真空預(yù)壓條件下地下水位下降的影響分析

周 琦，劉漢龍，顧長(zhǎng)存

1)中交四航工程研究院有限公司，廣州510230;2)河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098

真空預(yù)壓法利用抽真空裝置將密封膜下土體中的水和空氣經(jīng)排水系統(tǒng)抽出，使土體得以排水固結(jié)，土體強(qiáng)度得到增長(zhǎng)，達(dá)到加固地基的目的［1］，其基本原理最早由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院Kjellman W教授［2］提出，目前該技術(shù)在大量軟土地基加固工程中被成功應(yīng)用.真空預(yù)壓過程中地下水位如何變化長(zhǎng)期以來存在較大分歧.有學(xué)者從真空預(yù)壓加固機(jī)理出發(fā)，認(rèn)為地下水位不會(huì)下降，但不變或上升是可能的［3-4］.然而，大量試驗(yàn)成果表明，真空預(yù)壓過程中地下水位是下降的［5-9］.因此，深入研究真空預(yù)壓過程中地下水位的變化情況，對(duì)于客觀評(píng)價(jià)真空預(yù)壓加固地基效果及進(jìn)一步研究加固機(jī)理有重要意義.此外，地下水位的變化與出水量、表面沉降、膜下真空度和孔隙水壓力等因素密切相關(guān)，研究其間的內(nèi)在聯(lián)系有利于了解地下水位變化機(jī)理.本研究在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過分析試驗(yàn)成果，研究真空預(yù)壓條件下地下水位、出水量、表面沉降、膜下真空度和孔隙水壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系，探討地下水位下降機(jī)理.

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)區(qū)位于南京濱江大道新建工程2.1標(biāo)段真空預(yù)壓加固區(qū)內(nèi).該場(chǎng)地處于長(zhǎng)江漫灘上，地層自上而下依次為:① 素填土，灰褐色，軟塑，亞黏土夾少量碎石填積，層厚0.7～5.0 m;② 亞黏土，灰色～黃灰色，軟～流塑，局部流失，層厚0.7～2.7 m;③淤泥質(zhì)亞黏土，灰色～灰褐色，流塑，局部為亞黏土，下部夾薄層亞砂土、粉砂;④亞黏土，灰色，流塑，局部為軟塑狀態(tài)，與粉細(xì)砂呈交互層，層厚1.2～7.2 m;⑤ 粉細(xì)砂，灰色，稍～中密，夾亞砂土.加固區(qū)內(nèi)地下水為淺層潛水，其中③淤泥質(zhì)亞黏土層及④亞黏土層飽含地下水，但透水性較弱，⑤ 粉細(xì)砂層含水豐富，為場(chǎng)地主要含水層.地下水位穩(wěn)定埋深在0.2～1.2 m之間，直接受大氣降水和地表水系的入滲補(bǔ)給，水位受季節(jié)性影響，水位年變化幅度為0.5～1.0 m.

場(chǎng)地內(nèi)塑料排水板深度為18 m，平面呈梅花型分布，間距1.2 m.共布置12臺(tái)射流泵，一般開8～10臺(tái)泵.2007年8月30日開始抽真空，10月16日停止抽真空，開始堆載.

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括表面沉降、分層沉降、水平位移、膜下真空度、孔隙水壓力、地下水位和出水量，實(shí)測(cè)平面布置如圖1.其中，地下水位測(cè)試方法采用河海大學(xué)巖土所開發(fā)的專利技術(shù)［10-12］，構(gòu)造示意圖如圖2，其基本工作原理是:地下水通過外管壁上進(jìn)水孔滲入與大氣隔絕的內(nèi)外管之間，此時(shí)的水位即為負(fù)壓條件下的地下水位.在兩根不同直徑且相對(duì)位置固定的內(nèi)外管之間放置的磁環(huán)浮標(biāo)浮于水面上，且能隨地下水位沿內(nèi)管上下自由浮動(dòng)，磁環(huán)浮標(biāo)的位置即可認(rèn)為是地下水表面位置，磁環(huán)浮標(biāo)的位置可通過鋼尺水位沉降儀確定，使用該方法可以測(cè)得負(fù)壓條件下真實(shí)的地下水位.出水量的測(cè)試方法是將容積266 L的塑料集水箱置于循環(huán)水箱較低一側(cè)，利用密封膜將循環(huán)水箱溢出的水引入集水箱，測(cè)量水注滿集水箱所需時(shí)間再反算出流速.其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均采用常規(guī)測(cè)試方法.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)平面布置圖Fig.1 Layout of field tests

圖2 新型地下水位測(cè)試裝置構(gòu)造示意圖Fig.2 New apparatus for measuring groundwater level

2 測(cè)試結(jié)果及分析

本研究選取加固區(qū)中心區(qū)域作為研究區(qū)域.除孔隙水壓力外，地下水位采用新型水位管NP1的測(cè)試結(jié)果，出水量取循環(huán)水箱SX6和SX7的平均出水量，表面沉降取表面沉降板BM5和BM8的平均沉降量，膜下真空度選用真空表ZK4的讀數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖3.受密封膜漏氣、停電等因素影響，抽真空初期地下水位、出水量和膜下真空度變化波動(dòng)較大.第一次長(zhǎng)時(shí)間停電(抽真空第9天)后，膜下真空度穩(wěn)定維持在－80 kPa左右，為更好說明地下水位、出水量和表面沉降之間的關(guān)系，研究時(shí)間區(qū)間以抽真空第9天作為起始點(diǎn)，直至真空預(yù)壓結(jié)束.

2.1 地下水位與出水量

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.3 Field testing results

地下水位降深和總出水量的測(cè)試結(jié)果見圖4.從圖4可見，抽真空初期隨著地下水位的快速下降，總出水量逐漸增大，兩者基本呈線性關(guān)系.隨著抽真空時(shí)間的增長(zhǎng)，地下水位下降速度放緩并趨于穩(wěn)定，但總出水量增長(zhǎng)幅度仍較大，說明加固區(qū)外地下水是不斷向加固區(qū)內(nèi)進(jìn)行滲流補(bǔ)給的.整個(gè)真空預(yù)壓期間，兩者關(guān)系可用二次多項(xiàng)式函數(shù)表示，且擬合度較好.一般工程實(shí)踐表明，真空預(yù)壓后期出水量會(huì)明顯減少，但本次真空預(yù)壓時(shí)間相對(duì)較短，未觀測(cè)到此現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間真空預(yù)壓后期地下水位降深和總出水量的關(guān)系有待進(jìn)一步研究.此外，假設(shè)加固區(qū)中心區(qū)域內(nèi)各處地下水位降深相同且同步，用總出水量除以單臺(tái)射流泵控制面積 (本研究為1 100 m2)可得該區(qū)域地下水位的平均降深.由圖4可見，利用總出水量算得的地下水位平均降深小于實(shí)測(cè)結(jié)果，與前述假設(shè)矛盾，說明真空預(yù)壓期間加固區(qū)內(nèi)各處地下水位不同.受密封溝積水和加固區(qū)周圍地下水補(bǔ)給，邊緣處地下水位高于中心處，如此會(huì)形成一個(gè)以加固區(qū)為中心的的降水漏斗，且該降水漏斗會(huì)延伸至加固區(qū)外一定范圍.

圖4 地下水位降深與總出水量關(guān)系圖Fig.4 Groundwater level lowering and outflow

2.2 地下水位與表面沉降

圖5 為地下水位降深與表面沉降關(guān)系圖.從中可見，表面沉降隨地下水位降深的增大而遞增，兩者呈線性關(guān)系，說明地下水位下降幅度對(duì)表面沉降影響明顯.文獻(xiàn)［13］認(rèn)為真空預(yù)壓情況下，土體發(fā)生排水固結(jié)的原因，包括真空滲流場(chǎng)的直接作用和地下水位下降兩方面.地下水位線以上土體較大連通孔道中形成真空滲流場(chǎng)，較小孔道中的孔隙水在壓差作用下被吸走，孔壓逐漸消散，土體有效應(yīng)力漸增，進(jìn)而發(fā)生固結(jié).同時(shí)對(duì)地下水位線以下土體，地下水位的下降會(huì)使地下水位線以上土體的容重由浮容重轉(zhuǎn)變?yōu)闈袢葜?，增加了地下水位線以下土體的上覆土重，使其發(fā)生排水固結(jié).上述兩方面作用均與地下水位的下降密切相關(guān)，地下水位下降幅度越大，真空滲流場(chǎng)作用的土體厚度就越大，地下水位以下土體增加的上覆自重應(yīng)力則越大，加固效果亦越好.因此，在評(píng)價(jià)真空預(yù)壓加固地基效果時(shí)，除了要依據(jù)表面沉降外，還要考慮地下水位的變化.工程上，在不影響周圍環(huán)境的前提下，應(yīng)采取措施盡可能降低地下水位以達(dá)到更好的加固效果.

圖5 地下水位降深與表面沉降關(guān)系圖Fig.5 Relationship between groundwater level lowering and surface settlement

2.3 地下水位與膜下真空度

對(duì)比圖3(a)和(d)可見，抽真空初期，隨著膜下砂墊層中的空氣被抽出，膜下真空度快速上升，5 d后穩(wěn)定在－80 kPa左右，期間地下水位下降較快.抽真空第9天，因供電線路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停電，膜下真空度迅速下降至－31 kPa，地下水位有所回升.重新供電后，膜下真空度短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至－80 kPa左右，之后保持相對(duì)穩(wěn)定，與此同時(shí)，地下水位快速下降，并漸趨相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).整個(gè)真空預(yù)壓期間，地下水位隨膜下真空度上下波動(dòng)，說明膜下真空度的高低對(duì)地下水位的變化影響顯著.在加固區(qū)密封良好、豎向排水通道井阻較小時(shí)，膜下真空度越高越穩(wěn)定，越有利于地下水位的下降.

2.4 地下水位與孔隙水壓力

如圖3(e)所示，除埋深15 m處的孔隙水壓力下降較小外，其余深度處的孔隙水壓力在抽真空初始階段消散很快，4 d后趨于穩(wěn)定，埋深6、9和12 m處的孔壓最大降幅分別為43、52和50 kPa.真空預(yù)壓引起地基中孔壓下降有兩個(gè)影響因素:一方面是抽真空過程中豎向排水體孔壓降低，并向周圍土體擴(kuò)散引起土體中孔壓下降;另一方面是由地下水位變化引起的［14］.本次試驗(yàn)抽真空最后一天埋深6、9和12 m處的孔壓分別為22、38和66 kPa，與初始孔壓相比分別下降了41、52和50 kPa，此時(shí)地下水位降深為3.654 m，所以因地下水位下降引起的孔壓消散值為36.54 kPa，兩者相減，得到因真空度傳遞擴(kuò)散引起的孔壓消散值分別約為4、16和14 kPa.顯而易見，真空預(yù)壓過程中孔壓的消散主要是由地下水位下降引起的，因真空度引起的孔壓消散相對(duì)較小，說明孔壓變化受地下水位下降影響顯著.但由于本次試驗(yàn)所有孔壓計(jì)始終處于地下水位以下，上述結(jié)論只適用于地下水位以下土體中孔壓消散情況.至于地下水位以上土體中孔壓的變化，據(jù)文獻(xiàn)［15］分析，情況則相反.同時(shí)，由圖3(e)還可見，孔隙水壓力下降與地下水位下降并不同步，這可能是埋設(shè)孔壓計(jì)的鉆孔距離排水板較近，對(duì)抽真空比較敏感的緣故.

2.5 出水量與表面沉降

對(duì)比圖4和圖6可見，表面沉降與總出水量之間的關(guān)系類似于地下水位降深隨總出水量的變化規(guī)律，兩者關(guān)系同樣可以用二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合.若假設(shè)加固區(qū)中心區(qū)域表面沉降一致且同步，且不考慮側(cè)向變形，利用表面沉降乘以單臺(tái)射流泵控制面積 (本研究為1 100 m2)，可以得到該區(qū)域土體因單向等應(yīng)變固結(jié)而排出的水量.從圖6可見，實(shí)測(cè)總出水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固結(jié)排水量，說明真空預(yù)壓過程中大部分出水量是在孔壓差和重力作用下被排出的重力水 (包括加固區(qū)外對(duì)加固區(qū)內(nèi)的補(bǔ)給水)，固結(jié)排水量占總出水量的比例很小.

圖6 總出水量與表面沉降關(guān)系Fig.6 Relationship between outflow and surface settlement

3 地下水位下降機(jī)理分析

從工程角度出發(fā)，真空預(yù)壓加固地基處理深度范圍內(nèi)的土層主要是淺層潛水含水層，這里討論的地下水位實(shí)際上就是潛水面.潛水面的常規(guī)定義是指在這個(gè)自由水面上的壓力水頭等于零［16］.對(duì)真空預(yù)壓而言，負(fù)壓狀態(tài)下的零壓面并非真實(shí)的地下水位，所以該定義不適用于負(fù)壓狀態(tài)［5］.本次試驗(yàn)利用新方法獲得了負(fù)壓條件下加固區(qū)內(nèi)真實(shí)地下水位的變化情況，結(jié)果表明真空預(yù)壓期間地下水位是下降的，下面簡(jiǎn)要闡述地下水位下降機(jī)理.

抽真空前，土體內(nèi)各處孔隙水和空氣處于靜止平衡狀態(tài)，不存在流動(dòng)現(xiàn)象.開始抽真空后，密封膜下砂墊層中的空氣首先被迅速抽出，在其內(nèi)部形成相對(duì)負(fù)壓，該負(fù)壓沿豎向排水體向下傳遞并向周圍土體擴(kuò)散，使豎向排水體與周圍土體之間形成孔壓差.在孔壓差作用下，土體中的孔隙水和空氣流向豎向排水體并被抽出，導(dǎo)致地下水位快速下降并開始形成降水漏斗.此外，射流泵抽出的流體為氣水混合物，表明土體中存在為氣液兩相流.地下水位的持續(xù)降低將引起兩部分水的排出，即潛水面以上部分的重力排水和以下部分的彈性釋水.由于含水層和水的壓縮性所引起的彈性貯水系數(shù)要比給水度小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以潛水含水層在孔壓差和重力作用下的排水量遠(yuǎn)大于彈性釋水量［17］.然而，軟土的低滲透性限制了孔隙水的釋放和滲流，所以孔隙水的排出需要一個(gè)過程，尤其潛水含水層的重力排水不是隨地下水位下降同時(shí)發(fā)生的，而是存在滯后現(xiàn)象，這就是真空預(yù)壓初期一定時(shí)間內(nèi)出水量較大的原因.隨著抽真空時(shí)間的延長(zhǎng)，地下水位降深不斷增大，降水漏斗在潛水含水層內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)展.當(dāng)降水漏斗擴(kuò)展到加固區(qū)邊界時(shí)，加固區(qū)內(nèi)外地下水位之間形成水頭差，在此作用下加固區(qū)外地下水會(huì)向加固區(qū)內(nèi)滲流補(bǔ)給.進(jìn)入真空預(yù)壓穩(wěn)定階段，當(dāng)側(cè)向補(bǔ)給量與出水量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，地下水位下降速度越來越緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài).

整個(gè)真空預(yù)壓過程中地下水位是下降的，地下水的運(yùn)動(dòng)屬于非穩(wěn)定滲流問題.但工程實(shí)踐表明，真空預(yù)壓穩(wěn)定階段地下水位逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，出水量也很小，此時(shí)可以近似作為穩(wěn)定滲流來研究，至于真空預(yù)壓前期宜從地下水非穩(wěn)定滲流角度出發(fā)進(jìn)行分析.

結(jié) 語

綜上研究可以得到:① 真空預(yù)壓過程中加固區(qū)內(nèi)地下水位是下降的，且各處地下水位降深不同，邊緣處地下水位高于中心處，所以會(huì)在加固區(qū)內(nèi)形成一個(gè)降水漏斗.隨著抽真空時(shí)間的延長(zhǎng)，該降水漏斗會(huì)延伸至加固區(qū)外一定范圍;② 真空預(yù)壓初期地下水位下降較快，之后下降速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，出水量和表面沉降表現(xiàn)出類似規(guī)律，三者間存在較好的函數(shù)擬合關(guān)系;③ 膜下真空度是影響地下水位變化的重要因素，地下水位下降反過來又會(huì)影響真空度在豎向排水體和土體中的傳遞和分布，進(jìn)而影響孔隙水壓力的消散;④ 真空預(yù)壓初期應(yīng)采用氣水兩相非穩(wěn)定滲流理論進(jìn)行分析，穩(wěn)定階段則可以近似作為穩(wěn)定滲流來研究.

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