真空預(yù)壓條件下地下水位現(xiàn)場試驗(yàn)研究

朱燕，陳佳佳，余湘娟

（1.南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇　南通　226007；2.江蘇南通六建建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇　南通　226500；3.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇　南京　210098）

真空預(yù)壓條件下地下水位現(xiàn)場試驗(yàn)研究

朱燕1，3，陳佳佳2，余湘娟3

（1.南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇南通226007；2.江蘇南通六建建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇南通226500；3.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京210098）

采用新型水位管法測試真空預(yù)壓條件下地下水位，通過常規(guī)水位管法和新型水位管法的現(xiàn)場對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型水位管法的可行性，并結(jié)合現(xiàn)場采集的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，探尋表面沉降、真空度和孔隙水壓力與地下水位變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)真空預(yù)壓過程中地下水位的變化規(guī)律，并對地下水位的變化機(jī)理進(jìn)行分析。

真空預(yù)壓；地下水位；新型水位管法；現(xiàn)場試驗(yàn)；變化規(guī)律

0　引言

評價真空預(yù)壓加固效果及研究其加固機(jī)理的重要依據(jù)之一是真空預(yù)壓過程中地下水位的變化情況，但眾多學(xué)者對地下水位的變化規(guī)律一直都存在著較大爭議，最根本的原因在于缺乏有效的地下水位測試方法[1]。

本次現(xiàn)場試驗(yàn)采用河海大學(xué)巖土工程研究所研發(fā)的專利技術(shù)——新型水位管裝置[2-3]對地下水位進(jìn)行測試。為了避免測試時水位管內(nèi)部與大氣相通，該測試裝置采用了獨(dú)特的雙管設(shè)計(jì)，同時，兩管之間配以磁環(huán)浮標(biāo)，可直接測量地下水位，操作簡單，測試結(jié)果直接可觀，且在測試過程中無真空壓力泄露，故采用新型水位管法測得的真空預(yù)壓條件下地下水位結(jié)果更加可信[2-3]。為了驗(yàn)證新型水位管法的可行性，本次現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了常規(guī)水位管法和新型水位管法對比試驗(yàn)，同時還對表面沉降、孔隙水壓力、真空度等進(jìn)行監(jiān)測。

1　工程概況

本次現(xiàn)場試驗(yàn)依托于京滬高速鐵路工程虹橋站動車所JHTJ-6標(biāo)段的真空預(yù)壓區(qū)項(xiàng)目。該項(xiàng)目HQGDK1+160～HQGDK1+610為真空預(yù)壓加固區(qū)，共6個區(qū)域，其中E5為這次現(xiàn)場試驗(yàn)的試驗(yàn)區(qū)，面積為1.575 5萬m2。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共設(shè)HQGDK1+220和HQGDK1+260兩個斷面進(jìn)行觀測，從4月9日開始抽真空，8月9日停止抽真空。根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，本次試驗(yàn)區(qū)地下水為孔隙潛水，較發(fā)育。E5區(qū)地下水位埋深為0.6～0.8 m（標(biāo)高為2.108～2.028 m）。加固區(qū)內(nèi)地下水主要受地表水的滲透補(bǔ)給及大氣降水的影響[4]。

2　監(jiān)測方案

本次現(xiàn)場試驗(yàn)的監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測平面布置如圖1所示。

圖1　現(xiàn)場監(jiān)測平面布置圖Fig.1　Layoutof fieldmonitoring

為了較全面地了解真空預(yù)壓條件下地下水位的變化情況及新型水位管的可行性，在斷面HQGDK1+220中間和右側(cè)各布置了1根新型水位管，在斷面HQGDK1+220左側(cè)布置了1根常規(guī)水位管。同時，常規(guī)水位管法采用的敞口式水位管長度、透水管段長度和埋設(shè)深度與新型水位管完全相同，且每個斷面上的水位管相距很近。

除地下水位監(jiān)測外，本次試驗(yàn)還進(jìn)行了表面沉降、孔隙水壓力、真空度、土壓力等的監(jiān)測。其中，表面沉降板每個斷面放置3個，共計(jì)6個；在斷面HQGDK1+220的左側(cè)埋設(shè)5個孔隙水壓力計(jì)，深度分別為3 m、6 m、9 m、12 m和15 m；在HQGDK1+220斷面埋深分別為2m、4 m、6m、8m處各布置1個真空表，共計(jì)4個。

3　對比試驗(yàn)及地下水位變化規(guī)律

地下水位監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，可以看出，在加固區(qū)內(nèi)，由新型水位管和常規(guī)水位管分別所測得的地下水位降深值偏差較大。在不考慮天氣變化、突然停電等因素的影響下，真空預(yù)壓期間新型水位管法測得的地下水位變化曲線比較平穩(wěn)，而常規(guī)水位管法測得的曲線波動較大。這是因?yàn)椴捎贸Ｒ?guī)水位管法進(jìn)行測試時，在測試過程中管口密封膜需要一直處于打開狀態(tài)，這樣水位管中的壓強(qiáng)會迅速由負(fù)壓狀態(tài)升至正常大氣壓狀態(tài)，水位管中的氣壓狀態(tài)發(fā)生改變，使得測試管內(nèi)的地下水位下降。除了地下水位的正常變化外，測試時間的長短也會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果均顯示，地下水位隨時間基本呈線性下降，且所測值與實(shí)際值誤差約為1～6 cm，但這種誤差會累加，隨著測試次數(shù)的增多而增大[7]。

圖2　地下水位變化曲線Fig.2　Change curveofgroundwater level

通過現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比分析，常規(guī)水位管法測試真空預(yù)壓條件下地下水位不符合實(shí)際情況，不能真正反映真空預(yù)壓條件下地下水位的變化情況。而新型水位管測試方法因采用了雙管設(shè)計(jì)，避免了測試過程中水位管內(nèi)部敞開，與大氣相通，真空壓力泄露，因此，所測得的真空預(yù)壓條件下的地下水位變化情況更加合理。

從現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)可以看出，加固區(qū)在抽真空之前地下水位線比較平緩，HQGDK1+220斷面中間和右邊具有相同的水位高程。在抽真空期間，HQGDK1+220中新型水位管測值最大降幅為4.578 m，最終降幅為3.930 m，而HQGDK1+220右新型水位管測值最大降幅為2.127 m，最終降幅為1.648m。在不考慮天氣變化、突然停電等干擾因素的影響下，從新型水位管測得的數(shù)據(jù)可知，在加固區(qū)內(nèi)真空預(yù)壓過程中地下水位是下降的，且在加固開始時地下水位下降比較迅速，之后處于下降相對穩(wěn)定狀態(tài)，并且加固區(qū)內(nèi)各處地下水位降深有所不同，加固區(qū)中心處地下水位降幅大于加固區(qū)邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

4　各種現(xiàn)場試驗(yàn)成果關(guān)系分析

4.1地下水位與表面沉降的關(guān)系

地下水位與表面沉降監(jiān)測結(jié)果如圖3所示，地下水位采用HQGDK1+220中新型水位管測試結(jié)果，表面沉降取HQGDK1+220中沉降板的沉降量。從圖3中可以看出，表面沉降隨地下水位降幅的增加而增大，兩者表現(xiàn)出良好的一致性，說明地下水位下降的程度對表面沉降有明顯的影響。這是因?yàn)檎婵疹A(yù)壓的加固效果主要來自于兩個方面的作用，一是地下水位下降引起的排水固結(jié)，地下水位的下降使地下水位線以上土體的重度由浮重度轉(zhuǎn)變?yōu)闈裰囟?，上覆土重增加，產(chǎn)生排水固結(jié)現(xiàn)象。二是真空滲流場引起的真空預(yù)壓[8]，地下水位的“水封”作用使得真空滲流場只能位于降低后的地下水位線以上地基土中，無法向土體深處擴(kuò)散。因此，影響真空預(yù)壓加固軟土地基效果的重要因素之一就是地下水位的下降幅度。實(shí)際工程運(yùn)用中，為達(dá)到預(yù)期的加固效果，應(yīng)在不影響周圍環(huán)境的前提下，盡量采取措施降低加固區(qū)內(nèi)的地下水位。

圖3　地下水位降幅與表面沉降關(guān)系圖Fig.3　Relationship between thedownrangeof groundw ater leveland the sur face settlem ent

4.2地下水位與真空度的關(guān)系

真空預(yù)壓法最主要是利用負(fù)壓的作用。影響加固區(qū)內(nèi)土體孔隙水壓力的變化，即地下水位的變化的關(guān)鍵因素是真空度的大小及其傳遞情況。圖4為地下水位和膜下2m處真空度變化的時程曲線，從圖中可以看出，地下水位和膜下真空度變化表現(xiàn)出較好的一致性，膜下真空度一旦出現(xiàn)波動，地下水位也隨之變化。

圖4 地下水位與真空度關(guān)系圖Fig.4　Relationship betw een the downrange of groundwater leveland the vacuum degree

在抽真空初期，膜下真空度迅速上升，7 d后穩(wěn)定在50 kPa左右，地下水位在此期間下降較快。隨后由于停電或真空泵維修等原因，膜下真空度有所波動，地下水位也隨之反應(yīng)。之后真空度恢復(fù)穩(wěn)定，地下水位也緩慢下降并趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。在真空預(yù)壓期間，地下水位隨膜下真空度變化而變化，說明膜下真空度的數(shù)值及穩(wěn)定性對地下水位的變化影響顯著。若加固區(qū)密閉性良好、豎向排水通道井阻較小，則真空度維持在較高的水平，在豎向排水體和土體中傳遞、擴(kuò)散快，沿程損失越小，最終有利于加固區(qū)內(nèi)地下水位的下降。

4.3地下水位與孔隙水壓力的關(guān)系

如圖5所示，埋深9m、12 m、15 m處的孔隙水壓力最大降幅分別為67 kPa、67 kPa、60 kPa。

圖5　地下水位與孔隙水壓力關(guān)系圖Fig.5　Relationship between the groundwater leveland the porewater pressure

真空預(yù)壓加固軟土地基時，影響預(yù)壓過程中孔隙水壓力分布與變化的主要因素有：抽真空引起的地下水位降幅和由真空度的傳遞引起的負(fù)孔隙水壓力[9]。選取本次試驗(yàn)段5月7日，埋深9m、12 m、15 m處測得的孔隙水壓力分別為25 kPa、64 kPa、29 kPa，與初始孔隙水壓力相比分別下降了61 kPa、46 kPa、43 kPa，此時地下水位降深為3.565m，所以由地下水位下降引起的孔隙水壓力消散值為35.65 kPa，由真空度傳遞引起的孔隙水壓力消散值應(yīng)為初始孔隙水壓力下降值減去35.65 kPa，分別約為25 kPa、10 kPa、7 kPa。

因真空度傳遞引起的孔隙水壓力消散相對較小，故真空預(yù)壓過程中孔隙水壓力的消散主要是由于地下水位下降引起的，說明孔隙水壓力變化受地下水位變化的影響較大。由于本次試驗(yàn)所埋設(shè)的孔隙水壓力計(jì)始終位于地下水位線以下，故上述結(jié)論也只適用于地下水位線以下土體中孔隙水壓力的消散情況。據(jù)文獻(xiàn)[10]分析，地下水位線以上土體中孔隙水壓力的變化情況與上述情況正好相反。

5　地下水位變化機(jī)理分析

本次現(xiàn)場試驗(yàn)采用了新型水位管進(jìn)行地下水位的測試，獲得了真實(shí)的真空預(yù)壓條件下地下水位的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明真空預(yù)壓期間地下水位是下降的，且加固區(qū)中心地下水位降幅高于加固區(qū)邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

真空預(yù)壓時，首先由真空泵產(chǎn)生負(fù)壓傳遞到砂墊層，將砂墊層中的水氣吸出，使得帶有大量氣泡的水被抽出。緊接著，負(fù)壓借助于塑料排水板或砂井，在整個加固區(qū)內(nèi)形成真空滲流場。真空滲流場理論[8]認(rèn)為，負(fù)壓作用首先在土體中孔隙較大處形成“真空滲流”，土體中孔隙較小處的孔隙水與較大孔隙處的“真空流體”在壓差的作用下被吸出，產(chǎn)生固結(jié)。最后，地下水在重力及水頭差的作用下，沿著砂墊層中分布的管道排出，使得加固區(qū)內(nèi)地下水位下降[11]。

在加固區(qū)中部，由于存在壓差，地基中的孔隙水向豎向排水體滲流，在水頭差和重力作用下不斷排出。對于單個豎向排水體，孔隙水補(bǔ)給來自于3個方面：一是來自于加固區(qū)下部孔隙水的補(bǔ)給；二是來自于相鄰?fù)馏w孔隙水的補(bǔ)給；三是來自于加固區(qū)邊緣孔隙水的補(bǔ)給。由于豎向滲透系數(shù)總是小于水平向滲透系數(shù)，除非豎向排水體打穿承壓水層，一般情況下，加固區(qū)下部水的補(bǔ)給可以不予考慮。而來自于相鄰?fù)馏w孔隙水的補(bǔ)給也有限，因此，孔隙水補(bǔ)給主要來自于加固區(qū)邊緣。隨著抽真空的進(jìn)行，加固區(qū)邊緣的水不斷地涌向加固區(qū)內(nèi)。但因真空預(yù)壓加固對象多為軟土層，厚度大，土體滲透系數(shù)小，故孔隙水補(bǔ)給需要一定的時間，越接近加固區(qū)中心補(bǔ)給就越困難，即孔隙水補(bǔ)給有一定的延時性。

在加固區(qū)邊界，抽真空初期，由于負(fù)壓尚未傳遞到加固區(qū)外，邊界外側(cè)地下水位無變化，邊界內(nèi)側(cè)地下水位下降幅度較小。隨著抽真空的進(jìn)行，加固區(qū)內(nèi)地下水位逐漸達(dá)到動態(tài)平衡，邊界外側(cè)孔隙水不斷涌向加固區(qū)內(nèi)，進(jìn)行滲流補(bǔ)給，使得邊界內(nèi)側(cè)地下水位降深不大。因地下水的“水封”作用，使得加固區(qū)內(nèi)側(cè)真空度無法向下傳遞，而加固區(qū)外側(cè)向內(nèi)的滲流不斷進(jìn)行，引起加固區(qū)外側(cè)地下水位下降。

總而言之，從真空預(yù)壓加固機(jī)理的角度去研究地下水位的變化，真空滲流場理論和真空負(fù)壓理論都一致認(rèn)為：在真空預(yù)壓過程中，隨著負(fù)壓在地基中的傳遞和擴(kuò)散，土體中將產(chǎn)生孔隙水壓力差，孔隙水在此壓力差的作用下被沿塑料排水板或砂井及砂墊層中的管道排出，而加固區(qū)內(nèi)的孔隙水因土體滲透系數(shù)小，補(bǔ)給時間長，使得孔隙水的排出量始終大于周圍水流的補(bǔ)給量，從而使加固區(qū)內(nèi)總體水量減小，地下水位產(chǎn)生下降。

6　結(jié)語

1）與常規(guī)水位管法的現(xiàn)場對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了河海大學(xué)研制的新型水位管法能夠滿足真空預(yù)壓條件下地下水位的測試要求，所測結(jié)果更加可信。

2）真空預(yù)壓加固初期，加固區(qū)內(nèi)地下水位下降較為顯著，之后處于相對穩(wěn)定下降狀態(tài)。因周圍地下水補(bǔ)給影響不同，加固區(qū)中心處地下水位降幅大于加固區(qū)邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

3）真空預(yù)壓期間地下水位和表面沉降變化規(guī)律一致，兩者之間存在較好的線性擬合關(guān)系；地下水位和真空度變化也表現(xiàn)出良好的一致性，一旦真空度出現(xiàn)波動，地下水位也隨之波動；孔隙水壓力同樣受地下水位變化影響顯著。

4）在真空預(yù)壓過程中，孔隙水在負(fù)壓的作用下被排出，而加固區(qū)內(nèi)的孔隙水由于土體滲透系數(shù)小，使得孔隙水的排出量始終大于周圍水流的補(bǔ)給量，從而使加固區(qū)內(nèi)總體水量減小，地下水位產(chǎn)生下降。

[1]朱燕.真空預(yù)壓條件下地下水位變化研究[D].南京：河海大學(xué)，2011. ZHU Yan.Study on groundwater level change under vacuum preloading[D].Nanjing:HohaiUniversity,2011.

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[11]陳軍紅.真空預(yù)壓加固機(jī)理與影響區(qū)域的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007. CHEN Jun-hong.Study on reinforcement mechanism and affect region ofvacuum preloading[D].Changchun:Jilin University,2007.

Field test research on groundwater level under vacuum preloading

ZHUYan1,3,CHEN Jia-jia2,YUXiang-juan3
（1.ArchitecturalEngineering InstituteofNantong VocationalUniversity,Nantong,Jiangsu 226007,China;2.Jiangsu Nantong Liujian Construction Group Co.,Ltd.,Nantong,Jiangsu 226500,China;3.Geotechnical Research Institute of HohaiUniversity, Nanjing,Jiangsu210098,China）

The new water gagemethod is used to test groundwater level under vacuum preloading.Through the contrast of conventionalwater gagemethod and new water gagemethod in the field tests,we verified the feasibility of the new water gage method.The system analysis is carried with other field collected data to understand the inner link between underground water level and surface settlement,vacuum degree and pore water pressure.The variation law of the groundwater level under vacuum preloading issummarized,and the changemechanism of thegroundwater level isanalyzed.

vacuum preloading;groundwater level;the new water gagemethod;field test;variation law

U655.544.4

B

2095-7874（2016）10-0026-05

10.7640/zggw js201610006

2016-06-28

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2008G031-C）；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015B183）

朱燕（1985— ），女，博士研究生，講師，國家注冊一級建造師，主要從事軟土地基處理、基礎(chǔ)工程施工的教學(xué)和研究。E-mail：355822025@qq.com