朱燕，陈佳佳，余湘娟

（1.南通职业大学建筑工程学院，江苏　南通　226007；2.江苏南通六建建设集团有限公司，江苏　南通　226500；3.河海大学岩土工程研究所，江苏　南京　210098）

真空预压条件下地下水位现场试验研究

朱燕1，3，陈佳佳2，余湘娟3

（1.南通职业大学建筑工程学院，江苏南通226007；2.江苏南通六建建设集团有限公司，江苏南通226500；3.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098）

采用新型水位管法测试真空预压条件下地下水位，通过常规水位管法和新型水位管法的现场对比试验，验证了新型水位管法的可行性，并结合现场采集的其他数据进行系统分析，探寻表面沉降、真空度和孔隙水压力与地下水位变化之间的内在联系，总结真空预压过程中地下水位的变化规律，并对地下水位的变化机理进行分析。

真空预压；地下水位；新型水位管法；现场试验；变化规律

0　引言

评价真空预压加固效果及研究其加固机理的重要依据之一是真空预压过程中地下水位的变化情况，但众多学者对地下水位的变化规律一直都存在着较大争议，最根本的原因在于缺乏有效的地下水位测试方法[1]。

本次现场试验采用河海大学岩土工程研究所研发的专利技术——新型水位管装置[2-3]对地下水位进行测试。为了避免测试时水位管内部与大气相通，该测试装置采用了独特的双管设计，同时，两管之间配以磁环浮标，可直接测量地下水位，操作简单，测试结果直接可观，且在测试过程中无真空压力泄露，故采用新型水位管法测得的真空预压条件下地下水位结果更加可信[2-3]。为了验证新型水位管法的可行性，本次现场试验进行了常规水位管法和新型水位管法对比试验，同时还对表面沉降、孔隙水压力、真空度等进行监测。

1　工程概况

本次现场试验依托于京沪高速铁路工程虹桥站动车所JHTJ-6标段的真空预压区项目。该项目HQGDK1+160～HQGDK1+610为真空预压加固区，共6个区域，其中E5为这次现场试验的试验区，面积为1.575 5万m2。试验区内共设HQGDK1+220和HQGDK1+260两个断面进行观测，从4月9日开始抽真空，8月9日停止抽真空。根据地质勘察资料显示，本次试验区地下水为孔隙潜水，较发育。E5区地下水位埋深为0.6～0.8 m（标高为2.108～2.028 m）。加固区内地下水主要受地表水的渗透补给及大气降水的影响[4]。

2　监测方案

本次现场试验的监测项目及监测平面布置如图1所示。

图1　现场监测平面布置图Fig.1　Layoutof fieldmonitoring

为了较全面地了解真空预压条件下地下水位的变化情况及新型水位管的可行性，在断面HQGDK1+220中间和右侧各布置了1根新型水位管，在断面HQGDK1+220左侧布置了1根常规水位管。同时，常规水位管法采用的敞口式水位管长度、透水管段长度和埋设深度与新型水位管完全相同，且每个断面上的水位管相距很近。

除地下水位监测外，本次试验还进行了表面沉降、孔隙水压力、真空度、土压力等的监测。其中，表面沉降板每个断面放置3个，共计6个；在断面HQGDK1+220的左侧埋设5个孔隙水压力计，深度分别为3 m、6 m、9 m、12 m和15 m；在HQGDK1+220断面埋深分别为2m、4 m、6m、8m处各布置1个真空表，共计4个。

3　对比试验及地下水位变化规律

地下水位监测结果如图2所示，可以看出，在加固区内，由新型水位管和常规水位管分别所测得的地下水位降深值偏差较大。在不考虑天气变化、突然停电等因素的影响下，真空预压期间新型水位管法测得的地下水位变化曲线比较平稳，而常规水位管法测得的曲线波动较大。这是因为采用常规水位管法进行测试时，在测试过程中管口密封膜需要一直处于打开状态，这样水位管中的压强会迅速由负压状态升至正常大气压状态，水位管中的气压状态发生改变，使得测试管内的地下水位下降。除了地下水位的正常变化外，测试时间的长短也会对测试结果产生影响。文献[5]和文献[6]的现场试验结果均显示，地下水位随时间基本呈线性下降，且所测值与实际值误差约为1～6 cm，但这种误差会累加，随着测试次数的增多而增大[7]。

图2　地下水位变化曲线Fig.2　Change curveofgroundwater level

通过现场试验结果对比分析，常规水位管法测试真空预压条件下地下水位不符合实际情况，不能真正反映真空预压条件下地下水位的变化情况。而新型水位管测试方法因采用了双管设计，避免了测试过程中水位管内部敞开，与大气相通，真空压力泄露，因此，所测得的真空预压条件下的地下水位变化情况更加合理。

从现场采集数据可以看出，加固区在抽真空之前地下水位线比较平缓，HQGDK1+220断面中间和右边具有相同的水位高程。在抽真空期间，HQGDK1+220中新型水位管测值最大降幅为4.578 m，最终降幅为3.930 m，而HQGDK1+220右新型水位管测值最大降幅为2.127 m，最终降幅为1.648m。在不考虑天气变化、突然停电等干扰因素的影响下，从新型水位管测得的数据可知，在加固区内真空预压过程中地下水位是下降的，且在加固开始时地下水位下降比较迅速，之后处于下降相对稳定状态，并且加固区内各处地下水位降深有所不同，加固区中心处地下水位降幅大于加固区边缘处，降水曲线呈漏斗状。

4　各种现场试验成果关系分析

4.1地下水位与表面沉降的关系

地下水位与表面沉降监测结果如图3所示，地下水位采用HQGDK1+220中新型水位管测试结果，表面沉降取HQGDK1+220中沉降板的沉降量。从图3中可以看出，表面沉降随地下水位降幅的增加而增大，两者表现出良好的一致性，说明地下水位下降的程度对表面沉降有明显的影响。这是因为真空预压的加固效果主要来自于两个方面的作用，一是地下水位下降引起的排水固结，地下水位的下降使地下水位线以上土体的重度由浮重度转变为湿重度，上覆土重增加，产生排水固结现象。二是真空渗流场引起的真空预压[8]，地下水位的“水封”作用使得真空渗流场只能位于降低后的地下水位线以上地基土中，无法向土体深处扩散。因此，影响真空预压加固软土地基效果的重要因素之一就是地下水位的下降幅度。实际工程运用中，为达到预期的加固效果，应在不影响周围环境的前提下，尽量采取措施降低加固区内的地下水位。

图3　地下水位降幅与表面沉降关系图Fig.3　Relationship between thedownrangeof groundw ater leveland the sur face settlem ent

4.2地下水位与真空度的关系

真空预压法最主要是利用负压的作用。影响加固区内土体孔隙水压力的变化，即地下水位的变化的关键因素是真空度的大小及其传递情况。图4为地下水位和膜下2m处真空度变化的时程曲线，从图中可以看出，地下水位和膜下真空度变化表现出较好的一致性，膜下真空度一旦出现波动，地下水位也随之变化。

图4 地下水位与真空度关系图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后稳定在50 kPa左右，地下水位在此期间下降较快。随后由于停电或真空泵维修等原因，膜下真空度有所波动，地下水位也随之反应。之后真空度恢复稳定，地下水位也缓慢下降并趋于相对稳定状态。在真空预压期间，地下水位随膜下真空度变化而变化，说明膜下真空度的数值及稳定性对地下水位的变化影响显著。若加固区密闭性良好、竖向排水通道井阻较小，则真空度维持在较高的水平，在竖向排水体和土体中传递、扩散快，沿程损失越小，最终有利于加固区内地下水位的下降。

4.3地下水位与孔隙水压力的关系

如图5所示，埋深9m、12 m、15 m处的孔隙水压力最大降幅分别为67 kPa、67 kPa、60 kPa。

图5　地下水位与孔隙水压力关系图Fig.5　Relationship between the groundwater leveland the porewater pressure

真空预压加固软土地基时，影响预压过程中孔隙水压力分布与变化的主要因素有：抽真空引起的地下水位降幅和由真空度的传递引起的负孔隙水压力[9]。选取本次试验段5月7日，埋深9m、12 m、15 m处测得的孔隙水压力分别为25 kPa、64 kPa、29 kPa，与初始孔隙水压力相比分别下降了61 kPa、46 kPa、43 kPa，此时地下水位降深为3.565m，所以由地下水位下降引起的孔隙水压力消散值为35.65 kPa，由真空度传递引起的孔隙水压力消散值应为初始孔隙水压力下降值减去35.65 kPa，分别约为25 kPa、10 kPa、7 kPa。

因真空度传递引起的孔隙水压力消散相对较小，故真空预压过程中孔隙水压力的消散主要是由于地下水位下降引起的，说明孔隙水压力变化受地下水位变化的影响较大。由于本次试验所埋设的孔隙水压力计始终位于地下水位线以下，故上述结论也只适用于地下水位线以下土体中孔隙水压力的消散情况。据文献[10]分析，地下水位线以上土体中孔隙水压力的变化情况与上述情况正好相反。

5　地下水位变化机理分析

本次现场试验采用了新型水位管进行地下水位的测试，获得了真实的真空预压条件下地下水位的变化情况，试验结果表明真空预压期间地下水位是下降的，且加固区中心地下水位降幅高于加固区边缘处，降水曲线呈漏斗状。

真空预压时，首先由真空泵产生负压传递到砂垫层，将砂垫层中的水气吸出，使得带有大量气泡的水被抽出。紧接着，负压借助于塑料排水板或砂井，在整个加固区内形成真空渗流场。真空渗流场理论[8]认为，负压作用首先在土体中孔隙较大处形成“真空渗流”，土体中孔隙较小处的孔隙水与较大孔隙处的“真空流体”在压差的作用下被吸出，产生固结。最后，地下水在重力及水头差的作用下，沿着砂垫层中分布的管道排出，使得加固区内地下水位下降[11]。

在加固区中部，由于存在压差，地基中的孔隙水向竖向排水体渗流，在水头差和重力作用下不断排出。对于单个竖向排水体，孔隙水补给来自于3个方面：一是来自于加固区下部孔隙水的补给；二是来自于相邻土体孔隙水的补给；三是来自于加固区边缘孔隙水的补给。由于竖向渗透系数总是小于水平向渗透系数，除非竖向排水体打穿承压水层，一般情况下，加固区下部水的补给可以不予考虑。而来自于相邻土体孔隙水的补给也有限，因此，孔隙水补给主要来自于加固区边缘。随着抽真空的进行，加固区边缘的水不断地涌向加固区内。但因真空预压加固对象多为软土层，厚度大，土体渗透系数小，故孔隙水补给需要一定的时间，越接近加固区中心补给就越困难，即孔隙水补给有一定的延时性。

在加固区边界，抽真空初期，由于负压尚未传递到加固区外，边界外侧地下水位无变化，边界内侧地下水位下降幅度较小。随着抽真空的进行，加固区内地下水位逐渐达到动态平衡，边界外侧孔隙水不断涌向加固区内，进行渗流补给，使得边界内侧地下水位降深不大。因地下水的“水封”作用，使得加固区内侧真空度无法向下传递，而加固区外侧向内的渗流不断进行，引起加固区外侧地下水位下降。

总而言之，从真空预压加固机理的角度去研究地下水位的变化，真空渗流场理论和真空负压理论都一致认为：在真空预压过程中，随着负压在地基中的传递和扩散，土体中将产生孔隙水压力差，孔隙水在此压力差的作用下被沿塑料排水板或砂井及砂垫层中的管道排出，而加固区内的孔隙水因土体渗透系数小，补给时间长，使得孔隙水的排出量始终大于周围水流的补给量，从而使加固区内总体水量减小，地下水位产生下降。

6　结语

1）与常规水位管法的现场对比试验，验证了河海大学研制的新型水位管法能够满足真空预压条件下地下水位的测试要求，所测结果更加可信。

2）真空预压加固初期，加固区内地下水位下降较为显著，之后处于相对稳定下降状态。因周围地下水补给影响不同，加固区中心处地下水位降幅大于加固区边缘处，降水曲线呈漏斗状。

3）真空预压期间地下水位和表面沉降变化规律一致，两者之间存在较好的线性拟合关系；地下水位和真空度变化也表现出良好的一致性，一旦真空度出现波动，地下水位也随之波动；孔隙水压力同样受地下水位变化影响显著。

4）在真空预压过程中，孔隙水在负压的作用下被排出，而加固区内的孔隙水由于土体渗透系数小，使得孔隙水的排出量始终大于周围水流的补给量，从而使加固区内总体水量减小，地下水位产生下降。

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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

铁道部科技研究开发计划课题（2008G031-C）；江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015B183）

朱燕（1985— ），女，博士研究生，讲师，国家注册一级建造师，主要从事软土地基处理、基础工程施工的教学和研究。E-mail：355822025@qq.com