真空预压中考虑固结沉降的闭口式地下水位测试方法

2020-09-27顾龙声

水道港口 2020年4期

顾龙声

(天津水运工程勘察设计院，天津 300456)

真空预压法加固软土地基时，若地下水位下降[1-2]，则为真空预压与降水预压的双重加固效果；若地下水位上升[3-4]，则为上述两者之差的效果；若地下水位不变[5]，则仅为真空预压加固效果，所以准确测量地下水位关系到真空预压的加固效果，同时也直接影响到对真空预压机理的认识。究其原因，一方面是地下水位的测试技术与方法不够完善，尽管闭口法地下水位测试技术已优于敞口法，但仍有一些不足，常见的闭口法[6-7]地下水位测量方法是：先打设水位管装置，该装置由两根不同直径的PVC内外管、磁环浮标、限位器、电感应器等部分组成，地下水通过外管壁上渗水孔渗入与大气隔绝的内外管之间，此水位即为负压条件下的地下水位，在这两根不同直径且相对位置固定的内外管之间放置的磁环浮标浮于水面上，且随地下水位沿内管上下自由浮动，磁环浮标的位置即为地下水表面位置，可通过钢尺沉降仪来确定磁环浮标的位置。此方法能基本解决水位管与大气相通的问题，但是该装置很难保证水位管内外的真空度一致，且由于没有考虑土层固结对测试结果的影响，很难保证在地基的加固过程中(特别是真空堆载联合预压法)始终保证水位管与大气不相通，同时每次测量地下水位时还需要测量内管上端高程才能获取准确的地下水位高程，相对较繁琐。另一方面是对地下水位的基本概念未取得统一的认识，这两方面原因造成测试结果难以被后续学者及工程技术人员借鉴和分析判断。为此本文先阐述了地下水位的基本定义，然后分析了影响真空预压地下水位测量结果的主要因素，在此基础上，提出了一种能够在考虑土层固结影响且能保证水位管与大气不连通的情况下较为简便地获得相对准确的地下水位高程的测试技术，并给出了修正方法。结合连云港盛虹炼化一体化项目一期工程(第2标段)地基预处理项目，验证了此测试技术的可行性。

1 地下水位的基本概念

关于地下水，学者Freeze和Cherry[8]定义为“出现在已经充分饱和了的土层和地质层组中的地下水位以下的水体”。土体中的孔隙水压力为静水压力和超静孔隙水压力(超静孔隙水压力泛指土体的某点在某一时刻的孔隙水压力值减去同一点在同一时刻的静水压力的差值[9])之和，其中静水压力是重力的反映，它对土体有浮力作用，决定着地下水位线；而超静孔隙水压力为外荷载的反映，它不会对土体产生浮力作用，并且两者是相互独立、互不影响的。例如，真空预压时瞬时施加80 kPa的负压，在竖向排水体与土体中形成负压渗流场，假设在静水压力为零点处迅速产生80 kPa负超静孔隙水压力(不考虑真空度衰减等因素)，则该点处孔隙水压力立即减少了80 kPa。若将孔隙水压力为零线定义为地下水位线，如图1所示，则地下水位应该会迅速下降8 m，这显然不符合实际情况。此时的静水压力并没有发生变化，水位也没有变化。只是随着孔隙水的排出，土体逐渐固结，负超静孔隙水压力逐渐消散，仅超静孔隙水压力一直在变化。因此将孔隙水压力为零线定义为地下水位线是不符合实际的。

图1 真空预压中地下水位示意图Fig.1 Schematic diagram of groundwater level in vacuum preloading

从工程实际应用的角度出发，在真空预压中考虑地下水位变化的影响时，研究的对象是土中的重力水，因为重力水会对土颗粒有浮力作用，会改变土体的重度，其中重力水指存在于地下水位以下透水层中的水。而存在于地下水位以上透水层中的水为毛细水，毛细水的孔隙水压力为负值。由此可以认为土体中液态水中的重力水的水面(静水压力为零面)即为地下水位线(面)，而不是饱和土与非饱和土的分界线，如图1所示。由于毛细水的上升高度取决于土体中毛细孔直径，直径越小，其上升高度越大。如果毛细孔直径足够大，毛细水上升高度可忽略不计。因此，工程中一般采用直径为53 mm的PVC管插入土体中测量地下水位，静置至平衡状态时管内的水位即为重力水面(静水压力为零面)，亦即地下水位面。所以，静水压力为零线(面)才是真正的地下水位线。

2 影响地下水位测试结果的主要因素

影响地下水位测试结果准确性的主要因素包括地基土为欠固结状态、不同的测试方法、地基土固结沉降的影响、测试人员或仪器埋设人员的不当操作，具体影响情况如下：

(1)欠固结地基土的影响：如图2所示，欠固结土层中的初始孔隙水压力值大于初始静水压力值，且越深处差值越大，这是由于越深处孔隙水压力消散越慢。计算时应考虑，因为这部分差值并不是真空预压降低的水位线，采用非直接法测量地下水位时需重点考虑。因此推荐使用直接法进行地下水位高程测量。

图2 欠固结地基土加固前实测孔隙水压力线Fig.2 Curves of pore water pressure of underconsolidated soils before improvement

(2)测试方法的影响：采用敞口法测试时，大气压力在敞口瞬间迅速作用于水位管内的地下水面上，地下水位必将迅速降低，而这部分降低值并非真空预压降低的水位线；采用非直接法时，无法避免真空和孔压测头不稳定产生波动，及其偶合叠加的影响。

(3)地基土固结沉降的影响：考虑到地下水位测量装置一般为带连接头的直管(水位管)，随着地基土的固结沉降，水位管与密封膜的接头处发生错位漏气的概率极大，现场测试时应综合考虑两者接头处的处理，现有的闭口法地下水位测试方法都未考虑此影响因素。

(4)人为操作的影响：采用高压水冲法成孔时，人为地增大了土体的初始孔压，且需要较长时间才能消散，所以现场操作时应使用全套管法成孔，以消除其影响；由于现场技术人员操作失当导致水位测管内真空度与实际不符。

3 真空预压中考虑固结沉降的闭口式地下水位测试装置

3.1 测试装置的构造

如图3所示，本装置主要包括竖向设置的外管、内管(由上部主管和下部限位导向管组成)和钢尺沉降仪；外管与上部主管之间形成有封闭的环形空间，在环形空间内设有磁力浮，在下部限位导向管的上端设有测量顶盖，上部主管插装在下部限位导向管内，其中下部限位导向管下端是密封的，外管的上端与密封膜密封连接，在外管的上端连接有密封顶盖，钢尺沉降仪的测头放置在上部主管内。

图3 真空预压地下水位测量装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of groundwater level measuring device in vacuum preloading

(1)外管特征：两端部做成直管段的带钢丝蛇形管，上端部直管段带丝扣且蛇形管通长部分带直径约为5 mm的渗水孔,其自然长度为6 m，外径约为160 mm，完全压缩状态时长度小于4.5 m，内径约为140 mm，且处于120 kPa压力下时不发生径向变形；

(2)上部主管特征：底部封闭且外带4个凸起块的PVC直管，其长度为6 m，外径约为53 mm，内径约为45 mm；

(3)磁力浮特征：内置高强磁铁的高压硬质泡沫，其高度为100 mm，外径为100 mm，内径为60 mm；

(4)测量顶盖特征：内部含有高强磁铁。

3.2 测试装置的埋设

软土地基的竖向排水通道打设完毕后埋设本测量装置，埋设装置的钻孔全部用套管成孔(禁用高压水冲)。埋设前，外管裹一层土工布且确保不影响其自由伸缩(防止泥砂进入外管内)，装置完成组装，但密封顶盖先不固定，埋设时首先将上部主管的下端放置到下部限位导向管的底部，确保外管在保持伸缩状态下进行埋设，待装置埋设完毕后将密封膜与外管密封连接，然后将上部主管的下端提至测量顶盖处，在密封顶盖上与上部主管的接触处套上密封圈，并打设玻璃胶密封，确保密封顶盖与上部主管在测量过程中不发生位移且不漏气。

3.3 测量装置的工作原理

地下水通过渗水孔渗入到外管内，此水位即为负压条件下的地下水位。由于外管可随土体的固结沉降而压缩，进而可保证在地基加固过程中外管始终与大气隔绝，且测量顶盖至上部主管上端的距离变化量即为内外管埋设深度范围内土层的固结沉降量；磁力浮浮于外管内的水面上，且能随地下水位的变化沿上部主管上下自由浮动，此时磁力浮的位置即为地下水表面的位置，通过钢尺沉降仪可以读出磁力浮和测量顶盖至上部主管顶端的距离。

应用上述真空预压地下水位测量装置测量地下水位的方法为：

(1)首次测量时，采用水准仪通过已知高程点引测出上部主管顶端的高程HS0，通过钢尺沉降仪测出磁力浮至上部主管顶端的距离LF，通过钢尺沉降仪测出测量顶盖至上部主管顶端的距离LC0，则地下水位高程的初始值为：HA0=HS0-LF。

(2)在地基发生固结沉降后，通过钢尺沉降仪测出磁力浮至上部主管顶端的距离，第j次测量值为LFj，通过钢尺沉降仪测出测量顶盖至上部主管顶端的距离，第j次测量值为LCj。假设测量值(LC0-LCj)为第j次测量时上部主管顶端高程的下降值，尽管第j次测量时上部主管顶端高程下降值应该为装置埋设处全部土层的固结沉降量，而不仅仅是测量值(LC0-LCj)，但实际工程中采用真空预压法加固软土地基时的固结沉降量一般主要发生在地基土表层6 m深度范围内，因此采用测量值(LC0-LCj)代替上部主管顶端高程下降值是切实可行的，能够满足工程的要求，则地下水位高程测量值

HA0,j=HS0-(LC0-LCj)-LFj

(1)

式中：HA0,j为第j次地下水位高程的测量值(j=1,2,3,4…n)，m；HS0为装置埋设完毕后上部主管顶端高程的实测初始值，m；LC0为装置埋设完毕后测量顶盖至上部主管顶端距离的初始值，m；LCj为第j次测量时测量顶盖至上部主管顶端的距离，m；LFj为第j次测量时磁力浮至上部主管顶端的距离，m，测量结果小数点后保留3位有效数字。

为了获取更为准确的地下水位高程值，可间隔一段时间(预压第一个月内建议一周修正一次，以后可一个月修正一次)采用水准仪对上部主管的顶端高程进行复测来对式(1)的地下水位高程测量值HA0,j进行修正，具体方法如下：

采用以下公式对式(1)获得的地下水位高程测量值HA0,j进行修正

HBi,j=HAi,j+[HS0+LC0-(1+j/ni)HSi+(j/ni)HS(i+1)-LCi,j]

(2)

式中：HBi,j为第i次复测上部主管顶端高程后的第j次地下水位高程测量值的修正值(i=0,1, 2,3,4…k;j=1,2,3,4…n)，m；HAi,j为第i次复测上部主管顶端高程后的第j次地下水位高程的测量值，当i=0时，即为HA0,j，m；HSi为第i次复测时上部主管顶端高程的实测值，m；ni为第i次至第i+1次复测间隔时间内的地下水位高程的测量总次数；LCi,j为第i次复测上部主管顶端高程后的第j次测量顶盖至上部主管顶端距离的测量值，m。

上述修正方法的依据为：由于提出公式(1)的前提是假设测量值(LC0-LCj)为第j次测量时上部主管顶端高程的下降值，但上部主管顶端高程的实际下降值应该为装置埋设处全部土层的固结沉降量，且大于测量值(LC0-LCj)。为了获取更为准确的地下水位高程，需要对上部主管顶端的高程进行复测来修正地下水位高程的测量值，具体修正方法见图4，考虑实际工程中，地下水位高程的测量频率一般为1次/d。

图4 真空预压地下水位测量修正方法示意图Fig.4 Schematic diagram of correction method for measuring groundwater level in vacuum preloading

图4中S1表示第i次复测上部主管顶端高程之前上部主管顶端高程的实际下降值与测量值的差值，即S1=[(HSi-HS0)- (LC0-LCi,0)]，其中LCi,0为第i次复测上部主管顶端高程时测量顶盖至上部主管顶端距离的测量值；图4中S2表示第i次复测上部主管顶端高程至第j次测量地下水位的时间段内上部主管顶端高程的实际下降值与测量值的差值，即S2=[j(HSi-HS(i+1))/ni-(LCi,0-LCi,j)]，其中LC(i+1),0=LCi,n、HA(i+1),0=HAi,n；则修正值HBi,j=HAi,j-S1-S2，即HBi,j=HAi,j+[HS0+LC0-(1+j/ni)HSi+(j/ni)HS(i+1)-LCi,j]。

3.4 测试装置的优点及积极效果

(1)外管采用带有钢丝的波纹伸缩管，与软土地基砂垫层上的密封膜密封连接且可随土体的固结沉降而压缩，消除了固结沉降对测试的影响，进而有效地保证了在地基加固过程中外管始终密闭不与大气连通。

(2)直接测量地下水位，消除了采用真空和孔压测头不稳定产生波动，及其偶合叠加的影响。

(3)真空预压法加固软土地基时，地基的表层沉降主要来自于地面下6 m左右深度范围内土体的固结沉降，而本装置测量地下水位的同时可测得装置埋设深度范围内土层的固结沉降量，因此可有效地减少上部主管上端高程的测量频次，且测量结果能够满足工程要求。

(4)采用修正公式可获得更为准确的地下水位高程值，且复测上部主管上端高程的次数越多，精度越高。

4 工程应用

连云港盛虹炼化一体化项目一期工程(第2标段)地基预处理项目位于连云港市徐圩新区石化功能区，由陬山路、港前四路、苏海路及江苏大道所围形成，该标段地基处理总面积为554 670 m2，划分为12个区，各区均采用真空预压处理工艺。工程场地埋深17.0 m范围内主要为①1素填土层(主要以河浜土为主，厚度为1.2～1.5 m，施工前经过一段时间的晾晒，基本能满足挖机行驶作业)、①2粘土层(厚度为1.2～1.5 m，平均孔隙比e=1.12，平均含水率w=40.5%)及②淤泥层(平均孔隙比e=1.67，平均含水率w=60%，平均垂直渗透系数kv=7.34×10-8cm/s)，埋深17.0 m以下以可塑的黏性土夹稍密-中密状的粉土、粉细砂为主，局部地区砂层较厚。地基土在水平向变化一般，在竖向按成因规律变化，受古地形地貌及沉积环境影响，局部地层在水平向和竖向变化较大。选择1区、5区的中间位置埋设敞口法水位管及文中提出的新测试技术水位管，其中新测试技术水位管在整个地下水位测量过程中均未发生漏气情况，地下水位高程测试结果对比曲线如图5。

注：本装置未考虑埋深6 m以下土层的固结沉降量，其修正值即把土层6 m以下固结沉降量也考虑进来，图中修正值为每月对上部主管的顶端高程进行复测得到的结果。图5 真空预压1区、5区两种方法(含修正值)测试结果对比曲线Fig.5 Comparing curves of test results by two methods of vacuum preloading in zone 1 and zone 5

据图5可知：敞口法测得的地下水位高程变化幅度较大。新测试技术测量的地下水位高程刚开始略有波动，而后基本处于平稳状态，在整个测量过程中新测试技术未修正值均大于其修正值，且最大差值为8 cm，这部分差值其实就是埋深6 m以下土层的固结沉降量，对于本工程而言新测试技术未修正值也基本能满足工程精度要求。

由于敞口法测量时与大气处于连通状态，且未考虑地基土固结沉降的影响，无法准确反映真空预压条件下地下水位高程的变化情况；而在本实例工程中采用的新测试技术基本消除了欠固结地基土的影响、测试方法的影响、地基土固结沉降的影响、人为操作的影响等4个主要影响因素，且整个地基加固过程中未出现漏气现象，因此新测试技术修正值可以较为准确地反映预压条件下地下水位高程的实际情况。