軟土地基孔隙水壓力監控問題與圖解法實踐

李正凱 王帥昊

(1.廣州市高速公路有限公司，廣東 廣州 510305； 2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

1孔隙水壓力監控存在的問題

1.1 孔隙水壓力觀測

為防止填土速率過快造成路堤失穩，在軟土地基上修筑高速公路時要進行施工觀測。常采用單級孔壓系數與綜合孔壓系數控制填土速率，但控制指標在規范中并未涉及[1]，設計圖一般定為：前者小于0.6，后者小于0.4。

根據孔隙水壓力理論，孔隙水壓力系數：

B單級=Δu/Δp。

而綜合孔隙水壓力系數：

B綜合=(Ui-U0)/∑Δpi。

其中，Δu為超孔隙水壓力增量，kPa；Δp為荷載增量，kPa；U0,Ui為初始、第i測點孔隙水壓力，kPa；∑Δpi為累計到第i級的總荷載，kPa。

通過孔隙水壓力探頭測到的總孔隙水壓力U包括兩部分：靜水壓力h和由附加應力(路基上填土)所引起的超孔隙水壓力u。受各種條件限制，U很方便獲得，可其余兩參數的獲取均存在問題。

1.2 靜水壓力的定義缺陷

靜水壓力h的定義為：“給定點與自由水位高程差引起的水壓力”[2]。但是地處坡體的穩定滲流上的土體(如高速公路半挖半填段)，按此定義，其靜水壓力u=rωh(此處h為土體到坡體自由水位高程差)。從該土體所處重力勢與壓力勢分析，上式中土體到自由水位高程差應是該土體的等勢線在該土體豎向垂直線上的投影h′(h′

為此，建議暫將滲流中的孔隙水壓力歸入靜水壓力范疇計算，以求結果統一。

1.3 靜水壓力觀測的困惑

在路基兩側邊坡設置水位觀測點，根據觀測結果可推算出其對路基的浸潤線，此后依據兩測次浸潤線在孔壓測點垂直向定點A(如圖1所示)的變化差h以計算靜水壓力。

對于兩側處在與外界相通的河湖塘堰的路基，通過對其自由水位高程的觀測，采用上述方法決定h可行。但對于路基兩側(或一側)在沒有可視的自由水位情況下，一般在路基邊坡設置地下水位觀測管(見圖2)。并且要注意將水位管埋置在遠離路基應力影響范圍外的地方。

1.4 浸潤線的計算

浸潤線計算公式多且繁雜；其使用邊界條件各不相同，涉及參數也多，如地基滲透系數、路基滲透系數、透水地基厚度、滲流線長度、路基兩側坡比與水位等。故其是否需要用于高速公路工程性(非研究性)的路基觀測，值得商榷。

1.5 荷載增量的確定

荷載增量是計算孔隙水壓力系數的參數之一。工程性觀測多采用現場量測的方法以確定填土厚度。目前采用的方法有兩種：松鋪計算法和壓實計算法。前者誤差往往大于后者，但取值快。在工程實踐中，建議在路基平整碾壓完成后取多點測量以計算荷載增量。

由于影響靜水壓力h觀測與計算的不定因素太多，最終會影響到孔隙水壓力系數的計算結果。目前，單純依靠現場和室內試驗“很難確定孔隙水壓力值相對于靜水壓力計算值折減公式的普遍規律或適用的計算公式”[3]，并提出“具體問題具體分析”。

1.6 孔隙水壓力監控圖解法的提出

孔隙水壓力是一種觀測方法，它有別于傳統的幾何變形觀測法，而是從應力角度分析土體形變。實踐表明，孔隙水壓力觀測靈敏度遠高于幾何變形觀測。當荷載施加于軟土之上，現場可立即測得孔隙水壓力的變化情況。而沉降與位移觀測與之相比總顯得有些滯后。

產生上述現象的原因系因孔隙水排出的過程就是土體固結的過程，從外加荷載施加于土體、土體內超孔隙水壓力增加、導致孔隙水排出，土體固結的過程往往需要一定的時間，因而沉降觀測資料的獲得往往要滯后孔壓一段時間。該段“時間差”對于處于臨界狀況下的路基安全將顯得格外的重要。

為尋求一個更接近真實情況、可操作性強的孔隙水壓力監控新方法，經驗總結后提出孔隙水壓力監控圖解法，并已經過廣梧高速公路第18合同段軟基觀測工程的實踐。

2 孔隙水壓力監控圖解法

孔隙水壓力監控圖解法是在孔隙水壓力過程線上繪制“預警線”以控制填土速率的一種新方法。它僅需要依據孔隙水壓力曲線并在其上繪制“預警線”，反過來又以此“預警線”控制下一階段的填土速率。

2.1 “預警線”的確定

在軟土地基上施工，設計多要求填土采用“薄層輪加法”進行分級加載施工。故可依據填土厚度的多少，確定分級加載的次數與每級加載后路基所需或能有的預壓時間。

孔隙水壓力與設置在同一斷面的沉降板同步觀測。由于首次加載大多在路基“極限填土高程”內施工，因此可連續加載。但每層土加載厚度必須控制在25 cm以內[1]。此外，填土速率仍按設計要求的沉降速率、位移速率與孔隙水壓力系數進行控制。該級加載完成后，取加載期間孔隙水壓力的最高峰值點a作為“預警線”的“起點”(見圖4)。

第一級加載完成后，必須停載預壓一段時間以后再進行下一級加載。兩者加載間隔時間不得少于10 d，以使地基有充裕的時間進行排水固結，從而提高地基承載力以利于下一級加載。

第二級加載與第一級相同。加載完成后取本級加載過程中孔隙水壓力最高峰值點b作為“預警線”的“終點”。連接ab并延長，即得本測點孔隙水壓力監控的“預警線”。

兩級加載完成后，觀察路基是否產生病害。無則用“預警線”，有則棄。

有時b點孔壓值不易超過a點孔壓值，所繪出的“預警線”斜率很小甚至呈水平狀。解決的方法除采用必要的工程措施(如疏通橫向排水體)外，也可以延長預壓時間后重新進行上述工作以確定點b。

2.2 “預警線”的修正

“預警線”是第一、二級加載現場實踐的產物，其斜率能如實地反映出加載過程中荷載與地基承載力之間互依互漲的關系，從某種程度上也能反映出后續加載期間荷載與地基承載力之間的這一關系，但存在著數量大小的變化。為慎重起見，有必要對其予以修正。

在恒力作用下，路基承載力的提高與預壓時間成正比。因此，可按預壓時間的長短對“預警線”進行修正。方法是取1/2預壓時間時所測得的孔壓值作為“預警線”修正的起點e，并過e作原預警線的平行線ef(見圖4)即可。

2.3 “預警線”的應用

將觀測到的孔隙水壓力值輸入電腦，觀察所測孔隙水壓力值與“預警線”間的距離：

1)倘若觀測值在“預警線”下方，表明路基荷載的增加與地基承載力提高處在相適應的狀態之中，因此可進行下一層土的加載，而且兩者間距較大時可以適度增大填土速率。

2)倘若接近或超過“預警線”，則表明荷載的增加已與路基承載力不相適應，須考慮立即停止加載。

3 工程實例

3.1 工程簡介

某高速公路K118+250～K118+360段左側為山體，右側為軟土地基，屬典型半挖半填路段，地鉆資料揭露本區0.5 m耕作土下藏臥著8.6 m厚左右的淤泥質粘土與亞粘土，其下為強風化粉質砂巖。

該段采用3塊沉降板、2根位移邊樁與2支孔壓計對路基加載進行監控。設計要求監控指標為：單級孔壓系數小于0.6、綜合孔壓系數小于0.4、沉降每天小于10 mm、水平位移每天小于5 mm時方可進行加載。

3.2 觀測過程

3.2.1沉降觀測

從圖3可見：土體的沉降與荷載的施加呈良好的對應關系，兩者反應靈敏。曲線上明顯有多處“拐點”，且多發生在各級加載過程之初，符合一般規律。

3.2.2孔隙水壓力觀測

圖4為本段設置的2支孔壓計所測孔隙水壓力—時間關系曲線?？讐河嫹謩e埋置在原地面下3 m，7 m的軟土層內，其測孔號分別為1號、2號。與沉降曲線相同，孔隙水壓力與荷載呈良好的對應關系，兩者反應相當靈敏。

3.3 預警線的確定與修正

按孔隙水壓力監控圖解法繪制“預警線”。在實際施工中，考慮天氣、料場、機械調配等諸多因素，加載往往是零星、間斷型的。這種加載導致孔壓增長與消散反映在曲線圖上呈鋸齒狀。但只要曲線總體仍呈水平狀或下降趨勢，為簡便起見，也可直接取下降曲線中點作為“預警線”修正的起點。

3.4 監控過程

3月18日，兩孔測點孔隙水壓力均超過了預警線。為慎重起見，同時也為了檢驗預警線的可靠性，對當天沉降與孔壓系數進行計算以作比較。3月19日觀測孔隙水壓力值仍超過預警線，按常規下達了“停載通知”。3月23日發現該段路基邊溝內壁產生裂縫，邊溝底部凸起(事后報設計院變更采取了反壓護道等工程措施)。說明此次“停載通知”下達是及時的，同時也說明采用“預警線”對加載進行監控的可行性。

通車后的觀測結果表明，之后采用的快速加載對路基并未產生任何病害，此外本工程采用孔隙水壓力圖解法控制路基加載的實踐是成功的。

4 結語

工程實踐成功說明了該圖解法的可靠性。它源于工程又用于工程，具有簡單直觀可操作的特點，因而更能真實反映各測點的實際情況，有效控制加載速率。

參考文獻:

[1] JTJ 017— 96,公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].

[2] GB/T 50279— 98,巖土工程基本術語標準[S].

[3] 魏海燕,孫保衛,徐宏聲.地基土中孔隙水壓力的現場測試、室內試驗與模擬[J].建筑技術,2000(sup):104.

[4] 李廣信.土體、土骨架、土中應力及其他——兼與陳津民先生討論[J].巖土工程界,2005,8(7):14-17.