徐仁宇，王俊剛，李一凡，姚 鑫，王朝陽

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266033)

由于社會(huì)發(fā)展的需求，近岸工程行業(yè)也快速崛起并發(fā)展到一定水平，伴隨而來的是一系列的工程問題，軟基處理就是其中之一.加固軟基最為常用的手段之一就是真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓[1-2]，目的就是利用加載和抽真空的方法增加有效應(yīng)力[3]，加大施工階段沉降量，減小或消除工后沉降，在這一過程中飽和土中的孔隙正壓與孔隙負(fù)壓以及非飽和土中的孔隙正壓與孔隙負(fù)壓均會(huì)起到重要作用.眾多資料表明軟基沉降與孔隙壓力有關(guān)，且孔隙負(fù)壓在軟基加固過程中起到了很大的作用.因此，若能準(zhǔn)確測(cè)得孔隙負(fù)壓的大小及其變化規(guī)律，令壓實(shí)機(jī)械在軟基出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)進(jìn)行施工，對(duì)于加速施工沉降，減小工后沉降具有重大作用.現(xiàn)有技術(shù)在測(cè)量飽和土孔隙正壓方面已較為成熟，在測(cè)量飽和土孔隙負(fù)壓方面也有部分參考資料提及，但在對(duì)于如何準(zhǔn)確測(cè)量非飽和土正壓與負(fù)壓方面還不完善.利用課題組自行設(shè)計(jì)制作的裝置可以解決這一問題.本文介紹了利用課題組自行設(shè)計(jì)制作的裝置進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)情況，主要研究了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試非飽和土孔隙負(fù)壓及其與地下水位的關(guān)系[4]，并以此為依據(jù)，應(yīng)用在工程實(shí)踐中.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及裝置簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)過程均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置是利用連通器原理設(shè)計(jì)制作的.整個(gè)試驗(yàn)過程均在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)裝置主體由PVC水管、PVC 90°彎頭和三通以及1套拉繩傳感器組成，另設(shè)水位管配合試驗(yàn)分析.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

PVC管包括孔隙壓力管、大氣壓力管、走線管等.孔隙壓力管：埋在填土中，管端部與被測(cè)土體對(duì)接，試驗(yàn)過程中用于測(cè)量此處的孔隙壓力，其水位測(cè)量導(dǎo)線由走線管穿出；大氣壓力管：與大氣相通，因此管內(nèi)壓力始終為大氣壓，試驗(yàn)過程中管內(nèi)水位的升降代表孔隙壓力的變化；走線管：為避免測(cè)量線相互干擾，孔隙壓力管內(nèi)的拉線由底部穿過，通過走線管與拉繩傳感器相連；3根PVC管底部用彎頭與三通相互串通在一起，組成連通器.水位管由試驗(yàn)箱底部開始埋入，用以標(biāo)記整個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)水位的變化.

試驗(yàn)流程大致分為注水和排水2個(gè)階段，分別觀測(cè)水位變化過程中傳感器讀數(shù)的變化，以此來反映土體孔隙壓力的變化.在孔隙壓力管、大氣壓力管、水位管內(nèi)部均有浮子用來標(biāo)記水位變化.經(jīng)室內(nèi)篩分法測(cè)得，本次試驗(yàn)用砂粒徑大于0.25 mm的顆粒含量超過50%，為中砂.

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理為U形管兩端液壓平衡[5-6]，裝有液體的連通管內(nèi)符合靜水壓力的理論，即當(dāng)液面穩(wěn)定時(shí)，兩端液面處所受壓力相同.土體中孔隙壓力發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起管內(nèi)液面的變化，大氣壓力管端部液面的升降反映的是孔隙正壓與負(fù)壓，以此來監(jiān)測(cè)出土體中是否存在孔隙壓力以及孔隙壓力的變化.同時(shí)利用注水與排水過程來模擬真實(shí)工況中地下水位的升降情況.當(dāng)水位低于孔隙壓力管上端時(shí)，孔隙壓力管端部土體為非飽和土；當(dāng)水位超過該端部時(shí)，土體轉(zhuǎn)為飽和土.

在使用該裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需在裝置被埋入指定位置時(shí)對(duì)管內(nèi)進(jìn)行注水，使孔隙壓力管與大氣壓力管內(nèi)水位相平(注水至孔隙壓力管管端溢水)，此為初始條件.此時(shí)各管內(nèi)壓力均為大氣壓.試驗(yàn)過程中，孔隙壓力管端部水位不變，大氣壓力管液面處一直保持大氣壓力值不變，當(dāng)出現(xiàn)孔隙正壓時(shí)，大氣壓力管水位上升，正壓值為ρgΔh；當(dāng)出現(xiàn)孔隙負(fù)壓時(shí)，大氣壓力管端部水位下降，負(fù)壓值為ρgΔh.計(jì)算公式如下：

p=p0+ρg(Δh1-Δh2)

Δh1=l1t-l10

Δh2=l2t-l20

式中：p為孔隙壓力管端部的孔隙壓力值；p0為大氣壓力值；ρ為水的密度；g為重力常數(shù)；Δh1為孔隙壓力管端部液面高度變化值；Δh2為大氣壓力管液面高度變化值；l10為與孔隙壓力管端部相連拉繩傳感器初始讀數(shù)；l1t為與孔隙壓力管端部相連拉繩傳感器任意時(shí)刻讀數(shù)；l20為與大氣壓力管相連拉繩傳感器初始讀數(shù)；l2t為與大氣壓力管相連拉繩傳感器任意時(shí)刻讀數(shù).

1.3 試驗(yàn)裝置安裝

試驗(yàn)裝置的安裝是在注水之前全部完成的，進(jìn)行安裝前首先進(jìn)行測(cè)試.對(duì)于PVC管裝置，最主要的是要檢查裝置是否會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，若試驗(yàn)過程中出現(xiàn)漏水問題，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此在PVC管組裝時(shí)要做好密封工作.對(duì)于拉繩傳感器，則需要測(cè)試好其靈敏度和電壓穩(wěn)定性，以保證當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，拉繩可以及時(shí)伸長(zhǎng)或者縮短，最后要保證試驗(yàn)箱排水口工作狀態(tài)良好，防止堵塞.

試驗(yàn)裝置全部檢測(cè)完成后，開始安裝到試驗(yàn)箱內(nèi).首先在底部填上20 cm碎石，一方面可以防止堵塞箱底的排水口，另一方面可以增加水的流速；然后填上10 cm砂土，之后將試驗(yàn)裝置和水位管放置在上面開始埋入.每填20 cm左右土進(jìn)行人工壓實(shí)，盡可能接近自然狀態(tài)下土體沉降的情況.當(dāng)試驗(yàn)裝置全部埋進(jìn)試驗(yàn)箱后，孔隙壓力管端部覆土高度18 cm，試驗(yàn)裝置安裝如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置安裝

在注水之前，將裝置通過拉線與拉繩傳感器連接在一起，并再次測(cè)試?yán)K傳感器是否靈敏.接通電源，并打開后臺(tái)監(jiān)測(cè)終端，可以對(duì)傳感器讀數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握與分析，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行，然后將傳感器拉繩拉至事先規(guī)定的長(zhǎng)度.開始注水，并隨時(shí)觀察拉繩傳感器讀數(shù)變化.本次試驗(yàn)注水形式是由試驗(yàn)箱上部直接往箱內(nèi)注水，令箱內(nèi)水自然滲入下部，從而充滿整個(gè)試驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)注水情況如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)箱注水

1.4 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

1) 在試驗(yàn)裝置安裝完畢后，開始注水.在注水過程中，注意觀察記錄傳感器數(shù)據(jù)變化.

2) 將裝置埋入指定位置后，在注水之前需要預(yù)先對(duì)裝置進(jìn)行注水，以保證滿足試驗(yàn)要求.具體做法為：通過走線管對(duì)裝置進(jìn)行注水，直至孔隙壓力管端部有水溢出，目的在于使大氣壓力管與孔隙壓力管內(nèi)有初始水位，且只受大氣壓力，使得在注水與排水過程中大氣壓力管內(nèi)水位可以發(fā)生變化，從而監(jiān)測(cè)到孔隙壓力的存在.

3) 試驗(yàn)過程中一定要保證裝置底部的密封性，故在試驗(yàn)前須確認(rèn)裝置不會(huì)出現(xiàn)漏水問題；保證管內(nèi)拉線在經(jīng)過各轉(zhuǎn)彎處都能在滑輪上進(jìn)行變向，從而減小摩擦對(duì)試驗(yàn)的影響；試驗(yàn)中選用的重物要足夠克服拉繩傳感器的拉力，使浮力變化值成為拉線長(zhǎng)度發(fā)生變化的主導(dǎo)因素，同時(shí)浮子要在這一過程中起到動(dòng)態(tài)調(diào)平作用，故而拉線要足夠長(zhǎng).

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)裝置全部安裝完畢并調(diào)試成功后，開始對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行注水，傳感器終端開始記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)持續(xù)到傳感器讀數(shù)不再發(fā)生變化，試驗(yàn)結(jié)束.傳感器發(fā)射裝置每隔5 s會(huì)向終端傳輸一組數(shù)據(jù)，因試驗(yàn)數(shù)據(jù)過多，故需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，截取出重要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)加以分析.

開始注水時(shí)，孔隙壓力管與大氣壓力管水位相同，此為初始條件.隨后水位管水位開始上升，此時(shí)孔隙壓力管端部土體為非飽和狀態(tài)，開始出現(xiàn)孔隙負(fù)壓，且該值隨著水位的上升不斷增大，直至水位到達(dá)孔隙壓力管端部，孔隙負(fù)壓達(dá)到最大值.當(dāng)水位管水位開始要超過孔隙壓力管端部時(shí)，孔隙壓力管端部土體變?yōu)轱柡屯?，?fù)壓迅速減小并轉(zhuǎn)為正壓，隨著水位不斷上升，孔隙正壓呈增大趨勢(shì).當(dāng)注水過程結(jié)束后水位管水位升至最高點(diǎn)，此時(shí)孔隙正壓亦到達(dá)最大值，箱內(nèi)土體均處于飽和狀態(tài).注水過程中的孔隙壓力變化見表1.

表1 注水過程中孔隙壓力變化

排水過程開始，孔隙正壓隨著水位的下降開始逐漸減小，箱內(nèi)的土體開始由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，當(dāng)水位下降至孔隙壓力管上端時(shí)，正壓也變?yōu)樽钚≈?隨后孔隙正壓消失，該處土體亦變?yōu)榉秋柡屯?，孔隙?fù)壓開始增大.隨著水位繼續(xù)下降，孔隙負(fù)壓也隨之增大，當(dāng)水位下降到最低點(diǎn)時(shí)，孔隙負(fù)壓達(dá)到最大值.隨后穩(wěn)定不再改變，整個(gè)試驗(yàn)過程結(jié)束.排水過程中孔隙壓力變化見表2.

表2 排水過程中孔隙壓力變化

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

拉繩傳感器終端記錄下傳感器在整個(gè)試驗(yàn)過程中3個(gè)管內(nèi)拉繩長(zhǎng)度變化情況，用Origin將拉繩長(zhǎng)度變化進(jìn)行處理得到水位變化曲線，并繪制孔隙壓力變化情況，如圖4、圖5所示.

圖5 孔隙壓力變化曲線

由圖4、圖5可以看出，孔隙壓力管內(nèi)水位高度在整個(gè)試驗(yàn)過程中基本保持不變.在注水過程中，水位管內(nèi)水位一直處于上升趨勢(shì)，大氣壓力管內(nèi)水位在孔隙負(fù)壓增大階段會(huì)有一定下降；當(dāng)水位管水位到達(dá)孔隙壓力管之后，負(fù)壓開始減小，大氣壓力管內(nèi)水位開始上升，之后出現(xiàn)正壓，大氣壓力管內(nèi)水位持續(xù)上升，直至注水過程結(jié)束.在排水過程中，正壓先是逐漸變小，隨后負(fù)壓逐漸變大，因此整個(gè)過程大氣壓力管內(nèi)水位一直處于下降趨勢(shì)，直至整個(gè)試驗(yàn)過程結(jié)束.

當(dāng)注水開始時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)水位低于孔隙壓力管上端，此時(shí)孔隙管端部土體為非飽和狀態(tài)，孔隙壓力表現(xiàn)為負(fù)壓狀態(tài)，隨著水位逐漸上升，負(fù)壓也越來越大，達(dá)到極大值-372 mm水柱.隨后負(fù)壓迅速減小，并轉(zhuǎn)為正壓狀態(tài)，隨著水位繼續(xù)上升，孔隙管上端低于液面，此時(shí)土體變?yōu)轱柡屯粒紫墩龎撼尸F(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，直至停止注水，孔隙正壓達(dá)到最大值204 mm水柱.

排水過程開始后，隨著水位的逐漸下降，箱內(nèi)高于孔隙壓力管端部的飽和土開始變?yōu)榉秋柡屯?，但孔隙管端部仍處于飽和土狀態(tài)，孔隙正壓開始減小，直至為0.當(dāng)水位低于孔隙壓力管端部時(shí)，該處土體變?yōu)榉秋柡屯?，接著出現(xiàn)孔隙負(fù)壓，孔隙負(fù)壓到達(dá)最大值-488 mm水柱后，孔隙壓力基本維持不變，直至排水過程結(jié)束.

同時(shí)觀察圖4與圖5水位管與孔隙壓力管水位高度差及對(duì)應(yīng)的孔隙壓力值可知，孔隙正壓時(shí)的孔隙壓力值要小于同基面的靜水壓力.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得了非飽和土中的孔隙負(fù)壓，并且掌握了其變化規(guī)律與數(shù)值大小，在實(shí)際港口工程中可以充分利用這一規(guī)律[7]：當(dāng)?shù)叵滤桓哂谀程幫馏w時(shí)，該處土體會(huì)出現(xiàn)孔隙正壓，并隨水位的上升而增大；當(dāng)?shù)叵滤坏陀谀程幫馏w時(shí)，該處土體會(huì)出現(xiàn)孔隙負(fù)壓，并隨水位的下降而增大.將這一規(guī)律應(yīng)用到實(shí)際工程中，在土體碾壓階段，控制碾壓設(shè)備在孔隙負(fù)壓階段甚至是負(fù)壓極值階段進(jìn)行施工，可以大大提高施工效率，加速施工沉降與地基固結(jié)[8]，從而減小工后沉降；在后期使用階段，亦可利用該規(guī)律對(duì)工程沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在土基負(fù)壓階段補(bǔ)氣，消減負(fù)壓，控制工后沉降[9].

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)土體注水、排水2個(gè)階段的觀測(cè)，證明了非飽和土中存在負(fù)壓，并且其存在一定的變化規(guī)律：當(dāng)?shù)叵滤坏陀谀硞€(gè)位置時(shí)，該處土體會(huì)由飽和土狀態(tài)轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，此處會(huì)產(chǎn)生孔隙負(fù)壓，且負(fù)壓會(huì)隨地下水位的下降出現(xiàn)增大的趨勢(shì).這一規(guī)律或可改變軟基施工工藝；同時(shí)發(fā)現(xiàn)飽和土的孔隙正壓力小于同基面的凈水壓力，這一結(jié)論也可能有助于工程應(yīng)用.