真空预压条件下地下水位测试新技术

黄　敏，余朝阳

(1.广东交通职业技术学院，广州　510650； 2.广州市承信公路工程检验有限公司，广州　511400)

真空预压条件下地下水位测试新技术

黄敏1，余朝阳2

(1.广东交通职业技术学院，广州510650； 2.广州市承信公路工程检验有限公司，广州511400)

摘要：现行地下水位测试方法均不能正确反映真空预压条件下地基中的地下水位变化规律。鉴于此，先定性地分析真空预压条件下地基中的地下水位变化规律，然后详细地介绍一种真空预压条件下新型地下水位测试技术，最后依托实际工程进行现场试验研究。研究结果表明：1) 无论饱和土体地基还是非饱和土体地基，真空预压期间地基中地下水位的变化规律理论上和实际上都是下降的；2) 新技术测试成本低，测试结果直观，能正确反映真空预压条件下地基中的地下水位变化规律，有助于正确认识真空预压法的加固机理，并对真空预压加固效果进行正确评价和分析。

关键词：真空预压法；地下水位测试新技术；地下水位变化规律

地下水位测试方法的合理性和可靠性是正确分析地下水位变化规律的重要前提。目前，真空预压工程实践中较为常用的地下水位测试方法主要有2种，分别为敞口测压管测试法[1-8]和闭口测压管测试法[4-7]。其中，敞口测压管测试法由于现场操作较简便，测试结果基本能反映地下水位变化趋势，因此目前仍然被应用于大多数工程的施工监测中；而对于闭口测压管测试法而言，由于其测试结果的准确度相对较高但现场操作极其复杂，因此目前主要应用于科研试验区工程的施工监测中。2种方法各自的不足可概括为：敞口测压管测试法[1]的测试结果仅反映了大气压状态下水位管透水管段所处深度范围内土层中较高超孔隙水压力的变化情况；闭口测压管测试法[4-7]未保证水位管内水位以上的真空度与其周围土层中水位以上真空度一致。如张功新法(2007)中的真空度补偿装置使水位管内的真空度与砂垫层中的真空度一致，从而使水位管近似于1根垂直排水通道；而刘汉龙法(2009)在工程应用时，外管在砂垫层底面以下2 m范围内的管段与土体不连通。因此，目前真空预压工程实践中地下水位测试方法的测试结果都不能完全代表真空预压条件下的实际值。

鉴于此，本文先定性地分析真空预压法加固地基时地下水位的变化规律，然后提出新的测试技术，并通过工程实例进行现场试验研究。

1真空预压条件下地下水位变化规律定性分析

土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相物质(包括多种矿物成分)组成土的骨架，骨架间的空隙是相互连通的，为液相和气相填满；液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)；气相主要是空气、水蒸气等[9]。当骨架间的空隙完全被水充满，则为饱和土；当骨架间的空隙一部分被水占据，另一部分被气体占据，则为非饱和土[10]。而地基中地下水位是重力水与毛细水的分界面，是静水压力为零的面，对土体会产生浮力作用[4,8]。因此，地基土体在外荷载作用下空隙中的重力水被气体占据或气体被重力水占据过程的外在表现即为地下水位发生变化。如图1所示，对于均质地基而言，在地下水位线1降低至地下水位线2的过程中，地下水位线1和地下水位线2之间的土体空隙中的重力水逐渐被气体占据；而在地下水位线1上升至地下水位线3的过程中，地下水位线1和地下水位线3之间土体空隙中的气体逐渐被重力水占据。换句话说，若均质地基土体空隙中的重力水逐渐被气体占据，则地下水位下降；若均质地基土体空隙中的气体逐渐被重力水占据，则地下水位上升。

图1　均质地基中地下水位变化示意

真空预压法适用于淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基的加固[11]。然而，由于地基成因的不同，真空预压地基一般都是非均质地基，该类地基中往往夹杂着粉土、砂土等透水透气的非饱和土层；且真空预压过程中，地基表面的密封系统(若干层密封膜)和侧向密封系统(泥浆密封墙)由于受材料质量、施工质量、自然环境等多方面因素的影响，很难保证被加固地基土体处于绝对真空状态，往往致使大气进入被加固地基土体中；另外，真空预压期间，被加固地基土体处于负压环境(-50～-85 kPa)中，致使地基土体空隙中的水体在真空预压后期极易气化。因此，这3方面因素共同导致地基在真空预压加固过程中有气体侵入，从而构成了如下地下水位降低的充分必要条件[8]。

必要条件：进入饱和土体空隙中的气体应力增量大于饱和土空隙上有效应力增量，或两增量均为零。

充分条件：饱和土体空隙旁必须有足量的气体。

综上所述，无论饱和土体地基还是非饱和土体地基，即使真空预压期间能保证密封系统的绝对密封性(即保证被加固地基土体处于绝对真空状态)，地下水位的变化规律理论上也都是下降的；而真空预压工程实践中很难保证被加固地基土体处于绝对真空状态，故地下水位的变化规律理论上和实际上都是下降的。

2真空预压条件下地下水位测试新技术

2.1测试装置

本文介绍的测试装置[12-13]主要由水位管、激光测距仪、透光片及反射片组成，如图2所示。

图2　新型地下水位测试装置示意

水位管：材质为PVC工程塑料或ABS工程塑料，直径至少为70 mm，壁厚至少为8 mm，由居于上部的主管及居于下部的滤管同轴连接而成。滤管外壁须缠绕排水板滤膜，底部须封闭。主管与滤管的连接位置与砂土垫层底面的距离按0.5～1.0 m控制，以最大程度保证真空预压期间水位管内水位以上的真空度与其周围土层中水位以上的真空度一致。

激光测距仪：为德国Leica系列手持式激光测距仪，其垂直紧贴于水位管顶端并向水位管内的水面发射光束。

透光片：为超白玻璃，其是一种超透明低铁玻璃，厚为6 mm，透光率可达91.5%以上，固定于水位管管顶。其目的主要有2个：一是使水位管内腔与外界大气隔绝；二是使激光测距仪所发射出的光束能集中透射到水位管内的水面上。

反射片：为德国Leica系列全站仪专用的棱镜反光片，尺寸为50 mm×50 mm。其飘浮于水位管内的水面上，即使在光线弱的工作环境中(如水位管内)，只要有光束照射，就能显现很亮的亮点。其目的主要是反射激光测距仪所发射出的光束。

2.2测试原理

该装置是基于激光测距原理进行测试，具体测试原理为：光束以速度c在水位管管内传播，在管口与反射片之间往返1次所需时间为t，则两者间的距离d为：d=ct/2。

真空预压加固地基过程中，当水位管管内水位发生变化时，飘浮于水位管管内水面上的反射片也会随之移动，致使水位管管内水面至管口的距离同步发生改变，从而也改变了激光测距仪的读数，而根据读数的变化即可精确计算出地下水位的变化值。

3现场对比试验

本文以某工程为依托，对敞口测压管测试法(简称“传统测试法”)、闭口测压管测试法——激光测试法(简称“改进法1”)以及闭口测压管测试法——张功新法(2007)(简称“改进法2”)等3种方法进行现场对比试验研究。

3.1依托工程土层条件

根据勘察报告及现场情况，依托工程被加固土层自上而下分述如下。

浮泥-流泥：灰色，饱和，流动，含少量粉砂，标高范围约为7.40～-0.11 m，平均层厚约为7.5 m，标贯击数为0。

淤泥：灰色，饱和，很软，滑腻，含少量粉细砂，腐殖物，夹薄层粉细砂，含少量贝壳，具臭味，标高范围为-0.11～-11.41 m，层厚为11.30 m，标贯击数为0。

淤泥质土：灰色，饱和，软，含少量粉细砂，标高范围为-11.41～-15.61 m，层厚为4.20 m，标贯击数为1～10。

上部为粘性土夹砂：灰黄色，饱和，硬，以粘性土为主，夹薄层中砂，细砂，局部夹铁质胶结碎粒，标高范围为-15.61～-17.71 m，层厚为2.10 m，标贯击数为10～15。

3.2依托工程软基加固方案

对依托工程软基采用2种单管4排型直排式真空预压方案进行加固，具体方案见表1。

表1　真空预压方案

注：1.2个方案加固区域尺寸均为73 m×111 m；2.2个方案均布设了9台真空泵；3.2个方案抽真空时间均为105 d，其中，逐级开泵时间为10 d，恒载时间为95 d。

地下水位监测点、十字板试验点以及静力触探试验点均布设在加固区域中心点位置附近。

3.3试验结果与分析

地下水位变化情况是直接评价地基真空预压加固效果的重要监测指标之一。试验区2个方案地下水位测试结果如图3所示。须注意的是，传统测试法水位管因堵管而无法获取相应的地下水位监测数据。

由图3可知：

1) 传统测试法与改进法两者的测试结果相差较大。如方案2传统测试法的地下水位下降值最终稳定在9m左右，而改进法1和改进法2地下水位下降值最终分别稳定在2.284和2.032 m。具体原因分析已在文献[4]中阐述，在此不再赘述。

图3　试验区2个方案地下水位观测曲线

2) 改进法1的测试结果比改进法2更加准确、合理。主要体现在以下2方面：(1) 改进法2的客观影响因素仍然较多，如测试仪器的性能(真空表、孔压计、孔压频率仪)以及水位管的弯曲变形所引起的沉降计算误差，从而致使改进法2的测试结果偏小；(2) 改进法2抽真空前期地下水位计算结果明显不合理，如方案1和方案2抽真空初期水位分别上升了高达3 m和1 m。

3) 方案2的固结排水效果稍优于方案1。如图所示的改进法1的测试结果可知，方案2的地下水位下降值最终稳定在2.284 m，而方案1最终稳定在1.853 m。

为了验证上述第3条的结论，针对方案1和方案2分别选取了2个有代表性的位置进行十字板试验和静力触探试验，2个方案卸载后的十字板试验结果和静力触探试验结果如图4、图5所示。

由图4和图5可知：

1) 测试深度范围内，方案1的原位抗剪强度值范围为19.6～88.5 kPa，平均值为37.9 kPa；方案2的原位抗剪强度值范围为23.6～96.2 kPa，平均值为39.1 kPa。

2) 测试深度范围内，方案1和方案2的平均比贯阻力值分别为0.69和0.74 MPa。

因此，方案2加固后地基土体的原位强度大于方案1，相应地，方案2的加固效果也优于方案1，从而进一步有力地验证了改进法1的合理性。

图4　试验区2个方案卸载后十字板试验结果

图5　试验区2个方案卸载后静力触探试验结果

4结论

本文首先明确指出了现行地下水位测试方法的不足，其次定性分析了真空预压法用于地基加固时地下水位的变化规律，然后详细介绍了一种新型真空预压条件下地下水位测试技术，最后对工程实例进行了现场试验研究，并得到如下结论。

1) 传统测试法测试结果反映了大气压状态下水位管透水管段所处深度范围内土层中较高超孔隙水压力的变化情况，而改进法2未保证水位管内水位以上的真空度与其周围土层中水位以上的真空度一致，因此，改进法2的测试结果不能完全代表真空预压条件下的实际值。

2) 无论饱和土体地基还是非饱和土体地基，真空预压期间地基中地下水位的变化规律理论上和实际上都是下降的。

3) 本文介绍的真空预压条件下地下水位测试新技术，其测试成本低，测试结果直观，能正确反映真空预压条件下地基中的地下水位变化规律，有助

于正确认识真空预压法的加固机理，以及对真空预压加固效果进行正确的评价和分析。

参 考 文 献

[1]董志良.堆载及真空预压法加固地基地下水位及测管水位高度的分析与计算[J].水运工程，2001，331(8)：15-19.

[2]明经平，赵维炳.真空预压中地下水位变化的研究[J].水运工程，2005，372(1)：1-6.

[3]辜清华，李志勇，何良德.真空预压中地下水位变化的理论探讨[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2007，20(3)：102-105.

[4]张功新，董志良，莫海鸿，等.真空预压中地下水位测试技术探讨与改进[J].岩土力学，2007，28(9)：1899-1903.

[5]刘汉龙，周琦，顾长存.真空预压条件下地下水位测试新方法及其应用[J].岩土工程学报，2009，31(1)：48-51.

[6]朱燕，余湘娟.真空预压地下水位测试方法分析[J].水运工程，2010，445(9)：113-116.

[7]张敏，李俊才，王文，等.测量真空预压地下水位变化新方法[J].施工技术，2009，38(增1)：231-233.

[8]高志义，候晋芳，梁爱华.真空预压法地下水位分析及其测试方法[J].岩土工程学报，2013，35(增2)：684-688.

[9]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京：水利电力出版社，1994.

[10]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[11]中国化学工程第一岩土工程有限公司.HG/T 20578—2013真空预压法加固软土地基施工技术规程[S].北京：中国计划出版社，2014.

[12]鲍树峰，董志良，娄炎，等.一种适用于真空预压地基处理技术的地下水位测试装置及系统:中国，CN 203629640 U [P].2014-06-04.

[13]娄炎，何宁.地基处理监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

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

作者简介：黄敏(1976-)，女，湖南省湘乡市人，本科，讲师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0006-05中图分类号：U416.1

文献标识码：A