真空預(yù)壓條件下地下水位測試新技術(shù)

黃　敏，余朝陽

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州　510650； 2.廣州市承信公路工程檢驗有限公司，廣州　511400)

真空預(yù)壓條件下地下水位測試新技術(shù)

黃敏1，余朝陽2

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510650； 2.廣州市承信公路工程檢驗有限公司，廣州511400)

摘要：現(xiàn)行地下水位測試方法均不能正確反映真空預(yù)壓條件下地基中的地下水位變化規(guī)律。鑒于此，先定性地分析真空預(yù)壓條件下地基中的地下水位變化規(guī)律，然后詳細地介紹一種真空預(yù)壓條件下新型地下水位測試技術(shù)，最后依托實際工程進行現(xiàn)場試驗研究。研究結(jié)果表明：1) 無論飽和土體地基還是非飽和土體地基，真空預(yù)壓期間地基中地下水位的變化規(guī)律理論上和實際上都是下降的；2) 新技術(shù)測試成本低，測試結(jié)果直觀，能正確反映真空預(yù)壓條件下地基中的地下水位變化規(guī)律，有助于正確認識真空預(yù)壓法的加固機理，并對真空預(yù)壓加固效果進行正確評價和分析。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓法；地下水位測試新技術(shù)；地下水位變化規(guī)律

地下水位測試方法的合理性和可靠性是正確分析地下水位變化規(guī)律的重要前提。目前，真空預(yù)壓工程實踐中較為常用的地下水位測試方法主要有2種，分別為敞口測壓管測試法[1-8]和閉口測壓管測試法[4-7]。其中，敞口測壓管測試法由于現(xiàn)場操作較簡便，測試結(jié)果基本能反映地下水位變化趨勢，因此目前仍然被應(yīng)用于大多數(shù)工程的施工監(jiān)測中；而對于閉口測壓管測試法而言，由于其測試結(jié)果的準確度相對較高但現(xiàn)場操作極其復(fù)雜，因此目前主要應(yīng)用于科研試驗區(qū)工程的施工監(jiān)測中。2種方法各自的不足可概括為：敞口測壓管測試法[1]的測試結(jié)果僅反映了大氣壓狀態(tài)下水位管透水管段所處深度范圍內(nèi)土層中較高超孔隙水壓力的變化情況；閉口測壓管測試法[4-7]未保證水位管內(nèi)水位以上的真空度與其周圍土層中水位以上真空度一致。如張功新法(2007)中的真空度補償裝置使水位管內(nèi)的真空度與砂墊層中的真空度一致，從而使水位管近似于1根垂直排水通道；而劉漢龍法(2009)在工程應(yīng)用時，外管在砂墊層底面以下2 m范圍內(nèi)的管段與土體不連通。因此，目前真空預(yù)壓工程實踐中地下水位測試方法的測試結(jié)果都不能完全代表真空預(yù)壓條件下的實際值。

鑒于此，本文先定性地分析真空預(yù)壓法加固地基時地下水位的變化規(guī)律，然后提出新的測試技術(shù)，并通過工程實例進行現(xiàn)場試驗研究。

1真空預(yù)壓條件下地下水位變化規(guī)律定性分析

土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相物質(zhì)(包括多種礦物成分)組成土的骨架，骨架間的空隙是相互連通的，為液相和氣相填滿；液相主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)；氣相主要是空氣、水蒸氣等[9]。當(dāng)骨架間的空隙完全被水充滿，則為飽和土；當(dāng)骨架間的空隙一部分被水占據(jù)，另一部分被氣體占據(jù)，則為非飽和土[10]。而地基中地下水位是重力水與毛細水的分界面，是靜水壓力為零的面，對土體會產(chǎn)生浮力作用[4,8]。因此，地基土體在外荷載作用下空隙中的重力水被氣體占據(jù)或氣體被重力水占據(jù)過程的外在表現(xiàn)即為地下水位發(fā)生變化。如圖1所示，對于均質(zhì)地基而言，在地下水位線1降低至地下水位線2的過程中，地下水位線1和地下水位線2之間的土體空隙中的重力水逐漸被氣體占據(jù)；而在地下水位線1上升至地下水位線3的過程中，地下水位線1和地下水位線3之間土體空隙中的氣體逐漸被重力水占據(jù)。換句話說，若均質(zhì)地基土體空隙中的重力水逐漸被氣體占據(jù)，則地下水位下降；若均質(zhì)地基土體空隙中的氣體逐漸被重力水占據(jù)，則地下水位上升。

圖1　均質(zhì)地基中地下水位變化示意

真空預(yù)壓法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土等飽和粘性土地基的加固[11]。然而，由于地基成因的不同，真空預(yù)壓地基一般都是非均質(zhì)地基，該類地基中往往夾雜著粉土、砂土等透水透氣的非飽和土層；且真空預(yù)壓過程中，地基表面的密封系統(tǒng)(若干層密封膜)和側(cè)向密封系統(tǒng)(泥漿密封墻)由于受材料質(zhì)量、施工質(zhì)量、自然環(huán)境等多方面因素的影響，很難保證被加固地基土體處于絕對真空狀態(tài)，往往致使大氣進入被加固地基土體中；另外，真空預(yù)壓期間，被加固地基土體處于負壓環(huán)境(-50～-85 kPa)中，致使地基土體空隙中的水體在真空預(yù)壓后期極易氣化。因此，這3方面因素共同導(dǎo)致地基在真空預(yù)壓加固過程中有氣體侵入，從而構(gòu)成了如下地下水位降低的充分必要條件[8]。

必要條件：進入飽和土體空隙中的氣體應(yīng)力增量大于飽和土空隙上有效應(yīng)力增量，或兩增量均為零。

充分條件：飽和土體空隙旁必須有足量的氣體。

綜上所述，無論飽和土體地基還是非飽和土體地基，即使真空預(yù)壓期間能保證密封系統(tǒng)的絕對密封性(即保證被加固地基土體處于絕對真空狀態(tài))，地下水位的變化規(guī)律理論上也都是下降的；而真空預(yù)壓工程實踐中很難保證被加固地基土體處于絕對真空狀態(tài)，故地下水位的變化規(guī)律理論上和實際上都是下降的。

2真空預(yù)壓條件下地下水位測試新技術(shù)

2.1測試裝置

本文介紹的測試裝置[12-13]主要由水位管、激光測距儀、透光片及反射片組成，如圖2所示。

圖2　新型地下水位測試裝置示意

水位管：材質(zhì)為PVC工程塑料或ABS工程塑料，直徑至少為70 mm，壁厚至少為8 mm，由居于上部的主管及居于下部的濾管同軸連接而成。濾管外壁須纏繞排水板濾膜，底部須封閉。主管與濾管的連接位置與砂土墊層底面的距離按0.5～1.0 m控制，以最大程度保證真空預(yù)壓期間水位管內(nèi)水位以上的真空度與其周圍土層中水位以上的真空度一致。

激光測距儀：為德國Leica系列手持式激光測距儀，其垂直緊貼于水位管頂端并向水位管內(nèi)的水面發(fā)射光束。

透光片：為超白玻璃，其是一種超透明低鐵玻璃，厚為6 mm，透光率可達91.5%以上，固定于水位管管頂。其目的主要有2個：一是使水位管內(nèi)腔與外界大氣隔絕；二是使激光測距儀所發(fā)射出的光束能集中透射到水位管內(nèi)的水面上。

反射片：為德國Leica系列全站儀專用的棱鏡反光片，尺寸為50 mm×50 mm。其飄浮于水位管內(nèi)的水面上，即使在光線弱的工作環(huán)境中(如水位管內(nèi))，只要有光束照射，就能顯現(xiàn)很亮的亮點。其目的主要是反射激光測距儀所發(fā)射出的光束。

2.2測試原理

該裝置是基于激光測距原理進行測試，具體測試原理為：光束以速度c在水位管管內(nèi)傳播，在管口與反射片之間往返1次所需時間為t，則兩者間的距離d為：d=ct/2。

真空預(yù)壓加固地基過程中，當(dāng)水位管管內(nèi)水位發(fā)生變化時，飄浮于水位管管內(nèi)水面上的反射片也會隨之移動，致使水位管管內(nèi)水面至管口的距離同步發(fā)生改變，從而也改變了激光測距儀的讀數(shù)，而根據(jù)讀數(shù)的變化即可精確計算出地下水位的變化值。

3現(xiàn)場對比試驗

本文以某工程為依托，對敞口測壓管測試法(簡稱“傳統(tǒng)測試法”)、閉口測壓管測試法——激光測試法(簡稱“改進法1”)以及閉口測壓管測試法——張功新法(2007)(簡稱“改進法2”)等3種方法進行現(xiàn)場對比試驗研究。

3.1依托工程土層條件

根據(jù)勘察報告及現(xiàn)場情況，依托工程被加固土層自上而下分述如下。

浮泥-流泥：灰色，飽和，流動，含少量粉砂，標高范圍約為7.40～-0.11 m，平均層厚約為7.5 m，標貫擊數(shù)為0。

淤泥：灰色，飽和，很軟，滑膩，含少量粉細砂，腐殖物，夾薄層粉細砂，含少量貝殼，具臭味，標高范圍為-0.11～-11.41 m，層厚為11.30 m，標貫擊數(shù)為0。

淤泥質(zhì)土：灰色，飽和，軟，含少量粉細砂，標高范圍為-11.41～-15.61 m，層厚為4.20 m，標貫擊數(shù)為1～10。

上部為粘性土夾砂：灰黃色，飽和，硬，以粘性土為主，夾薄層中砂，細砂，局部夾鐵質(zhì)膠結(jié)碎粒，標高范圍為-15.61～-17.71 m，層厚為2.10 m，標貫擊數(shù)為10～15。

3.2依托工程軟基加固方案

對依托工程軟基采用2種單管4排型直排式真空預(yù)壓方案進行加固，具體方案見表1。

表1　真空預(yù)壓方案

注：1.2個方案加固區(qū)域尺寸均為73 m×111 m；2.2個方案均布設(shè)了9臺真空泵；3.2個方案抽真空時間均為105 d，其中，逐級開泵時間為10 d，恒載時間為95 d。

地下水位監(jiān)測點、十字板試驗點以及靜力觸探試驗點均布設(shè)在加固區(qū)域中心點位置附近。

3.3試驗結(jié)果與分析

地下水位變化情況是直接評價地基真空預(yù)壓加固效果的重要監(jiān)測指標之一。試驗區(qū)2個方案地下水位測試結(jié)果如圖3所示。須注意的是，傳統(tǒng)測試法水位管因堵管而無法獲取相應(yīng)的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由圖3可知：

1) 傳統(tǒng)測試法與改進法兩者的測試結(jié)果相差較大。如方案2傳統(tǒng)測試法的地下水位下降值最終穩(wěn)定在9m左右，而改進法1和改進法2地下水位下降值最終分別穩(wěn)定在2.284和2.032 m。具體原因分析已在文獻[4]中闡述，在此不再贅述。

圖3　試驗區(qū)2個方案地下水位觀測曲線

2) 改進法1的測試結(jié)果比改進法2更加準確、合理。主要體現(xiàn)在以下2方面：(1) 改進法2的客觀影響因素仍然較多，如測試儀器的性能(真空表、孔壓計、孔壓頻率儀)以及水位管的彎曲變形所引起的沉降計算誤差，從而致使改進法2的測試結(jié)果偏??；(2) 改進法2抽真空前期地下水位計算結(jié)果明顯不合理，如方案1和方案2抽真空初期水位分別上升了高達3 m和1 m。

3) 方案2的固結(jié)排水效果稍優(yōu)于方案1。如圖所示的改進法1的測試結(jié)果可知，方案2的地下水位下降值最終穩(wěn)定在2.284 m，而方案1最終穩(wěn)定在1.853 m。

為了驗證上述第3條的結(jié)論，針對方案1和方案2分別選取了2個有代表性的位置進行十字板試驗和靜力觸探試驗，2個方案卸載后的十字板試驗結(jié)果和靜力觸探試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可知：

1) 測試深度范圍內(nèi)，方案1的原位抗剪強度值范圍為19.6～88.5 kPa，平均值為37.9 kPa；方案2的原位抗剪強度值范圍為23.6～96.2 kPa，平均值為39.1 kPa。

2) 測試深度范圍內(nèi)，方案1和方案2的平均比貫阻力值分別為0.69和0.74 MPa。

因此，方案2加固后地基土體的原位強度大于方案1，相應(yīng)地，方案2的加固效果也優(yōu)于方案1，從而進一步有力地驗證了改進法1的合理性。

圖4　試驗區(qū)2個方案卸載后十字板試驗結(jié)果

圖5　試驗區(qū)2個方案卸載后靜力觸探試驗結(jié)果

4結(jié)論

本文首先明確指出了現(xiàn)行地下水位測試方法的不足，其次定性分析了真空預(yù)壓法用于地基加固時地下水位的變化規(guī)律，然后詳細介紹了一種新型真空預(yù)壓條件下地下水位測試技術(shù)，最后對工程實例進行了現(xiàn)場試驗研究，并得到如下結(jié)論。

1) 傳統(tǒng)測試法測試結(jié)果反映了大氣壓狀態(tài)下水位管透水管段所處深度范圍內(nèi)土層中較高超孔隙水壓力的變化情況，而改進法2未保證水位管內(nèi)水位以上的真空度與其周圍土層中水位以上的真空度一致，因此，改進法2的測試結(jié)果不能完全代表真空預(yù)壓條件下的實際值。

2) 無論飽和土體地基還是非飽和土體地基，真空預(yù)壓期間地基中地下水位的變化規(guī)律理論上和實際上都是下降的。

3) 本文介紹的真空預(yù)壓條件下地下水位測試新技術(shù)，其測試成本低，測試結(jié)果直觀，能正確反映真空預(yù)壓條件下地基中的地下水位變化規(guī)律，有助

于正確認識真空預(yù)壓法的加固機理，以及對真空預(yù)壓加固效果進行正確的評價和分析。

參 考 文 獻

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New Technology for Test of Underground Water Level under Vacuum Preloading Conditions

HUANG Min1, YU Zhaoyang2

Abstract:The existing underground water level test methods cannot reflect the change rules of underground water level in subgrade under the vacuum preloading conditions correctly. For that reason, this paper qualitatively analyzes the change rules of underground water level in subgrade under the vacuum preloading conditions first, and then introduces a new underground water test technology under the vacuum preloading conditions in detail, and finally performs the site experimental study dependent on actual projects. The results of study show that: 1) For either saturated soil subgrade or unsaturated soil subgrade, a change rule is that underground water level in subgrade during vacuum preloading decreases in theory and practicality; 2) The test with new technology shows low cost and visual test results and can reflect the change rules of underground water level in subgrade under the vacuum preloading conditions correctly, and is helpful for correct recognition of the reinforcement mechanism of the vacuum preloading method. The paper also evaluates and analyzes the effect of vacuum preloading reinforcement in correct way.

Keywords:vacuum preloading method; new technology for test of underground water level; change rules of underground water level

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.002

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：黃敏(1976-)，女，湖南省湘鄉(xiāng)市人，本科，講師。

文章編號：1009-6477(2016)03-0006-05中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：A