真空预压地下水位变化及测试方法

陈富，张健

（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，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津　300222）

真空预压地下水位变化及测试方法

陈富，张健

（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，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222）

真空预压法在处理深厚软弱黏土方面有着独特的优势，根据真空预压排水固结机理分析，地下水位的定义是静水压力为零的液面，与超静孔隙水压力无关。真空预压地下水位测量结果排除真空预压超静水压力对地下水位的影响，才能得到真正的地下水位。针对敞口式地下水位测量方法的不足，介绍了“一种防止地表水沿水位管外空隙下渗的装置”专利，并比较分析了3种密闭式地下水位测量方法。各真空预压地下水位测量方法需要解决不同土层通过水位管相互连通问题，而且需要排除残留水膜导电对于地下水位测量的干扰。

真空预压；地下水位；测量装置；负压；静水压力

0　引言

真空预压发明以来，对于真空预压期间地下水位变化就一直是研究的热点，研究真空预压地下水位的变化对于弄清真空预压加固机理有很大帮助。一方面涉及到对于真空预压地下水位的定义，另一方面也需要对新型真空预压地下水位观测装置进行研究开发[1]。

本文在真空预压固结机理的基础上，明确了真空预压地下水位定义，并通过试验验证了真空预压期间地下水位保持不变，最后分析了各类新型地下水位观测装置的性能及其测量结果的准确性。

1　真空预压固结机理简介

真空预压加固机理为土体中总应力保持不变，真空度通过土中孔隙水压力下降使有效应力增加从而加固土体[2]。真空预压工艺见图1。

图1　真空预压工艺剖面图Fig.1　Profile of vacuum preloading process

抽真空开始很短时间，真空度由射流泵沿封闭管路—膜下—塑料排水板进行传递，位于塑料排水板处的A点的超静孔隙水压力迅速降低，位于塑料排水板之间的B点由于土体的阻隔作用，孔隙水压力还未开始降低。因此A、B两点之间存在着压差，而且存在排水面（塑料排水板），土体孔隙中水和气在此负压梯度的作用下发生由土体—塑料排水板—砂垫层—射流泵的排水固结，从而使土体有效应力提高，完成地基加固。

考虑到竖向排水距离远大于水平向排水距离（即大约塑料排水板间距的1/2），而且由于待处理地基土尤其是吹填土存在水平沉积层理，水平向固结系数大于竖向固结系数，因此深厚软黏土的综合固结度主要受水平固结度影响，竖向固结度的影响基本可以忽略不计。

真空预压与堆载预压只是在边界条件上有所不同，在土力学中的基本变化规律是一致的，所以可以采用等量荷载法进行计算，但必须在两者某些差异方面进行修正[3]。

2　真空预压地下水位

2.1真空预压地下水位定义

对于真空预压期间地下水位变化，目前持有上升、下降、不变这三种观点的人都有。一方面是由于不同学者对于地下水位有不同的定义，另一方面是因为真空预压地下水位测量方法的局限性，导致各个真空预压工程的地下水位测量结果比较混乱，缺少规律性。

对地下水位的变化规律解释不清，使设计和检测单位对于真空预压过程中地下水位的观测不够重视，甚至减少布设地下水位测量点。因此对于地下水位的变化研究非常重要，这首先关系到真空预压加固机理的正确理解，另一方面也与真空预压加固深度密切相关[1-3]。

高志义[1]系统分析了目前真空预压地下水位的三种定义，指出以静水压力为零的线（面）作为地下水位线（面），是符合真实地下水位线的。

无论堆载预压还是真空预压，固结过程只受超静孔隙水压力影响，与静水压力无关。整个加固过程中，因为超静孔隙水压力会不断变化，因此测量得到的总孔隙水压力会不断变化，根据图1所示的水平向固结可知，整个固结过程是孔隙水在超静孔隙水压力的压差作用下水平渗流到排水板的过程，从孔隙水压力中将静水压力单独分离出来，则整个过程静水压力不会发生变化，地下水位保持不变。

现有的敞口式地下水位管测试方法因为存在负压影响，所以现场监测结果得出的地下水位变化是下降的，因此造成了技术人员对于地下水位不变的结论的困惑。笔者认为真空预压地下水位的测量结果缺少规律性是因为没有排除真空预压超静水压力（负压）对于地下水位测量的影响。近年来有学者发明的非敞口管式测试仪器的地下水位测试结果，说明真空预压过程中地下水位基本保持不变[3]。

2.2真空预压地下水位测试方法分析

测试方法对于地下水位结果有着显著影响，研究分析地下水位测量数据必须注意其测试方法，排除相应干扰因素后才能确保测量结果的准确性。现对现场采用的地下水位测试方法进行总结并分析其优缺点。

加固区外地下水位管测量一般采用敞口式水位管，水位管埋设深度为地表下7～10 m[4]，各家监测单位的水位管打孔滤管段布置不尽相同，有的监测单位地表之下水位管全部打孔并缠滤布，有的只在最下面一段打孔并缠滤布。地基处理过程中，将水位计测头下放到液面处，液面连通两个电极则仪器发出蜂鸣声，通过测头后端连接的塑料尺可以读出地下水位埋深，进而通过测量孔口标高可以算出地下水位标高。

笔者在敞口式水位管现场测试过程中发现，当水位计提出水面之后仍然蜂鸣，主要原因是测头金属表面残留的水膜依然能够导电，影响了地下水位测量结果的准确性。

同时，真空预压加固期间进行一定量的膜上覆水，因此要在加固区周边修筑围堰，加固区周边的水位管地表以上部分管段将不可避免地被膜上覆水淹没，地表水将沿水位管外空隙下渗，影响地下水水位。尤其地下水位测量过程中由于水位尺线缆拉拽引起水位管少量晃动，将进一步增大水位管外的空隙，地表水下渗量会更大，对地下水水位的影响将更大，造成地下水水位测量结果偏高。这种现象在黄骅港若干个真空预压实际工程中都有发生，影响到地下水位测量的准确性。

本单位发明的“一种防止地表水沿水位管外空隙下渗的装置”能够有效解决这一问题，该实用新型专利的主要原理见图2[5]。

图2　一种防止地表水沿水位管外空隙下渗的装置原理图Fig.2　Schematic diagram of a device to prevent surface water infiltration along outer wall face of water level tube

钻孔埋设完水位管之后，向钻孔内回填土至稍高于地表，待回填土自密实后，把外套管套在水位管上，并将外套管向下压入钻孔内的回填土中。由于外套管的挤入效应，一部分回填土会填充在水位管与外套管之间并被挤密，外套管外的回填土也会被挤密，可以防止地表水沿水位管外空隙下渗。同时外套管可以保护水位管免遭破坏。本发明简单可靠，能够保证水位管周围存在地表水的情况下地下水位测量的准确性和可靠性。

敞口式水位管测量结果表明真空预压期间加固区外地下水位是下降的，一般认为形成一个漏斗状。但不同真空预压加固区外观测的地下水位下降幅度相差较大[4]。

笔者认为，该地下水位下降的测量结果只是表征的总压力，没有排除超静孔隙水压力（负压）的影响，不能代表真正的地下水位。真空预压加固区外的土体同样受到真空预压区内负压的影响。在压差的作用下，加固区外的相应土层发生向加固区内塑料排水板的排水固结，孔隙水压力也会不断减小。靠近加固区的点由于排水距离近，相同时间内固结度高，孔隙水压力最小，因此靠近加固区的水位管观测到地下水位下降幅度大，而加固区稍远的水位管地下水位下降幅度小，从而形成加固区外地下水位呈漏斗形。

真空加固区四周的影响区地面发生的较大沉降变形进一步证实了加固区外土体会受到区内负压影响发生排水固结，因此要想获得静水压力为零的液面就必须同时测量该点的超静孔隙水压力（负压），进而用总压力减去超静孔隙水压力（负压）才能得到静水压力，修正后地下水位保持不变。

由于存在密封膜的问题，目前真空预压加固区内的地下水位测量要比加固区外地下水位测量复杂一些。敞口式水位管打开水位盖后瞬间外界正常大气压将迅速影响水位管内的负压，地下水位液面也随之快速发生变化，因此敞口式水位管地下水位观测结果不准确，基于这些地下水位测量结果的相关分析也必然缺乏说服力。

因此必须采用密闭测量的方式才能避免敞口式的局限性，密闭式地下水位测量方法主要有以下3种。

高志义[6]进行的真空预压离心模型试验中利用钽丝测量地下水位，在模型中部设置1个自制的水位观测井，采用铜管中装1条钽丝，将电容变化引起的电流输出经放大后输至光线示波器，记录相应的水位变化。

张功新[7]、刘汉龙[8]等提出了真空预压地下水位测试的新方法，其主要原理是同时测量膜下真空度和膜下封闭的水位管内浮标水位或孔隙水压力，通过两者来反推真空预压地下水位的变化。新方法改变了水位管的滤管长度，在砂垫层2 m以下水位管均打孔外包滤布形成较长的滤管段，认为实测地下水位降深是滤管段各点水位降深的平均值[8]。

对于真空预压加固区内的各密闭水位管测量地下水位可以通过一个例子进行进一步的解释说明，土层分布及水位管埋设具体见图3。

图3　水位管埋设示意图Fig.3　Schematic layout of water level tubes

真空预压加固区自上而下存在淤泥、粉土、粉质黏土3个不同土层，A、B、C三点分别位于上述3个土层中，并且位于塑料排水板的中间位置。淤泥、粉土、粉质黏土3个土层的固结系数不同，粉土最大，粉质黏土次之，淤泥最小。因此3个土层的固结速率也不同，粉土最快，淤泥最慢，必然存在着超静孔隙水压力uB

真空预压不同土层的水平向固结速率不同且互不影响，所以各个土层超静水压力也不同。采用水位管测量地下水位的结果与水位管插入深度及其深度范围内的土层分布有关。如果打孔段范围内土层一致，得到结果较为真实。如果打孔段范围内土层差异较大，则可能导致错误的结果。

笔者认为，上述地下水位测量方法均存在上述图3中A、B、C三点的相互连通问题，打孔段孔隙水在超静孔压压差作用下不断渗流，其测量结果并不能代表真正的真空预压地下水位。

用电测式孔隙水压力计测量土体内孔隙水压力变化值，来反推地下水位变化是否合适呢？如果在A、B、C三点分别布设测头，虽然不存在A、B、C三点相互连通的问题，避免了三点之间的孔隙水流动及孔隙水压力的相互干扰。3个测头的总孔隙水压力下降值不同，必将推算出3个地下水位下降值，这显然与实际矛盾。因此要得出正确的地下水位，必须将孔隙水压力计测量的总孔隙水压力分离成静水压力和超静水压力，从而找到静水压力为0的液面。在实际工程中，由于不同土质真空预压固结速率的差异，再加上新近吹填土加固前因为欠固结就存在一定的超静水压力，因此很难从真空预压的总孔隙水压力中定量分离出超静水压力，因而也很难确定出真正的地下水位。笔者认为，真空预压过程中测头的孔隙水压力减小只适合表征各个土层的超静孔隙水压力的消散过程，不适合用来推算真空预压地下水位。

为了避免上述地下水位测量方法的局限性，高志义提出采用棒状水位测试仪进行地下水位观测[1]，该测试仪采用在蛇形管上按5 cm间距布置电极并用导线引出，蛇形管内灌密封材料硅胶阻止上下土层的相互连通。将蛇形管埋设后用水位接收仪连接相邻两条导线，通则表明有地下水，不通则表明无地下水。通与不通的分界线即为地下水位线。该方法属于直接测量方法，同时避免了上述水位管内上下贯通的问题，可以得到真实的地下水位。但需要注意土体中溶解盐可能会导致地下水位降低后水位线以上的土体同样导电，发生与上文所述的提出水面后敞口式电极式水位计测头残留水膜仍然连通导电的问题，造成测量结果不灵敏甚至失真，所以该棒状水位测试仪现场适用性有待进一步验证。

3　结语

本文结合真空预压现场试验数据，分析了真空预压加固区内外地下水位的变化规律及相应的测试方法，便于设计施工人员更好地理解和应用真空预压法。本文的结论如下：

1）根据真空预压排水固结机理分析，地下水位的定义为静水压力为零的液面，与超静孔隙水压力无关。

2）真空预压地下水位测量结果排除真空预压超静水压力对地下水位的影响，才能得到真正的地下水位。

3）各地下水位测量方法需要解决不同土层的相互连通问题，而且需要排除可能存在的残留水膜导电对于地下水位测量的干扰。

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Change of ground water level in vacuum preloading and testing methods

CHEN Fu,ZHANG Jian
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Ministry of Transport, Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin Harbor Engineering Quality Testing Center Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Vacuum preloading method has a unique advantage especially in treatment of deep soft clay.According to the analysis of consolidation mechanism of vacuum preloading,ground water level is defined to be the zero hydrostatic pressure level and has nothing to do with the excess pore water pressure.In order to get the true ground water level,the effect of super hydrostatic pressure in vacuum preloading on ground water level must be removed in the ground water level survey.To overcome the shortcomings of the open type ground water level measuring method,a patent named a device to prevent surface water infiltration through the outer space of the pipe is introduced,and three kinds of closed ground water level measuring methods are compared and analyzed.The ground water level measuring methods in vacuum preloading need to solve the problem of interconnecting of different layers through water level tubes,and also need to remove the interference of residual water conductivity to ground water level measuring.

vacuum preloading;underground water level;measuring device;negative pressure;hydrostatic pressure

TU472.33

A

2095-7874（2016）09-0037-05

10.7640/zggwjs201609009

2016-04-01

2016-06-28

陈富（1986— ），男，山东青岛市人，硕士，工程师，主要从事岩土工程地基处理等方面的工作。E-mail：chenfu@tpei.com.cn