真空預壓條件下地下水位現場試驗研究

朱燕，陳佳佳，余湘娟

（1.南通職業大學建筑工程學院，江蘇　南通　226007；2.江蘇南通六建建設集團有限公司，江蘇　南通　226500；3.河海大學巖土工程研究所，江蘇　南京　210098）

真空預壓條件下地下水位現場試驗研究

朱燕1，3，陳佳佳2，余湘娟3

（1.南通職業大學建筑工程學院，江蘇南通226007；2.江蘇南通六建建設集團有限公司，江蘇南通226500；3.河海大學巖土工程研究所，江蘇南京210098）

采用新型水位管法測試真空預壓條件下地下水位，通過常規水位管法和新型水位管法的現場對比試驗，驗證了新型水位管法的可行性，并結合現場采集的其他數據進行系統分析，探尋表面沉降、真空度和孔隙水壓力與地下水位變化之間的內在聯系，總結真空預壓過程中地下水位的變化規律，并對地下水位的變化機理進行分析。

真空預壓；地下水位；新型水位管法；現場試驗；變化規律

0　引言

評價真空預壓加固效果及研究其加固機理的重要依據之一是真空預壓過程中地下水位的變化情況，但眾多學者對地下水位的變化規律一直都存在著較大爭議，最根本的原因在于缺乏有效的地下水位測試方法[1]。

本次現場試驗采用河海大學巖土工程研究所研發的專利技術——新型水位管裝置[2-3]對地下水位進行測試。為了避免測試時水位管內部與大氣相通，該測試裝置采用了獨特的雙管設計，同時，兩管之間配以磁環浮標，可直接測量地下水位，操作簡單，測試結果直接可觀，且在測試過程中無真空壓力泄露，故采用新型水位管法測得的真空預壓條件下地下水位結果更加可信[2-3]。為了驗證新型水位管法的可行性，本次現場試驗進行了常規水位管法和新型水位管法對比試驗，同時還對表面沉降、孔隙水壓力、真空度等進行監測。

1　工程概況

本次現場試驗依托于京滬高速鐵路工程虹橋站動車所JHTJ-6標段的真空預壓區項目。該項目HQGDK1+160～HQGDK1+610為真空預壓加固區，共6個區域，其中E5為這次現場試驗的試驗區，面積為1.575 5萬m2。試驗區內共設HQGDK1+220和HQGDK1+260兩個斷面進行觀測，從4月9日開始抽真空，8月9日停止抽真空。根據地質勘察資料顯示，本次試驗區地下水為孔隙潛水，較發育。E5區地下水位埋深為0.6～0.8 m（標高為2.108～2.028 m）。加固區內地下水主要受地表水的滲透補給及大氣降水的影響[4]。

2　監測方案

本次現場試驗的監測項目及監測平面布置如圖1所示。

圖1　現場監測平面布置圖Fig.1　Layoutof fieldmonitoring

為了較全面地了解真空預壓條件下地下水位的變化情況及新型水位管的可行性，在斷面HQGDK1+220中間和右側各布置了1根新型水位管，在斷面HQGDK1+220左側布置了1根常規水位管。同時，常規水位管法采用的敞口式水位管長度、透水管段長度和埋設深度與新型水位管完全相同，且每個斷面上的水位管相距很近。

除地下水位監測外，本次試驗還進行了表面沉降、孔隙水壓力、真空度、土壓力等的監測。其中，表面沉降板每個斷面放置3個，共計6個；在斷面HQGDK1+220的左側埋設5個孔隙水壓力計，深度分別為3 m、6 m、9 m、12 m和15 m；在HQGDK1+220斷面埋深分別為2m、4 m、6m、8m處各布置1個真空表，共計4個。

3　對比試驗及地下水位變化規律

地下水位監測結果如圖2所示，可以看出，在加固區內，由新型水位管和常規水位管分別所測得的地下水位降深值偏差較大。在不考慮天氣變化、突然停電等因素的影響下，真空預壓期間新型水位管法測得的地下水位變化曲線比較平穩，而常規水位管法測得的曲線波動較大。這是因為采用常規水位管法進行測試時，在測試過程中管口密封膜需要一直處于打開狀態，這樣水位管中的壓強會迅速由負壓狀態升至正常大氣壓狀態，水位管中的氣壓狀態發生改變，使得測試管內的地下水位下降。除了地下水位的正常變化外，測試時間的長短也會對測試結果產生影響。文獻[5]和文獻[6]的現場試驗結果均顯示，地下水位隨時間基本呈線性下降，且所測值與實際值誤差約為1～6 cm，但這種誤差會累加，隨著測試次數的增多而增大[7]。

圖2　地下水位變化曲線Fig.2　Change curveofgroundwater level

通過現場試驗結果對比分析，常規水位管法測試真空預壓條件下地下水位不符合實際情況，不能真正反映真空預壓條件下地下水位的變化情況。而新型水位管測試方法因采用了雙管設計，避免了測試過程中水位管內部敞開，與大氣相通，真空壓力泄露，因此，所測得的真空預壓條件下的地下水位變化情況更加合理。

從現場采集數據可以看出，加固區在抽真空之前地下水位線比較平緩，HQGDK1+220斷面中間和右邊具有相同的水位高程。在抽真空期間，HQGDK1+220中新型水位管測值最大降幅為4.578 m，最終降幅為3.930 m，而HQGDK1+220右新型水位管測值最大降幅為2.127 m，最終降幅為1.648m。在不考慮天氣變化、突然停電等干擾因素的影響下，從新型水位管測得的數據可知，在加固區內真空預壓過程中地下水位是下降的，且在加固開始時地下水位下降比較迅速，之后處于下降相對穩定狀態，并且加固區內各處地下水位降深有所不同，加固區中心處地下水位降幅大于加固區邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

4　各種現場試驗成果關系分析

4.1地下水位與表面沉降的關系

地下水位與表面沉降監測結果如圖3所示，地下水位采用HQGDK1+220中新型水位管測試結果，表面沉降取HQGDK1+220中沉降板的沉降量。從圖3中可以看出，表面沉降隨地下水位降幅的增加而增大，兩者表現出良好的一致性，說明地下水位下降的程度對表面沉降有明顯的影響。這是因為真空預壓的加固效果主要來自于兩個方面的作用，一是地下水位下降引起的排水固結，地下水位的下降使地下水位線以上土體的重度由浮重度轉變為濕重度，上覆土重增加，產生排水固結現象。二是真空滲流場引起的真空預壓[8]，地下水位的“水封”作用使得真空滲流場只能位于降低后的地下水位線以上地基土中，無法向土體深處擴散。因此，影響真空預壓加固軟土地基效果的重要因素之一就是地下水位的下降幅度。實際工程運用中，為達到預期的加固效果，應在不影響周圍環境的前提下，盡量采取措施降低加固區內的地下水位。

圖3　地下水位降幅與表面沉降關系圖Fig.3　Relationship between thedownrangeof groundw ater leveland the sur face settlem ent

4.2地下水位與真空度的關系

真空預壓法最主要是利用負壓的作用。影響加固區內土體孔隙水壓力的變化，即地下水位的變化的關鍵因素是真空度的大小及其傳遞情況。圖4為地下水位和膜下2m處真空度變化的時程曲線，從圖中可以看出，地下水位和膜下真空度變化表現出較好的一致性，膜下真空度一旦出現波動，地下水位也隨之變化。

圖4 地下水位與真空度關系圖Fig.4　Relationship betw een the downrange of groundwater leveland the vacuum degree

在抽真空初期，膜下真空度迅速上升，7 d后穩定在50 kPa左右，地下水位在此期間下降較快。隨后由于停電或真空泵維修等原因，膜下真空度有所波動，地下水位也隨之反應。之后真空度恢復穩定，地下水位也緩慢下降并趨于相對穩定狀態。在真空預壓期間，地下水位隨膜下真空度變化而變化，說明膜下真空度的數值及穩定性對地下水位的變化影響顯著。若加固區密閉性良好、豎向排水通道井阻較小，則真空度維持在較高的水平，在豎向排水體和土體中傳遞、擴散快，沿程損失越小，最終有利于加固區內地下水位的下降。

4.3地下水位與孔隙水壓力的關系

如圖5所示，埋深9m、12 m、15 m處的孔隙水壓力最大降幅分別為67 kPa、67 kPa、60 kPa。

圖5　地下水位與孔隙水壓力關系圖Fig.5　Relationship between the groundwater leveland the porewater pressure

真空預壓加固軟土地基時，影響預壓過程中孔隙水壓力分布與變化的主要因素有：抽真空引起的地下水位降幅和由真空度的傳遞引起的負孔隙水壓力[9]。選取本次試驗段5月7日，埋深9m、12 m、15 m處測得的孔隙水壓力分別為25 kPa、64 kPa、29 kPa，與初始孔隙水壓力相比分別下降了61 kPa、46 kPa、43 kPa，此時地下水位降深為3.565m，所以由地下水位下降引起的孔隙水壓力消散值為35.65 kPa，由真空度傳遞引起的孔隙水壓力消散值應為初始孔隙水壓力下降值減去35.65 kPa，分別約為25 kPa、10 kPa、7 kPa。

因真空度傳遞引起的孔隙水壓力消散相對較小，故真空預壓過程中孔隙水壓力的消散主要是由于地下水位下降引起的，說明孔隙水壓力變化受地下水位變化的影響較大。由于本次試驗所埋設的孔隙水壓力計始終位于地下水位線以下，故上述結論也只適用于地下水位線以下土體中孔隙水壓力的消散情況。據文獻[10]分析，地下水位線以上土體中孔隙水壓力的變化情況與上述情況正好相反。

5　地下水位變化機理分析

本次現場試驗采用了新型水位管進行地下水位的測試，獲得了真實的真空預壓條件下地下水位的變化情況，試驗結果表明真空預壓期間地下水位是下降的，且加固區中心地下水位降幅高于加固區邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

真空預壓時，首先由真空泵產生負壓傳遞到砂墊層，將砂墊層中的水氣吸出，使得帶有大量氣泡的水被抽出。緊接著，負壓借助于塑料排水板或砂井，在整個加固區內形成真空滲流場。真空滲流場理論[8]認為，負壓作用首先在土體中孔隙較大處形成“真空滲流”，土體中孔隙較小處的孔隙水與較大孔隙處的“真空流體”在壓差的作用下被吸出，產生固結。最后，地下水在重力及水頭差的作用下，沿著砂墊層中分布的管道排出，使得加固區內地下水位下降[11]。

在加固區中部，由于存在壓差，地基中的孔隙水向豎向排水體滲流，在水頭差和重力作用下不斷排出。對于單個豎向排水體，孔隙水補給來自于3個方面：一是來自于加固區下部孔隙水的補給；二是來自于相鄰土體孔隙水的補給；三是來自于加固區邊緣孔隙水的補給。由于豎向滲透系數總是小于水平向滲透系數，除非豎向排水體打穿承壓水層，一般情況下，加固區下部水的補給可以不予考慮。而來自于相鄰土體孔隙水的補給也有限，因此，孔隙水補給主要來自于加固區邊緣。隨著抽真空的進行，加固區邊緣的水不斷地涌向加固區內。但因真空預壓加固對象多為軟土層，厚度大，土體滲透系數小，故孔隙水補給需要一定的時間，越接近加固區中心補給就越困難，即孔隙水補給有一定的延時性。

在加固區邊界，抽真空初期，由于負壓尚未傳遞到加固區外，邊界外側地下水位無變化，邊界內側地下水位下降幅度較小。隨著抽真空的進行，加固區內地下水位逐漸達到動態平衡，邊界外側孔隙水不斷涌向加固區內，進行滲流補給，使得邊界內側地下水位降深不大。因地下水的“水封”作用，使得加固區內側真空度無法向下傳遞，而加固區外側向內的滲流不斷進行，引起加固區外側地下水位下降。

總而言之，從真空預壓加固機理的角度去研究地下水位的變化，真空滲流場理論和真空負壓理論都一致認為：在真空預壓過程中，隨著負壓在地基中的傳遞和擴散，土體中將產生孔隙水壓力差，孔隙水在此壓力差的作用下被沿塑料排水板或砂井及砂墊層中的管道排出，而加固區內的孔隙水因土體滲透系數小，補給時間長，使得孔隙水的排出量始終大于周圍水流的補給量，從而使加固區內總體水量減小，地下水位產生下降。

6　結語

1）與常規水位管法的現場對比試驗，驗證了河海大學研制的新型水位管法能夠滿足真空預壓條件下地下水位的測試要求，所測結果更加可信。

2）真空預壓加固初期，加固區內地下水位下降較為顯著，之后處于相對穩定下降狀態。因周圍地下水補給影響不同，加固區中心處地下水位降幅大于加固區邊緣處，降水曲線呈漏斗狀。

3）真空預壓期間地下水位和表面沉降變化規律一致，兩者之間存在較好的線性擬合關系；地下水位和真空度變化也表現出良好的一致性，一旦真空度出現波動，地下水位也隨之波動；孔隙水壓力同樣受地下水位變化影響顯著。

4）在真空預壓過程中，孔隙水在負壓的作用下被排出，而加固區內的孔隙水由于土體滲透系數小，使得孔隙水的排出量始終大于周圍水流的補給量，從而使加固區內總體水量減小，地下水位產生下降。

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Field test research on groundwater level under vacuum preloading

ZHUYan1,3,CHEN Jia-jia2,YUXiang-juan3
（1.ArchitecturalEngineering InstituteofNantong VocationalUniversity,Nantong,Jiangsu 226007,China;2.Jiangsu Nantong Liujian Construction Group Co.,Ltd.,Nantong,Jiangsu 226500,China;3.Geotechnical Research Institute of HohaiUniversity, Nanjing,Jiangsu210098,China）

The new water gagemethod is used to test groundwater level under vacuum preloading.Through the contrast of conventionalwater gagemethod and new water gagemethod in the field tests,we verified the feasibility of the new water gage method.The system analysis is carried with other field collected data to understand the inner link between underground water level and surface settlement,vacuum degree and pore water pressure.The variation law of the groundwater level under vacuum preloading issummarized,and the changemechanism of thegroundwater level isanalyzed.

vacuum preloading;groundwater level;the new water gagemethod;field test;variation law

U655.544.4

B

2095-7874（2016）10-0026-05

10.7640/zggw js201610006

2016-06-28

鐵道部科技研究開發計劃課題（2008G031-C）；江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（PPZY2015B183）

朱燕（1985— ），女，博士研究生，講師，國家注冊一級建造師，主要從事軟土地基處理、基礎工程施工的教學和研究。E-mail：355822025@qq.com