真空荷载的几种表述及其应用

仲彦，赵岩，尹长权*

（1.中海油天津液化天然气有限责任公司，天津 300452；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

真空预压是通过抽真空作用，不断排出土中的水和气，降低土中孔隙水压力，提高土体有效应力，从而达到提高土体强度的地基处理方法。真空预压顾名思义，是以真空作为预压荷载进行排水固结加固的。因此，真空预压中，对真空荷载的监控是保证加固质量的关键。在传统的真空预压加固中，常常进行泵上真空度、膜下真空度等项目的监测。传统的真空预压需铺设砂垫层、覆上密封膜，近些年来，又出现了直排式真空预压、自密封真空预压等新技术。伴随着新技术的发展，出于不同的需求，又出现了排水板内真空度、土中真空度等监测项目。随着这些新监测项目的出现，出现了多种类似于真空度的名词用于对真空荷载进行表述。这些名词有的表述上相似但意义不同，有的字面上虽不同，但意义却又一样[1-5]。总体说来，这些关于真空荷载的名词表述比较多，有时让工程技术人员无所适从，比如何时称真空度、何时称真空压力，又该采用何种手段来测量真空度和真空压力。清晰的概念对于工程技术人员来说其重要性不言而喻。本文将目前真空预压加固中常用到的真空荷载的几种表述方式进行分析，并对其应用进行讨论。

1 真空荷载的几种表述

1.1 真空度

“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。真空度是表示气体分子稀薄程度的物理量。真空度愈高，压强愈低，故用气体压强表示真空度。由于大气压力几乎无处不在，在工程实践中，大家关心的往往不是某处压力的绝对值，而只是关心其相对大气压力的数值。因此，真空度常常比绝对压力应用起来更方便。真空度通常定义为：

式中：Pv为真空度；Pabs为测点绝对压力；Pa为大气压力。

真空最早是用以表示气体压力的概念，因此，也有学者认为其只适用于气体，而不适用于液体。但从真空预压多年的实践来看，真空度的概念早已推广至气体液体混合物甚至是液体。在真空预压中，真空度仅仅是一个表示压力低于大气压力的数值。比如真空预压监测中的膜下真空度监测，很难说膜下真空度是一个纯气体的指标。因为在砂垫层中，水和气体是一直都同时存在的，没有只有气体的状态。

1.2 负压

负压只是用于表征压力的大小，并无特别说明是液体压力还是气体压力，因此其应用对象可为液体或气体，这点并无争议。

所谓负压，并不是指压力的绝对数值是负值，而是相对于大气压力而言。当压力大于大气压力时，称为正压；当压力小于大气压力时，称为负压，从这个意义上讲，在真空预压中，真空度与负压表述的意思是一样的。负压定义如下：

式中:Pn为负压；Pabs为测点绝对压力；Pa为大气压力。根据其定义，不难看出，真空度是一种特殊的负压。

当根据式（2）算出值为正值时，成为正压。

在真空预压中，孔隙水压力实际上就是用的负压或正压的概念。孔隙水压力传感器是在一个大气压力下进行标定的，当传感器所受压力为大气压力时，传感器读数为零。因此，通常测量得到的孔隙水压力其实是个相对值，例如读数50 kPa说明该点的孔隙水压力高于大气压力50kPa，而不是说绝对压力是50kPa。

1.3 真空压力

关于真空压力的含义，也有称真空压力是绝对压力低于大气压时，绝对压力与大气压力之差。显然，如果按这种说法，真空压力与真空度是一个概念，但这是不合适的。因为在真空预压中，真空压力大多数情况下并不是这个含义。真空预压中，真空压力是指由于抽真空而产生的土体固结压力。比如，在研究真空预压加固效果时，通常会考虑“真空压力”的传递或损失。显然这个概念不是与真空度相同的概念。因为真空度的参考原点是大气压力，若真空压力等同于真空度，则10m水深以下，真空压力就消失了，也就没有加固效果了，但事实上，真空预压的加固深度远大于10m。

实际上，按照真空预压加固机理，真空压力可定义为指某处的压力低于该处静水压力的数值。负压或真空度的参照点是大气压力，而真空压力的参照点是静水压力。

真空压力的定义如下：

式中：Pvc为真空压力；P为以孔压计等传感器得到的测点实测压力值；Phw为测点抽真空前的静水压力。

笔者认为真空压力是比真空度或负压更为重要的概念。以正常固结土的真空预压加固过程为例，通过抽真空作用，使土中水与砂垫层和排水板里的水形成水压力差，在此压力差的作用下，水不断从土向排水板和砂垫层发生渗漏，从而降低孔隙水压力，提高有效应力，增加土体强度。真空预压的排水主要是水平排水。水平排水的压力差正是真空压力，此压力差也是真空预压加固中孔隙水压力降低的最大幅度即土体有效应力增长的最大幅度（本文不考虑水位升降）。因此，真空压力是真空预压的最大有效固结压力，具有非常重要的意义。

2 几种表述的应用范围

对于真空荷载的表述有多种说法或名词，按当前主流的说法，主要有真空度和真空压力两种说法，因此本文就这两种说法进行讨论。

传统的真空预压加固监测中，对膜下真空度和泵上真空度进行监测。建议继续沿用这一说法，原因之一是长期以来一直采用此概念，工程技术人员已经熟练掌握；原因之二是膜下或泵上真空荷载的媒介主要是气体，采用真空度的概念不会有太大的争议。

随着真空预压技术的发展，出现了直排式真空预压等技术，这些技术最大的亮点在于提高了真空荷载的效率，即通常所说的提高了排水板内的真空度或真空压力。笔者认为，排水板或土体内谈真空度是值得商榷的。首先，排水板内或土体内真空荷载的媒介主要是水，即使有空气也是少量的，因此，采用真空度的说法在概念上有较大的争议。另外，如前所述，真空度的参考点是大气压力，其数值大小并不说明真空预压有效固结压力的大小；而真空压力的参考点是静水压力，其大小直接表征真空预压有效固结压力，显然具有更重要的工程意义。图1体现了不同概念下排水板中真空荷载的分布情况。

图1 几种真空荷载沿深度分布Fig.1 Distribution of somekindsof vacuum load with depth

如图1所示，在地下水位线以上，排水板中真空度（或实测压力）与真空压力重合，其沿深度的衰减只是由井阻引起。在地下水位以下，真空度（或实测压力）受静水压力的影响，衰减很快，在地下水位以下10 m左右衰减到零值。而真空压力的参考点是该点的静水压力，因此其衰减只是受井阻的影响，可以传递到地基的更深处，这与真空预压的实际加固效果也吻合。

因此，在真空预压中，对密封膜下和真空泵上的情况，宜称真空度；对排水板或土体内，则宜称真空压力。

3 真空荷载的测量

3.1 真空度的测量

真空度的测量主要在密封膜下或真空泵上。一般采用真空表接导气管的方式，通常在导气管的端头设置多孔PVC管再外包无纺布，在增大通气效果的同时防止杂质进入测量系统，本文称此种方式为真空表法。真空表法已经沿用多年，使用经验丰富且效果好，应继续采用。这种方式最大的好处就是测量结果非常直观，有利于实时控制施工质量，缺点就是精度较差。在某些特殊的条件下，可能需要了解真空度在水平排水垫层的分布情况，此时可以考虑采用精度更高的孔隙水压力计来测量真空度，称这种方式为孔压计法。

3.2 真空压力的测量

真空压力的测量主要在土体中或排水板中。目前常见的真空压力测量手段也是上述测量真空度的两种手段，下面进行讨论。

对真空表法，其测量原理见图2。岑仰润等认为此种方式适用于地下水位以上的真空压力（或孔隙水压力）的测试，不适用于测量地下水位以下的真空压力（或孔隙水压力），但没有对不适用的原因进行详细分析[1]。王业荣等基于气体状态方程和导气管内水柱的压力平衡，得到真空压力与真空表读数的关系方程，认为真空表法可以用于地下水位以下，但只能用于真空表有读数（即必须存在负压的情况），且导气管内空气对精度的影响很大，真空表使用过程中不得拆卸[2]。张功新等认为真空表法适用于地下水位以上，地下水位以下由于土层压缩和导气管可能发生弯折的原因，不宜采用[3]。

图2 真空表测真空压力的原理Fig.2 Principleof measuring thevacuum pressureby vacuum gauge

真空表法适用于对地下水位以上测点的真空压力测试，不需要换算，这点似乎没有争论。

对地下水位以下位置，需通过真空表读数、导气管内气体状态方程和水柱的平衡条件来推算测点孔压值，也得到了相对严密的理论换算公式，似乎真空表法已经能测任意位置的真空压力了。但笔者认为，真空表法应用于真空预压中真空压力的测量，除文献 [2]和文献 [3]列举的问题外，此方法还有很多其他问题，简要分析如下：

从真空表法的原理不难看出，此方法的关键是满足气体状态方程的应用条件，也就是对导气管内空气状态要实现精确把握。既有研究中采用的气体状态方程的前提条件是温度不变和质量守恒。由于导气管位于地下，温度变化引起的误差相对较小可以忽略，但气体质量和压力是关键。

若真空表在埋设导气管之前安装，理论上导气管内空气体积为导气管容积，压力可为大气压力。但实际操作中无法保证埋设过程中空气不从管中溢出至土中，这样管内空气质量就不守恒了，气体状态方程就不成立了。另外，即使保证空气不溢出，这种方式在埋设完毕后抽真空前，由于地层深处的压力大于大气压，必然有水从土中被压至管内，也就是说管内空气必然被压缩至正压状态。在抽真空后，孔压下降幅度可能不足以使管内空气呈现负压，也就是说真空表可能读不出数据，从而无法测量，这可能也是文献 [2]中提到某些情况下真空表无读数的原因之一。

若真空表在埋设导气管之后安装，则必须有充分长的时间间歇，待管内水位线与地下水位线一致后方能安装真空表。但导气管仅端头开孔，沿长度方向都是封闭的，因此，管内外水位线一致需要的时间实际上较长，而且也没有合适的手段来检测是否管内外水位达到了一致。若管内外水位线不一致，一则无法确定管内气体的初始体积，二则会由于土中水压入管内导致管内气体初始压力出现正压，进而可能导致抽真空后真空表无读数。

另外，如文献 [3]所述，对于导气管内无水柱的情况，真空表读数与孔压是一致的，无需换算，这样似乎可以通过测量中在真空表位置放气来消除管内水柱，这样就能测孔压进而推算真空压力了。对测排水板内真空压力情况，这个很好实现，而土体中由于真空压力小，不易把水柱完全消除。即使能完全消除水柱，这样做会因为放气而破坏了测点原有的压力状态，测量值就不是工程感兴趣的状态的数值了，这样的测量也就失去了意义。

总之，仅从原理和可操作性上讲，真空表法对地下水位以上位置合适，对地下水位以下不合适。问题在于，真空预压中，地下水位抽真空前往往都是接近地表或者就在地表，也就是说真空表法的应用空间很窄，而且，埋设前还必须对地下水位进行测定，这又增加了操作流程。因此，对真空压力的测试，真空表法是不适合的。

孔压计法受到的干扰因素少，测量的压力值减去抽真空前的静水压力值即可得到真空压力，是目前可行的方法。

4 结语

真空度最早是描述气体压力的概念，但在真空预压加固技术中可进行延伸，用于表示气体和液体压力。当气体或液体压力低于大气压力时称负压，因此真空度是一种特殊的负压。真空度和负压的参考点均是大气压力。对密封膜下和真空泵位置的真空荷载，宜称真空度。

真空压力是由于抽真空而产生的土体固结压力。真空压力等于实测压力减去静水压力，其参考点是静水压力。真空压力是真空预压的最大有效固结压力。明确其含义具有重要的实践意义。对排水板和土体内的真空荷载，宜称真空压力。

真空度的测量可采用真空表法或孔压计法，真空压力的测量只适合采用孔压计法。

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