低、透水性差的特點，同時地基土在自重作用下未達到完全固結(jié)，處于欠固結(jié)狀態(tài)。本工程設計采用“直排式真空預壓”進行地基處理，要求膜下真空度穩(wěn)定保持在650mmHg以上，豎向排水通道采用塑料排水板，水平向排水通道采用工作墊層（吹填粉砂）表面鋪設水平向排水濾管并與排水板相連的方式，排水板間距為800mm，正方形布置，排水板底標高-8.0m。本工程真空壓力的傳遞過程為：真空泵→主濾管→濾管→排水板→地基土。

2.2 觀測儀器布置

為了便于對比兩種測試方法的結(jié)果，測量過程中考慮在排水板中同一位置同時布置真空表及孔隙水壓力測頭，并且在同標高的土體中布置孔隙水壓力測頭，以觀測土體中孔隙水壓力的變化情況。觀測儀器布置示意如圖2所示。

圖2 觀測儀器布置示意圖

2.3 測試結(jié)果

2.3.1 真空表測試結(jié)果

本次觀測采用普通真空表，連接管采用內(nèi)徑為6mm的塑料軟管。

根據(jù)塑料排水板中真空表的觀測結(jié)果，采用公式（1）對真空度進行修正后得到排水板內(nèi)的真空壓力，真空壓力隨時間關系如圖3所示。

圖3 不同深度真空壓力-時間關系曲線

從圖3可以看出：1）在抽真空過程中，膜下真空壓力上升很快，膜下壓力在7～10 d內(nèi)即能達到設計要求，其后基本穩(wěn)定保持在85 kPa左右；2）排水板內(nèi)真空壓力隨深度衰減較大，7.9m以下，真空壓力均小于20 kPa；3）排水板內(nèi)真空壓力波動較大，且不同深度的真空壓力相關性差。

2.3.2 孔隙水壓力測頭測試結(jié)果

2.3.2.1 初始孔隙水壓力

根據(jù)孔隙水壓力觀測結(jié)果：排水板深度范圍內(nèi)，孔隙水壓力的分布基本與靜水壓力一致，排水板內(nèi)超靜水壓力為零；土體中孔隙水壓力明顯大于靜水壓力，土體存在超靜水壓力，處于欠固結(jié)狀態(tài)。由于土體與排水板之間存在壓力差，抽真空之前地基即發(fā)生較大沉降，這一觀測結(jié)果基本與現(xiàn)場實際情況吻合。不同位置的初始孔隙水壓力隨深度變化如圖4所示。

圖4 不同位置初始孔隙水壓力-深度變化關系

2.3.2.2 排水板內(nèi)孔隙水壓力變化

在抽真空過程中，排水板內(nèi)的孔隙水壓力迅速降低。表層（0.2m位置）孔隙水壓力變化值基本與真空表測試結(jié)果一致。當真空表讀數(shù)達到85 kPa時，表層孔隙水壓力下降值為85 kPa，其后基本不變化；而其余測頭孔隙水壓力繼續(xù)降低，但降低的數(shù)值很小，且越往下，降低值越大，下部孔隙水壓力在最終孔隙水壓力的下降值為85.7～101.7 kPa。排水板內(nèi)不同深度孔隙水壓力變化隨時間關系如圖5所示，孔隙水壓力的變化值如圖6所示。

圖5 排水板內(nèi)不同深度孔隙水壓力-時間關系曲線

圖6 排水板內(nèi)不同深度孔隙水壓力差-時間關系曲線

2.3.2.3 排水板內(nèi)真空壓力變化

根據(jù)上述觀測結(jié)果，分析造成下部孔隙水壓力差較上部大的原因主要是由于加固過程中地基土的壓縮。結(jié)合沉降觀測資料，對觀測結(jié)果進行修正后，得到排水板內(nèi)真空壓力隨時間關系曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在真空恒載期間，排水板內(nèi)真空壓力值基本與膜下真空壓力變化規(guī)律一致，在本工程排水板深度范圍內(nèi)，真空壓力基本能夠穩(wěn)定在80 kPa以上。排水板內(nèi)真空壓力隨深度的變化關系如圖8所示。由圖8可以看出，排水板內(nèi)真空壓力隨深度的變化很小，說明排水板內(nèi)井阻很小。

圖7 排水板內(nèi)不同深度真空壓力-時間關系曲線

圖8 排水板內(nèi)真空壓力-深度關系曲線

2.4 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，采用兩種不同的方法，膜下真空壓力的測試結(jié)果基本一致。除膜下真空壓力外，測試結(jié)果均有較大偏差。采用真空表測量時，排水板內(nèi)真空壓力波動較大，且測試結(jié)果小于采用孔隙水壓力測頭的測量結(jié)果。分析造成上述現(xiàn)象的主要原因為：1）采用真空表測量時，塑料軟管極易發(fā)生彎折，導致真空管截面面積的變化，影響測試結(jié)果；2）真空管的內(nèi)徑僅為6mm，抽真空過程中極易發(fā)生堵塞，導致測試結(jié)果偏小，甚至為零。

采用孔隙水壓力測頭測試的結(jié)果規(guī)律較好，排水板內(nèi)的真空壓力變化基本與膜下真空壓力變化規(guī)律一致。

3 結(jié)語

1）由于真空度和孔隙水壓力是兩個不同的概念，前者描述氣體狀態(tài)，后者描述液體狀態(tài)，土體中真空表測試的真空度與測點處的孔隙水壓力差并不相同。根據(jù)真空預壓的機理，規(guī)范中排水板內(nèi)真空壓力應理解為孔隙水壓力差。

2）理論上講無論采用哪種方法均能夠測試排水板內(nèi)真空壓力，但是實際測量過程中，受諸多因素的影響，采用真空表測量時測量結(jié)果波動較大，且結(jié)果偏差較大。

3）采用孔隙水壓力測頭測試排水板中真空壓力時需要根據(jù)沉降資料對測試結(jié)果進行修正才能得到理想結(jié)果。

4）根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，采用直排式真空預壓工藝時，真空壓力在排水板內(nèi)的損失較小，排水板內(nèi)真空壓力沿深度近似呈矩形分布。

[1] 陳環(huán).真空預壓法機理研究十年[J].港口工程，1994（4）：17-25.

[2] 婁炎.垂直排水通道對真空排水預壓加固效果的影響[J].公路，2003，6（6）：92-95.

[3] JTS147-2—2009，真空預壓加固軟土地基技術規(guī)程[S].

[4] 岑仰潤，俞建霖，龔曉南.真空排水預壓工程中真空度的現(xiàn)場測試與分析[J].巖土力學，2003，8（4）：111-113.

[5] 張功新，莫海鴻，董志良，等.真空預壓中真空度與孔隙水壓力的關系分析[J].巖土力學，2005（12）：84-87.