軟土地基孔隙水壓力監(jiān)控問題與圖解法實(shí)踐

李正凱 王帥昊

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510305； 2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

1孔隙水壓力監(jiān)控存在的問題

1.1 孔隙水壓力觀測(cè)

為防止填土速率過快造成路堤失穩(wěn)，在軟土地基上修筑高速公路時(shí)要進(jìn)行施工觀測(cè)。常采用單級(jí)孔壓系數(shù)與綜合孔壓系數(shù)控制填土速率，但控制指標(biāo)在規(guī)范中并未涉及[1]，設(shè)計(jì)圖一般定為：前者小于0.6，后者小于0.4。

根據(jù)孔隙水壓力理論，孔隙水壓力系數(shù)：

B單級(jí)=Δu/Δp。

而綜合孔隙水壓力系數(shù)：

B綜合=(Ui-U0)/∑Δpi。

其中，Δu為超孔隙水壓力增量，kPa；Δp為荷載增量，kPa；U0,Ui為初始、第i測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力，kPa；∑Δpi為累計(jì)到第i級(jí)的總荷載，kPa。

通過孔隙水壓力探頭測(cè)到的總孔隙水壓力U包括兩部分：靜水壓力h和由附加應(yīng)力(路基上填土)所引起的超孔隙水壓力u。受各種條件限制，U很方便獲得，可其余兩參數(shù)的獲取均存在問題。

1.2 靜水壓力的定義缺陷

靜水壓力h的定義為：“給定點(diǎn)與自由水位高程差引起的水壓力”[2]。但是地處坡體的穩(wěn)定滲流上的土體(如高速公路半挖半填段)，按此定義，其靜水壓力u=rωh(此處h為土體到坡體自由水位高程差)。從該土體所處重力勢(shì)與壓力勢(shì)分析，上式中土體到自由水位高程差應(yīng)是該土體的等勢(shì)線在該土體豎向垂直線上的投影h′(h′

為此，建議暫將滲流中的孔隙水壓力歸入靜水壓力范疇計(jì)算，以求結(jié)果統(tǒng)一。

1.3 靜水壓力觀測(cè)的困惑

在路基兩側(cè)邊坡設(shè)置水位觀測(cè)點(diǎn)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可推算出其對(duì)路基的浸潤(rùn)線，此后依據(jù)兩測(cè)次浸潤(rùn)線在孔壓測(cè)點(diǎn)垂直向定點(diǎn)A(如圖1所示)的變化差h以計(jì)算靜水壓力。

對(duì)于兩側(cè)處在與外界相通的河湖塘堰的路基，通過對(duì)其自由水位高程的觀測(cè)，采用上述方法決定h可行。但對(duì)于路基兩側(cè)(或一側(cè))在沒有可視的自由水位情況下，一般在路基邊坡設(shè)置地下水位觀測(cè)管(見圖2)。并且要注意將水位管埋置在遠(yuǎn)離路基應(yīng)力影響范圍外的地方。

1.4 浸潤(rùn)線的計(jì)算

浸潤(rùn)線計(jì)算公式多且繁雜；其使用邊界條件各不相同，涉及參數(shù)也多，如地基滲透系數(shù)、路基滲透系數(shù)、透水地基厚度、滲流線長(zhǎng)度、路基兩側(cè)坡比與水位等。故其是否需要用于高速公路工程性(非研究性)的路基觀測(cè)，值得商榷。

1.5 荷載增量的確定

荷載增量是計(jì)算孔隙水壓力系數(shù)的參數(shù)之一。工程性觀測(cè)多采用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的方法以確定填土厚度。目前采用的方法有兩種：松鋪計(jì)算法和壓實(shí)計(jì)算法。前者誤差往往大于后者，但取值快。在工程實(shí)踐中，建議在路基平整碾壓完成后取多點(diǎn)測(cè)量以計(jì)算荷載增量。

由于影響靜水壓力h觀測(cè)與計(jì)算的不定因素太多，最終會(huì)影響到孔隙水壓力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。目前，單純依靠現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)“很難確定孔隙水壓力值相對(duì)于靜水壓力計(jì)算值折減公式的普遍規(guī)律或適用的計(jì)算公式”[3]，并提出“具體問題具體分析”。

1.6 孔隙水壓力監(jiān)控圖解法的提出

孔隙水壓力是一種觀測(cè)方法，它有別于傳統(tǒng)的幾何變形觀測(cè)法，而是從應(yīng)力角度分析土體形變。實(shí)踐表明，孔隙水壓力觀測(cè)靈敏度遠(yuǎn)高于幾何變形觀測(cè)。當(dāng)荷載施加于軟土之上，現(xiàn)場(chǎng)可立即測(cè)得孔隙水壓力的變化情況。而沉降與位移觀測(cè)與之相比總顯得有些滯后。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因系因孔隙水排出的過程就是土體固結(jié)的過程，從外加荷載施加于土體、土體內(nèi)超孔隙水壓力增加、導(dǎo)致孔隙水排出，土體固結(jié)的過程往往需要一定的時(shí)間，因而沉降觀測(cè)資料的獲得往往要滯后孔壓一段時(shí)間。該段“時(shí)間差”對(duì)于處于臨界狀況下的路基安全將顯得格外的重要。

為尋求一個(gè)更接近真實(shí)情況、可操作性強(qiáng)的孔隙水壓力監(jiān)控新方法，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后提出孔隙水壓力監(jiān)控圖解法，并已經(jīng)過廣梧高速公路第18合同段軟基觀測(cè)工程的實(shí)踐。

2 孔隙水壓力監(jiān)控圖解法

孔隙水壓力監(jiān)控圖解法是在孔隙水壓力過程線上繪制“預(yù)警線”以控制填土速率的一種新方法。它僅需要依據(jù)孔隙水壓力曲線并在其上繪制“預(yù)警線”，反過來又以此“預(yù)警線”控制下一階段的填土速率。

2.1 “預(yù)警線”的確定

在軟土地基上施工，設(shè)計(jì)多要求填土采用“薄層輪加法”進(jìn)行分級(jí)加載施工。故可依據(jù)填土厚度的多少，確定分級(jí)加載的次數(shù)與每級(jí)加載后路基所需或能有的預(yù)壓時(shí)間。

孔隙水壓力與設(shè)置在同一斷面的沉降板同步觀測(cè)。由于首次加載大多在路基“極限填土高程”內(nèi)施工，因此可連續(xù)加載。但每層土加載厚度必須控制在25 cm以內(nèi)[1]。此外，填土速率仍按設(shè)計(jì)要求的沉降速率、位移速率與孔隙水壓力系數(shù)進(jìn)行控制。該級(jí)加載完成后，取加載期間孔隙水壓力的最高峰值點(diǎn)a作為“預(yù)警線”的“起點(diǎn)”(見圖4)。

第一級(jí)加載完成后，必須停載預(yù)壓一段時(shí)間以后再進(jìn)行下一級(jí)加載。兩者加載間隔時(shí)間不得少于10 d，以使地基有充裕的時(shí)間進(jìn)行排水固結(jié)，從而提高地基承載力以利于下一級(jí)加載。

第二級(jí)加載與第一級(jí)相同。加載完成后取本級(jí)加載過程中孔隙水壓力最高峰值點(diǎn)b作為“預(yù)警線”的“終點(diǎn)”。連接ab并延長(zhǎng)，即得本測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力監(jiān)控的“預(yù)警線”。

兩級(jí)加載完成后，觀察路基是否產(chǎn)生病害。無則用“預(yù)警線”，有則棄。

有時(shí)b點(diǎn)孔壓值不易超過a點(diǎn)孔壓值，所繪出的“預(yù)警線”斜率很小甚至呈水平狀。解決的方法除采用必要的工程措施(如疏通橫向排水體)外，也可以延長(zhǎng)預(yù)壓時(shí)間后重新進(jìn)行上述工作以確定點(diǎn)b。

2.2 “預(yù)警線”的修正

“預(yù)警線”是第一、二級(jí)加載現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的產(chǎn)物，其斜率能如實(shí)地反映出加載過程中荷載與地基承載力之間互依互漲的關(guān)系，從某種程度上也能反映出后續(xù)加載期間荷載與地基承載力之間的這一關(guān)系，但存在著數(shù)量大小的變化。為慎重起見，有必要對(duì)其予以修正。

在恒力作用下，路基承載力的提高與預(yù)壓時(shí)間成正比。因此，可按預(yù)壓時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)“預(yù)警線”進(jìn)行修正。方法是取1/2預(yù)壓時(shí)間時(shí)所測(cè)得的孔壓值作為“預(yù)警線”修正的起點(diǎn)e，并過e作原預(yù)警線的平行線ef(見圖4)即可。

2.3 “預(yù)警線”的應(yīng)用

將觀測(cè)到的孔隙水壓力值輸入電腦，觀察所測(cè)孔隙水壓力值與“預(yù)警線”間的距離：

1)倘若觀測(cè)值在“預(yù)警線”下方，表明路基荷載的增加與地基承載力提高處在相適應(yīng)的狀態(tài)之中，因此可進(jìn)行下一層土的加載，而且兩者間距較大時(shí)可以適度增大填土速率。

2)倘若接近或超過“預(yù)警線”，則表明荷載的增加已與路基承載力不相適應(yīng)，須考慮立即停止加載。

3 工程實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

某高速公路K118+250～K118+360段左側(cè)為山體，右側(cè)為軟土地基，屬典型半挖半填路段，地鉆資料揭露本區(qū)0.5 m耕作土下藏臥著8.6 m厚左右的淤泥質(zhì)粘土與亞粘土，其下為強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)砂巖。

該段采用3塊沉降板、2根位移邊樁與2支孔壓計(jì)對(duì)路基加載進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)計(jì)要求監(jiān)控指標(biāo)為：?jiǎn)渭?jí)孔壓系數(shù)小于0.6、綜合孔壓系數(shù)小于0.4、沉降每天小于10 mm、水平位移每天小于5 mm時(shí)方可進(jìn)行加載。

3.2 觀測(cè)過程

3.2.1沉降觀測(cè)

從圖3可見：土體的沉降與荷載的施加呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者反應(yīng)靈敏。曲線上明顯有多處“拐點(diǎn)”，且多發(fā)生在各級(jí)加載過程之初，符合一般規(guī)律。

3.2.2孔隙水壓力觀測(cè)

圖4為本段設(shè)置的2支孔壓計(jì)所測(cè)孔隙水壓力—時(shí)間關(guān)系曲線。孔壓計(jì)分別埋置在原地面下3 m，7 m的軟土層內(nèi)，其測(cè)孔號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)。與沉降曲線相同，孔隙水壓力與荷載呈良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者反應(yīng)相當(dāng)靈敏。

3.3 預(yù)警線的確定與修正

按孔隙水壓力監(jiān)控圖解法繪制“預(yù)警線”。在實(shí)際施工中，考慮天氣、料場(chǎng)、機(jī)械調(diào)配等諸多因素，加載往往是零星、間斷型的。這種加載導(dǎo)致孔壓增長(zhǎng)與消散反映在曲線圖上呈鋸齒狀。但只要曲線總體仍呈水平狀或下降趨勢(shì)，為簡(jiǎn)便起見，也可直接取下降曲線中點(diǎn)作為“預(yù)警線”修正的起點(diǎn)。

3.4 監(jiān)控過程

3月18日，兩孔測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力均超過了預(yù)警線。為慎重起見，同時(shí)也為了檢驗(yàn)預(yù)警線的可靠性，對(duì)當(dāng)天沉降與孔壓系數(shù)進(jìn)行計(jì)算以作比較。3月19日觀測(cè)孔隙水壓力值仍超過預(yù)警線，按常規(guī)下達(dá)了“停載通知”。3月23日發(fā)現(xiàn)該段路基邊溝內(nèi)壁產(chǎn)生裂縫，邊溝底部凸起(事后報(bào)設(shè)計(jì)院變更采取了反壓護(hù)道等工程措施)。說明此次“停載通知”下達(dá)是及時(shí)的，同時(shí)也說明采用“預(yù)警線”對(duì)加載進(jìn)行監(jiān)控的可行性。

通車后的觀測(cè)結(jié)果表明，之后采用的快速加載對(duì)路基并未產(chǎn)生任何病害，此外本工程采用孔隙水壓力圖解法控制路基加載的實(shí)踐是成功的。

4 結(jié)語

工程實(shí)踐成功說明了該圖解法的可靠性。它源于工程又用于工程，具有簡(jiǎn)單直觀可操作的特點(diǎn)，因而更能真實(shí)反映各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況，有效控制加載速率。

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