顧龍聲

(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，天津 300456)

真空預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，若地下水位下降[1-2]，則為真空預(yù)壓與降水預(yù)壓的雙重加固效果；若地下水位上升[3-4]，則為上述兩者之差的效果；若地下水位不變[5]，則僅為真空預(yù)壓加固效果，所以準(zhǔn)確測(cè)量地下水位關(guān)系到真空預(yù)壓的加固效果，同時(shí)也直接影響到對(duì)真空預(yù)壓機(jī)理的認(rèn)識(shí)。究其原因，一方面是地下水位的測(cè)試技術(shù)與方法不夠完善，盡管閉口法地下水位測(cè)試技術(shù)已優(yōu)于敞口法，但仍有一些不足，常見的閉口法[6-7]地下水位測(cè)量方法是：先打設(shè)水位管裝置，該裝置由兩根不同直徑的PVC內(nèi)外管、磁環(huán)浮標(biāo)、限位器、電感應(yīng)器等部分組成，地下水通過(guò)外管壁上滲水孔滲入與大氣隔絕的內(nèi)外管之間，此水位即為負(fù)壓條件下的地下水位，在這兩根不同直徑且相對(duì)位置固定的內(nèi)外管之間放置的磁環(huán)浮標(biāo)浮于水面上，且隨地下水位沿內(nèi)管上下自由浮動(dòng)，磁環(huán)浮標(biāo)的位置即為地下水表面位置，可通過(guò)鋼尺沉降儀來(lái)確定磁環(huán)浮標(biāo)的位置。此方法能基本解決水位管與大氣相通的問(wèn)題，但是該裝置很難保證水位管內(nèi)外的真空度一致，且由于沒(méi)有考慮土層固結(jié)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，很難保證在地基的加固過(guò)程中(特別是真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法)始終保證水位管與大氣不相通，同時(shí)每次測(cè)量地下水位時(shí)還需要測(cè)量?jī)?nèi)管上端高程才能獲取準(zhǔn)確的地下水位高程，相對(duì)較繁瑣。另一方面是對(duì)地下水位的基本概念未取得統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，這兩方面原因造成測(cè)試結(jié)果難以被后續(xù)學(xué)者及工程技術(shù)人員借鑒和分析判斷。為此本文先闡述了地下水位的基本定義，然后分析了影響真空預(yù)壓地下水位測(cè)量結(jié)果的主要因素，在此基礎(chǔ)上，提出了一種能夠在考慮土層固結(jié)影響且能保證水位管與大氣不連通的情況下較為簡(jiǎn)便地獲得相對(duì)準(zhǔn)確的地下水位高程的測(cè)試技術(shù)，并給出了修正方法。結(jié)合連云港盛虹煉化一體化項(xiàng)目一期工程(第2標(biāo)段)地基預(yù)處理項(xiàng)目，驗(yàn)證了此測(cè)試技術(shù)的可行性。

1 地下水位的基本概念

關(guān)于地下水，學(xué)者Freeze和Cherry[8]定義為“出現(xiàn)在已經(jīng)充分飽和了的土層和地質(zhì)層組中的地下水位以下的水體”。土體中的孔隙水壓力為靜水壓力和超靜孔隙水壓力(超靜孔隙水壓力泛指土體的某點(diǎn)在某一時(shí)刻的孔隙水壓力值減去同一點(diǎn)在同一時(shí)刻的靜水壓力的差值[9])之和，其中靜水壓力是重力的反映，它對(duì)土體有浮力作用，決定著地下水位線；而超靜孔隙水壓力為外荷載的反映，它不會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生浮力作用，并且兩者是相互獨(dú)立、互不影響的。例如，真空預(yù)壓時(shí)瞬時(shí)施加80 kPa的負(fù)壓，在豎向排水體與土體中形成負(fù)壓滲流場(chǎng)，假設(shè)在靜水壓力為零點(diǎn)處迅速產(chǎn)生80 kPa負(fù)超靜孔隙水壓力(不考慮真空度衰減等因素)，則該點(diǎn)處孔隙水壓力立即減少了80 kPa。若將孔隙水壓力為零線定義為地下水位線，如圖1所示，則地下水位應(yīng)該會(huì)迅速下降8 m，這顯然不符合實(shí)際情況。此時(shí)的靜水壓力并沒(méi)有發(fā)生變化，水位也沒(méi)有變化。只是隨著孔隙水的排出，土體逐漸固結(jié)，負(fù)超靜孔隙水壓力逐漸消散，僅超靜孔隙水壓力一直在變化。因此將孔隙水壓力為零線定義為地下水位線是不符合實(shí)際的。

圖1 真空預(yù)壓中地下水位示意圖Fig.1 Schematic diagram of groundwater level in vacuum preloading

從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，在真空預(yù)壓中考慮地下水位變化的影響時(shí)，研究的對(duì)象是土中的重力水，因?yàn)橹亓λ畷?huì)對(duì)土顆粒有浮力作用，會(huì)改變土體的重度，其中重力水指存在于地下水位以下透水層中的水。而存在于地下水位以上透水層中的水為毛細(xì)水，毛細(xì)水的孔隙水壓力為負(fù)值。由此可以認(rèn)為土體中液態(tài)水中的重力水的水面(靜水壓力為零面)即為地下水位線(面)，而不是飽和土與非飽和土的分界線，如圖1所示。由于毛細(xì)水的上升高度取決于土體中毛細(xì)孔直徑，直徑越小，其上升高度越大。如果毛細(xì)孔直徑足夠大，毛細(xì)水上升高度可忽略不計(jì)。因此，工程中一般采用直徑為53 mm的PVC管插入土體中測(cè)量地下水位，靜置至平衡狀態(tài)時(shí)管內(nèi)的水位即為重力水面(靜水壓力為零面)，亦即地下水位面。所以，靜水壓力為零線(面)才是真正的地下水位線。

2 影響地下水位測(cè)試結(jié)果的主要因素

影響地下水位測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素包括地基土為欠固結(jié)狀態(tài)、不同的測(cè)試方法、地基土固結(jié)沉降的影響、測(cè)試人員或儀器埋設(shè)人員的不當(dāng)操作，具體影響情況如下：

(1)欠固結(jié)地基土的影響：如圖2所示，欠固結(jié)土層中的初始孔隙水壓力值大于初始靜水壓力值，且越深處差值越大，這是由于越深處孔隙水壓力消散越慢。計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮，因?yàn)檫@部分差值并不是真空預(yù)壓降低的水位線，采用非直接法測(cè)量地下水位時(shí)需重點(diǎn)考慮。因此推薦使用直接法進(jìn)行地下水位高程測(cè)量。

圖2 欠固結(jié)地基土加固前實(shí)測(cè)孔隙水壓力線Fig.2 Curves of pore water pressure of underconsolidated soils before improvement

(2)測(cè)試方法的影響：采用敞口法測(cè)試時(shí)，大氣壓力在敞口瞬間迅速作用于水位管內(nèi)的地下水面上，地下水位必將迅速降低，而這部分降低值并非真空預(yù)壓降低的水位線；采用非直接法時(shí)，無(wú)法避免真空和孔壓測(cè)頭不穩(wěn)定產(chǎn)生波動(dòng)，及其偶合疊加的影響。

(3)地基土固結(jié)沉降的影響：考慮到地下水位測(cè)量裝置一般為帶連接頭的直管(水位管)，隨著地基土的固結(jié)沉降，水位管與密封膜的接頭處發(fā)生錯(cuò)位漏氣的概率極大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)綜合考慮兩者接頭處的處理，現(xiàn)有的閉口法地下水位測(cè)試方法都未考慮此影響因素。

(4)人為操作的影響：采用高壓水沖法成孔時(shí)，人為地增大了土體的初始孔壓，且需要較長(zhǎng)時(shí)間才能消散，所以現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)應(yīng)使用全套管法成孔，以消除其影響；由于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員操作失當(dāng)導(dǎo)致水位測(cè)管內(nèi)真空度與實(shí)際不符。

3 真空預(yù)壓中考慮固結(jié)沉降的閉口式地下水位測(cè)試裝置

3.1 測(cè)試裝置的構(gòu)造

如圖3所示，本裝置主要包括豎向設(shè)置的外管、內(nèi)管(由上部主管和下部限位導(dǎo)向管組成)和鋼尺沉降儀；外管與上部主管之間形成有封閉的環(huán)形空間，在環(huán)形空間內(nèi)設(shè)有磁力浮，在下部限位導(dǎo)向管的上端設(shè)有測(cè)量頂蓋，上部主管插裝在下部限位導(dǎo)向管內(nèi)，其中下部限位導(dǎo)向管下端是密封的，外管的上端與密封膜密封連接，在外管的上端連接有密封頂蓋，鋼尺沉降儀的測(cè)頭放置在上部主管內(nèi)。

圖3 真空預(yù)壓地下水位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of groundwater level measuring device in vacuum preloading

(1)外管特征：兩端部做成直管段的帶鋼絲蛇形管，上端部直管段帶絲扣且蛇形管通長(zhǎng)部分帶直徑約為5 mm的滲水孔,其自然長(zhǎng)度為6 m，外徑約為160 mm，完全壓縮狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)度小于4.5 m，內(nèi)徑約為140 mm，且處于120 kPa壓力下時(shí)不發(fā)生徑向變形；

(2)上部主管特征：底部封閉且外帶4個(gè)凸起塊的PVC直管，其長(zhǎng)度為6 m，外徑約為53 mm，內(nèi)徑約為45 mm；

(3)磁力浮特征：內(nèi)置高強(qiáng)磁鐵的高壓硬質(zhì)泡沫，其高度為100 mm，外徑為100 mm，內(nèi)徑為60 mm；

(4)測(cè)量頂蓋特征：內(nèi)部含有高強(qiáng)磁鐵。

3.2 測(cè)試裝置的埋設(shè)

軟土地基的豎向排水通道打設(shè)完畢后埋設(shè)本測(cè)量裝置，埋設(shè)裝置的鉆孔全部用套管成孔(禁用高壓水沖)。埋設(shè)前，外管裹一層土工布且確保不影響其自由伸縮(防止泥砂進(jìn)入外管內(nèi))，裝置完成組裝，但密封頂蓋先不固定，埋設(shè)時(shí)首先將上部主管的下端放置到下部限位導(dǎo)向管的底部，確保外管在保持伸縮狀態(tài)下進(jìn)行埋設(shè)，待裝置埋設(shè)完畢后將密封膜與外管密封連接，然后將上部主管的下端提至測(cè)量頂蓋處，在密封頂蓋上與上部主管的接觸處套上密封圈，并打設(shè)玻璃膠密封，確保密封頂蓋與上部主管在測(cè)量過(guò)程中不發(fā)生位移且不漏氣。

3.3 測(cè)量裝置的工作原理

地下水通過(guò)滲水孔滲入到外管內(nèi)，此水位即為負(fù)壓條件下的地下水位。由于外管可隨土體的固結(jié)沉降而壓縮，進(jìn)而可保證在地基加固過(guò)程中外管始終與大氣隔絕，且測(cè)量頂蓋至上部主管上端的距離變化量即為內(nèi)外管埋設(shè)深度范圍內(nèi)土層的固結(jié)沉降量；磁力浮浮于外管內(nèi)的水面上，且能隨地下水位的變化沿上部主管上下自由浮動(dòng)，此時(shí)磁力浮的位置即為地下水表面的位置，通過(guò)鋼尺沉降儀可以讀出磁力浮和測(cè)量頂蓋至上部主管頂端的距離。

應(yīng)用上述真空預(yù)壓地下水位測(cè)量裝置測(cè)量地下水位的方法為：

(1)首次測(cè)量時(shí)，采用水準(zhǔn)儀通過(guò)已知高程點(diǎn)引測(cè)出上部主管頂端的高程HS0，通過(guò)鋼尺沉降儀測(cè)出磁力浮至上部主管頂端的距離LF，通過(guò)鋼尺沉降儀測(cè)出測(cè)量頂蓋至上部主管頂端的距離LC0，則地下水位高程的初始值為：HA0=HS0-LF。

(2)在地基發(fā)生固結(jié)沉降后，通過(guò)鋼尺沉降儀測(cè)出磁力浮至上部主管頂端的距離，第j次測(cè)量值為L(zhǎng)Fj，通過(guò)鋼尺沉降儀測(cè)出測(cè)量頂蓋至上部主管頂端的距離，第j次測(cè)量值為L(zhǎng)Cj。假設(shè)測(cè)量值(LC0-LCj)為第j次測(cè)量時(shí)上部主管頂端高程的下降值，盡管第j次測(cè)量時(shí)上部主管頂端高程下降值應(yīng)該為裝置埋設(shè)處全部土層的固結(jié)沉降量，而不僅僅是測(cè)量值(LC0-LCj)，但實(shí)際工程中采用真空預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)的固結(jié)沉降量一般主要發(fā)生在地基土表層6 m深度范圍內(nèi)，因此采用測(cè)量值(LC0-LCj)代替上部主管頂端高程下降值是切實(shí)可行的，能夠滿足工程的要求，則地下水位高程測(cè)量值

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

(1)

式中：HA0,j為第j次地下水位高程的測(cè)量值(j=1,2,3,4…n)，m；HS0為裝置埋設(shè)完畢后上部主管頂端高程的實(shí)測(cè)初始值，m；LC0為裝置埋設(shè)完畢后測(cè)量頂蓋至上部主管頂端距離的初始值，m；LCj為第j次測(cè)量時(shí)測(cè)量頂蓋至上部主管頂端的距離，m；LFj為第j次測(cè)量時(shí)磁力浮至上部主管頂端的距離，m，測(cè)量結(jié)果小數(shù)點(diǎn)后保留3位有效數(shù)字。

為了獲取更為準(zhǔn)確的地下水位高程值，可間隔一段時(shí)間(預(yù)壓第一個(gè)月內(nèi)建議一周修正一次，以后可一個(gè)月修正一次)采用水準(zhǔn)儀對(duì)上部主管的頂端高程進(jìn)行復(fù)測(cè)來(lái)對(duì)式(1)的地下水位高程測(cè)量值HA0,j進(jìn)行修正，具體方法如下：

采用以下公式對(duì)式(1)獲得的地下水位高程測(cè)量值HA0,j進(jìn)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為第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程后的第j次地下水位高程測(cè)量值的修正值(i=0,1, 2,3,4…k;j=1,2,3,4…n)，m；HAi,j為第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程后的第j次地下水位高程的測(cè)量值，當(dāng)i=0時(shí)，即為HA0,j，m；HSi為第i次復(fù)測(cè)時(shí)上部主管頂端高程的實(shí)測(cè)值，m；ni為第i次至第i+1次復(fù)測(cè)間隔時(shí)間內(nèi)的地下水位高程的測(cè)量總次數(shù)；LCi,j為第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程后的第j次測(cè)量頂蓋至上部主管頂端距離的測(cè)量值，m。

上述修正方法的依據(jù)為：由于提出公式(1)的前提是假設(shè)測(cè)量值(LC0-LCj)為第j次測(cè)量時(shí)上部主管頂端高程的下降值，但上部主管頂端高程的實(shí)際下降值應(yīng)該為裝置埋設(shè)處全部土層的固結(jié)沉降量，且大于測(cè)量值(LC0-LCj)。為了獲取更為準(zhǔn)確的地下水位高程，需要對(duì)上部主管頂端的高程進(jìn)行復(fù)測(cè)來(lái)修正地下水位高程的測(cè)量值，具體修正方法見圖4，考慮實(shí)際工程中，地下水位高程的測(cè)量頻率一般為1次/d。

圖4 真空預(yù)壓地下水位測(cè)量修正方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of correction method for measuring groundwater level in vacuum preloading

圖4中S1表示第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程之前上部主管頂端高程的實(shí)際下降值與測(cè)量值的差值，即S1=[(HSi-HS0)- (LC0-LCi,0)]，其中LCi,0為第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程時(shí)測(cè)量頂蓋至上部主管頂端距離的測(cè)量值；圖4中S2表示第i次復(fù)測(cè)上部主管頂端高程至第j次測(cè)量地下水位的時(shí)間段內(nèi)上部主管頂端高程的實(shí)際下降值與測(cè)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；則修正值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 測(cè)試裝置的優(yōu)點(diǎn)及積極效果

(1)外管采用帶有鋼絲的波紋伸縮管，與軟土地基砂墊層上的密封膜密封連接且可隨土體的固結(jié)沉降而壓縮，消除了固結(jié)沉降對(duì)測(cè)試的影響，進(jìn)而有效地保證了在地基加固過(guò)程中外管始終密閉不與大氣連通。

(2)直接測(cè)量地下水位，消除了采用真空和孔壓測(cè)頭不穩(wěn)定產(chǎn)生波動(dòng)，及其偶合疊加的影響。

(3)真空預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，地基的表層沉降主要來(lái)自于地面下6 m左右深度范圍內(nèi)土體的固結(jié)沉降，而本裝置測(cè)量地下水位的同時(shí)可測(cè)得裝置埋設(shè)深度范圍內(nèi)土層的固結(jié)沉降量，因此可有效地減少上部主管上端高程的測(cè)量頻次，且測(cè)量結(jié)果能夠滿足工程要求。

(4)采用修正公式可獲得更為準(zhǔn)確的地下水位高程值，且復(fù)測(cè)上部主管上端高程的次數(shù)越多，精度越高。

4 工程應(yīng)用

連云港盛虹煉化一體化項(xiàng)目一期工程(第2標(biāo)段)地基預(yù)處理項(xiàng)目位于連云港市徐圩新區(qū)石化功能區(qū)，由陬山路、港前四路、蘇海路及江蘇大道所圍形成，該標(biāo)段地基處理總面積為554 670 m2，劃分為12個(gè)區(qū)，各區(qū)均采用真空預(yù)壓處理工藝。工程場(chǎng)地埋深17.0 m范圍內(nèi)主要為①1素填土層(主要以河浜土為主，厚度為1.2～1.5 m，施工前經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的晾曬，基本能滿足挖機(jī)行駛作業(yè))、①2粘土層(厚度為1.2～1.5 m，平均孔隙比e=1.12，平均含水率w=40.5%)及②淤泥層(平均孔隙比e=1.67，平均含水率w=60%，平均垂直滲透系數(shù)kv=7.34×10-8cm/s)，埋深17.0 m以下以可塑的黏性土夾稍密-中密狀的粉土、粉細(xì)砂為主，局部地區(qū)砂層較厚。地基土在水平向變化一般，在豎向按成因規(guī)律變化，受古地形地貌及沉積環(huán)境影響，局部地層在水平向和豎向變化較大。選擇1區(qū)、5區(qū)的中間位置埋設(shè)敞口法水位管及文中提出的新測(cè)試技術(shù)水位管，其中新測(cè)試技術(shù)水位管在整個(gè)地下水位測(cè)量過(guò)程中均未發(fā)生漏氣情況，地下水位高程測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線如圖5。

注：本裝置未考慮埋深6 m以下土層的固結(jié)沉降量，其修正值即把土層6 m以下固結(jié)沉降量也考慮進(jìn)來(lái)，圖中修正值為每月對(duì)上部主管的頂端高程進(jìn)行復(fù)測(cè)得到的結(jié)果。圖5 真空預(yù)壓1區(qū)、5區(qū)兩種方法(含修正值)測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線Fig.5 Comparing curves of test results by two methods of vacuum preloading in zone 1 and zone 5

據(jù)圖5可知：敞口法測(cè)得的地下水位高程變化幅度較大。新測(cè)試技術(shù)測(cè)量的地下水位高程剛開始略有波動(dòng)，而后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中新測(cè)試技術(shù)未修正值均大于其修正值，且最大差值為8 cm，這部分差值其實(shí)就是埋深6 m以下土層的固結(jié)沉降量，對(duì)于本工程而言新測(cè)試技術(shù)未修正值也基本能滿足工程精度要求。

由于敞口法測(cè)量時(shí)與大氣處于連通狀態(tài)，且未考慮地基土固結(jié)沉降的影響，無(wú)法準(zhǔn)確反映真空預(yù)壓條件下地下水位高程的變化情況；而在本實(shí)例工程中采用的新測(cè)試技術(shù)基本消除了欠固結(jié)地基土的影響、測(cè)試方法的影響、地基土固結(jié)沉降的影響、人為操作的影響等4個(gè)主要影響因素，且整個(gè)地基加固過(guò)程中未出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，因此新測(cè)試技術(shù)修正值可以較為準(zhǔn)確地反映預(yù)壓條件下地下水位高程的實(shí)際情況。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)飽和土層與非飽和土層的分界線(面)、孔隙水壓力為零線(面)、靜水壓力為零線(面)的對(duì)比分析，得出靜水壓力為零線(面)才是真正的地下水位線。

(2)影響地下水位測(cè)試結(jié)果的主要因素為：地基土欠固結(jié)、測(cè)試方法、地基土固結(jié)沉降、人為操作。

(3)本文提出一種閉口式真空預(yù)壓地下水位測(cè)量裝置，以便能夠在考慮土層固結(jié)影響且能保證水位管與大氣不連通的情況下較為簡(jiǎn)便地獲得軟土地基在真空預(yù)壓法加固過(guò)程中相對(duì)準(zhǔn)確的地下水位高程；并提出地下水位測(cè)量的計(jì)算方法及修正方法。

(4)通過(guò)連云港某項(xiàng)目新測(cè)試技術(shù)的運(yùn)用情況表明：新測(cè)試技術(shù)修正值可以較為準(zhǔn)確地反映預(yù)壓條件下地下水位高程的實(shí)際情況；在整個(gè)地下水位高程測(cè)量過(guò)程中新測(cè)試技術(shù)未修正值均大于其修正值，且最大差值為8 cm(其差值實(shí)際即為埋深6 m以下土層的固結(jié)沉降量)。