真空預(yù)壓地下水位變化及測試方法

陳富，張健

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津　300222）

真空預(yù)壓地下水位變化及測試方法

陳富，張健

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津300222）

真空預(yù)壓法在處理深厚軟弱黏土方面有著獨特的優(yōu)勢，根據(jù)真空預(yù)壓排水固結(jié)機理分析，地下水位的定義是靜水壓力為零的液面，與超靜孔隙水壓力無關(guān)。真空預(yù)壓地下水位測量結(jié)果排除真空預(yù)壓超靜水壓力對地下水位的影響，才能得到真正的地下水位。針對敞口式地下水位測量方法的不足，介紹了“一種防止地表水沿水位管外空隙下滲的裝置”專利，并比較分析了3種密閉式地下水位測量方法。各真空預(yù)壓地下水位測量方法需要解決不同土層通過水位管相互連通問題，而且需要排除殘留水膜導(dǎo)電對于地下水位測量的干擾。

真空預(yù)壓；地下水位；測量裝置；負壓；靜水壓力

0　引言

真空預(yù)壓發(fā)明以來，對于真空預(yù)壓期間地下水位變化就一直是研究的熱點，研究真空預(yù)壓地下水位的變化對于弄清真空預(yù)壓加固機理有很大幫助。一方面涉及到對于真空預(yù)壓地下水位的定義，另一方面也需要對新型真空預(yù)壓地下水位觀測裝置進行研究開發(fā)[1]。

本文在真空預(yù)壓固結(jié)機理的基礎(chǔ)上，明確了真空預(yù)壓地下水位定義，并通過試驗驗證了真空預(yù)壓期間地下水位保持不變，最后分析了各類新型地下水位觀測裝置的性能及其測量結(jié)果的準確性。

1　真空預(yù)壓固結(jié)機理簡介

真空預(yù)壓加固機理為土體中總應(yīng)力保持不變，真空度通過土中孔隙水壓力下降使有效應(yīng)力增加從而加固土體[2]。真空預(yù)壓工藝見圖1。

圖1　真空預(yù)壓工藝剖面圖Fig.1　Profile of vacuum preloading process

抽真空開始很短時間，真空度由射流泵沿封閉管路—膜下—塑料排水板進行傳遞，位于塑料排水板處的A點的超靜孔隙水壓力迅速降低，位于塑料排水板之間的B點由于土體的阻隔作用，孔隙水壓力還未開始降低。因此A、B兩點之間存在著壓差，而且存在排水面（塑料排水板），土體孔隙中水和氣在此負壓梯度的作用下發(fā)生由土體—塑料排水板—砂墊層—射流泵的排水固結(jié)，從而使土體有效應(yīng)力提高，完成地基加固。

考慮到豎向排水距離遠大于水平向排水距離（即大約塑料排水板間距的1/2），而且由于待處理地基土尤其是吹填土存在水平沉積層理，水平向固結(jié)系數(shù)大于豎向固結(jié)系數(shù)，因此深厚軟黏土的綜合固結(jié)度主要受水平固結(jié)度影響，豎向固結(jié)度的影響基本可以忽略不計。

真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓只是在邊界條件上有所不同，在土力學中的基本變化規(guī)律是一致的，所以可以采用等量荷載法進行計算，但必須在兩者某些差異方面進行修正[3]。

2　真空預(yù)壓地下水位

2.1真空預(yù)壓地下水位定義

對于真空預(yù)壓期間地下水位變化，目前持有上升、下降、不變這三種觀點的人都有。一方面是由于不同學者對于地下水位有不同的定義，另一方面是因為真空預(yù)壓地下水位測量方法的局限性，導(dǎo)致各個真空預(yù)壓工程的地下水位測量結(jié)果比較混亂，缺少規(guī)律性。

對地下水位的變化規(guī)律解釋不清，使設(shè)計和檢測單位對于真空預(yù)壓過程中地下水位的觀測不夠重視，甚至減少布設(shè)地下水位測量點。因此對于地下水位的變化研究非常重要，這首先關(guān)系到真空預(yù)壓加固機理的正確理解，另一方面也與真空預(yù)壓加固深度密切相關(guān)[1-3]。

高志義[1]系統(tǒng)分析了目前真空預(yù)壓地下水位的三種定義，指出以靜水壓力為零的線（面）作為地下水位線（面），是符合真實地下水位線的。

無論堆載預(yù)壓還是真空預(yù)壓，固結(jié)過程只受超靜孔隙水壓力影響，與靜水壓力無關(guān)。整個加固過程中，因為超靜孔隙水壓力會不斷變化，因此測量得到的總孔隙水壓力會不斷變化，根據(jù)圖1所示的水平向固結(jié)可知，整個固結(jié)過程是孔隙水在超靜孔隙水壓力的壓差作用下水平滲流到排水板的過程，從孔隙水壓力中將靜水壓力單獨分離出來，則整個過程靜水壓力不會發(fā)生變化，地下水位保持不變。

現(xiàn)有的敞口式地下水位管測試方法因為存在負壓影響，所以現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果得出的地下水位變化是下降的，因此造成了技術(shù)人員對于地下水位不變的結(jié)論的困惑。筆者認為真空預(yù)壓地下水位的測量結(jié)果缺少規(guī)律性是因為沒有排除真空預(yù)壓超靜水壓力（負壓）對于地下水位測量的影響。近年來有學者發(fā)明的非敞口管式測試儀器的地下水位測試結(jié)果，說明真空預(yù)壓過程中地下水位基本保持不變[3]。

2.2真空預(yù)壓地下水位測試方法分析

測試方法對于地下水位結(jié)果有著顯著影響，研究分析地下水位測量數(shù)據(jù)必須注意其測試方法，排除相應(yīng)干擾因素后才能確保測量結(jié)果的準確性?，F(xiàn)對現(xiàn)場采用的地下水位測試方法進行總結(jié)并分析其優(yōu)缺點。

加固區(qū)外地下水位管測量一般采用敞口式水位管，水位管埋設(shè)深度為地表下7～10 m[4]，各家監(jiān)測單位的水位管打孔濾管段布置不盡相同，有的監(jiān)測單位地表之下水位管全部打孔并纏濾布，有的只在最下面一段打孔并纏濾布。地基處理過程中，將水位計測頭下放到液面處，液面連通兩個電極則儀器發(fā)出蜂鳴聲，通過測頭后端連接的塑料尺可以讀出地下水位埋深，進而通過測量孔口標高可以算出地下水位標高。

筆者在敞口式水位管現(xiàn)場測試過程中發(fā)現(xiàn)，當水位計提出水面之后仍然蜂鳴，主要原因是測頭金屬表面殘留的水膜依然能夠?qū)щ?，影響了地下水位測量結(jié)果的準確性。

同時，真空預(yù)壓加固期間進行一定量的膜上覆水，因此要在加固區(qū)周邊修筑圍堰，加固區(qū)周邊的水位管地表以上部分管段將不可避免地被膜上覆水淹沒，地表水將沿水位管外空隙下滲，影響地下水水位。尤其地下水位測量過程中由于水位尺線纜拉拽引起水位管少量晃動，將進一步增大水位管外的空隙，地表水下滲量會更大，對地下水水位的影響將更大，造成地下水水位測量結(jié)果偏高。這種現(xiàn)象在黃驊港若干個真空預(yù)壓實際工程中都有發(fā)生，影響到地下水位測量的準確性。

本單位發(fā)明的“一種防止地表水沿水位管外空隙下滲的裝置”能夠有效解決這一問題，該實用新型專利的主要原理見圖2[5]。

圖2　一種防止地表水沿水位管外空隙下滲的裝置原理圖Fig.2　Schematic diagram of a device to prevent surface water infiltration along outer wall face of water level tube

鉆孔埋設(shè)完水位管之后，向鉆孔內(nèi)回填土至稍高于地表，待回填土自密實后，把外套管套在水位管上，并將外套管向下壓入鉆孔內(nèi)的回填土中。由于外套管的擠入效應(yīng)，一部分回填土會填充在水位管與外套管之間并被擠密，外套管外的回填土也會被擠密，可以防止地表水沿水位管外空隙下滲。同時外套管可以保護水位管免遭破壞。本發(fā)明簡單可靠，能夠保證水位管周圍存在地表水的情況下地下水位測量的準確性和可靠性。

敞口式水位管測量結(jié)果表明真空預(yù)壓期間加固區(qū)外地下水位是下降的，一般認為形成一個漏斗狀。但不同真空預(yù)壓加固區(qū)外觀測的地下水位下降幅度相差較大[4]。

筆者認為，該地下水位下降的測量結(jié)果只是表征的總壓力，沒有排除超靜孔隙水壓力（負壓）的影響，不能代表真正的地下水位。真空預(yù)壓加固區(qū)外的土體同樣受到真空預(yù)壓區(qū)內(nèi)負壓的影響。在壓差的作用下，加固區(qū)外的相應(yīng)土層發(fā)生向加固區(qū)內(nèi)塑料排水板的排水固結(jié)，孔隙水壓力也會不斷減小。靠近加固區(qū)的點由于排水距離近，相同時間內(nèi)固結(jié)度高，孔隙水壓力最小，因此靠近加固區(qū)的水位管觀測到地下水位下降幅度大，而加固區(qū)稍遠的水位管地下水位下降幅度小，從而形成加固區(qū)外地下水位呈漏斗形。

真空加固區(qū)四周的影響區(qū)地面發(fā)生的較大沉降變形進一步證實了加固區(qū)外土體會受到區(qū)內(nèi)負壓影響發(fā)生排水固結(jié)，因此要想獲得靜水壓力為零的液面就必須同時測量該點的超靜孔隙水壓力（負壓），進而用總壓力減去超靜孔隙水壓力（負壓）才能得到靜水壓力，修正后地下水位保持不變。

由于存在密封膜的問題，目前真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)的地下水位測量要比加固區(qū)外地下水位測量復(fù)雜一些。敞口式水位管打開水位蓋后瞬間外界正常大氣壓將迅速影響水位管內(nèi)的負壓，地下水位液面也隨之快速發(fā)生變化，因此敞口式水位管地下水位觀測結(jié)果不準確，基于這些地下水位測量結(jié)果的相關(guān)分析也必然缺乏說服力。

因此必須采用密閉測量的方式才能避免敞口式的局限性，密閉式地下水位測量方法主要有以下3種。

高志義[6]進行的真空預(yù)壓離心模型試驗中利用鉭絲測量地下水位，在模型中部設(shè)置1個自制的水位觀測井，采用銅管中裝1條鉭絲，將電容變化引起的電流輸出經(jīng)放大后輸至光線示波器，記錄相應(yīng)的水位變化。

張功新[7]、劉漢龍[8]等提出了真空預(yù)壓地下水位測試的新方法，其主要原理是同時測量膜下真空度和膜下封閉的水位管內(nèi)浮標水位或孔隙水壓力，通過兩者來反推真空預(yù)壓地下水位的變化。新方法改變了水位管的濾管長度，在砂墊層2 m以下水位管均打孔外包濾布形成較長的濾管段，認為實測地下水位降深是濾管段各點水位降深的平均值[8]。

對于真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)的各密閉水位管測量地下水位可以通過一個例子進行進一步的解釋說明，土層分布及水位管埋設(shè)具體見圖3。

圖3　水位管埋設(shè)示意圖Fig.3　Schematic layout of water level tubes

真空預(yù)壓加固區(qū)自上而下存在淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土3個不同土層，A、B、C三點分別位于上述3個土層中，并且位于塑料排水板的中間位置。淤泥、粉土、粉質(zhì)黏土3個土層的固結(jié)系數(shù)不同，粉土最大，粉質(zhì)黏土次之，淤泥最小。因此3個土層的固結(jié)速率也不同，粉土最快，淤泥最慢，必然存在著超靜孔隙水壓力uB

真空預(yù)壓不同土層的水平向固結(jié)速率不同且互不影響，所以各個土層超靜水壓力也不同。采用水位管測量地下水位的結(jié)果與水位管插入深度及其深度范圍內(nèi)的土層分布有關(guān)。如果打孔段范圍內(nèi)土層一致，得到結(jié)果較為真實。如果打孔段范圍內(nèi)土層差異較大，則可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。

筆者認為，上述地下水位測量方法均存在上述圖3中A、B、C三點的相互連通問題，打孔段孔隙水在超靜孔壓壓差作用下不斷滲流，其測量結(jié)果并不能代表真正的真空預(yù)壓地下水位。

用電測式孔隙水壓力計測量土體內(nèi)孔隙水壓力變化值，來反推地下水位變化是否合適呢？如果在A、B、C三點分別布設(shè)測頭，雖然不存在A、B、C三點相互連通的問題，避免了三點之間的孔隙水流動及孔隙水壓力的相互干擾。3個測頭的總孔隙水壓力下降值不同，必將推算出3個地下水位下降值，這顯然與實際矛盾。因此要得出正確的地下水位，必須將孔隙水壓力計測量的總孔隙水壓力分離成靜水壓力和超靜水壓力，從而找到靜水壓力為0的液面。在實際工程中，由于不同土質(zhì)真空預(yù)壓固結(jié)速率的差異，再加上新近吹填土加固前因為欠固結(jié)就存在一定的超靜水壓力，因此很難從真空預(yù)壓的總孔隙水壓力中定量分離出超靜水壓力，因而也很難確定出真正的地下水位。筆者認為，真空預(yù)壓過程中測頭的孔隙水壓力減小只適合表征各個土層的超靜孔隙水壓力的消散過程，不適合用來推算真空預(yù)壓地下水位。

為了避免上述地下水位測量方法的局限性，高志義提出采用棒狀水位測試儀進行地下水位觀測[1]，該測試儀采用在蛇形管上按5 cm間距布置電極并用導(dǎo)線引出，蛇形管內(nèi)灌密封材料硅膠阻止上下土層的相互連通。將蛇形管埋設(shè)后用水位接收儀連接相鄰兩條導(dǎo)線，通則表明有地下水，不通則表明無地下水。通與不通的分界線即為地下水位線。該方法屬于直接測量方法，同時避免了上述水位管內(nèi)上下貫通的問題，可以得到真實的地下水位。但需要注意土體中溶解鹽可能會導(dǎo)致地下水位降低后水位線以上的土體同樣導(dǎo)電，發(fā)生與上文所述的提出水面后敞口式電極式水位計測頭殘留水膜仍然連通導(dǎo)電的問題，造成測量結(jié)果不靈敏甚至失真，所以該棒狀水位測試儀現(xiàn)場適用性有待進一步驗證。

3　結(jié)語

本文結(jié)合真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，分析了真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi)外地下水位的變化規(guī)律及相應(yīng)的測試方法，便于設(shè)計施工人員更好地理解和應(yīng)用真空預(yù)壓法。本文的結(jié)論如下：

1）根據(jù)真空預(yù)壓排水固結(jié)機理分析，地下水位的定義為靜水壓力為零的液面，與超靜孔隙水壓力無關(guān)。

2）真空預(yù)壓地下水位測量結(jié)果排除真空預(yù)壓超靜水壓力對地下水位的影響，才能得到真正的地下水位。

3）各地下水位測量方法需要解決不同土層的相互連通問題，而且需要排除可能存在的殘留水膜導(dǎo)電對于地下水位測量的干擾。

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Change of ground water level in vacuum preloading and testing methods

CHEN Fu,ZHANG Jian
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Ministry of Transport, Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin Harbor Engineering Quality Testing Center Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Vacuum preloading method has a unique advantage especially in treatment of deep soft clay.According to the analysis of consolidation mechanism of vacuum preloading,ground water level is defined to be the zero hydrostatic pressure level and has nothing to do with the excess pore water pressure.In order to get the true ground water level,the effect of super hydrostatic pressure in vacuum preloading on ground water level must be removed in the ground water level survey.To overcome the shortcomings of the open type ground water level measuring method,a patent named a device to prevent surface water infiltration through the outer space of the pipe is introduced,and three kinds of closed ground water level measuring methods are compared and analyzed.The ground water level measuring methods in vacuum preloading need to solve the problem of interconnecting of different layers through water level tubes,and also need to remove the interference of residual water conductivity to ground water level measuring.

vacuum preloading;underground water level;measuring device;negative pressure;hydrostatic pressure

TU472.33

A

2095-7874（2016）09-0037-05

10.7640/zggwjs201609009

2016-04-01

2016-06-28

陳富（1986— ），男，山東青島市人，碩士，工程師，主要從事巖土工程地基處理等方面的工作。E-mail：chenfu@tpei.com.cn