真空预压中真空度与孔隙水压力的关系分析

李永强

河北中核岩土工程有限责任公司河北石家庄050021

摘要：现场真空度的量测是真空预压加固软基监测的主要内容，可为工程设计、加固效果分析以及真空预压机理研究提供重要基础资料。真空度与孔隙水压力是两个不同的概念，前者描述气体状态，后者描述液体状态，在土体中某点真空表测试的真空度与测点处的孔隙水压力差并不相同。本文分析了真空预压中真空度与孔隙水压力的关系。

关键词：真空预压；真空度；孔隙水压力；关系；

前言:真空预压法利用抽真空装置将密封膜下土体中的水和空气经排水系统抽出，使土体得以排水固结，土体强度得到增长，达到加固地基的目的。有学者从真空预压加固机理出发，认为地下水位不会下降，但不变或上升是可能。然而，大量试验成果表明，真空预压过程中地下水位是下降的。因此，深入研究真空预压过程中地下水位的变化情况，对于客观评价真空预压加固地基效果及进一步研究加固机理有重要意义。

1概述

真空预压是指在软土地基中插入竖向排水体或设置砂井，地基四周设置帷幕，地基表层铺设密封膜，然后对待加固土体持续抽真空以提高地基承载力的方法，真空预压在短期处理大面积软土地基中应用较为普遍。真空预压施加的荷载不是重物，而是通过降低加固区膜内的大气压，使膜内外产生压力差，从而以大气作为荷载对土体进行加固。真空预压在抽真空过程中，一方面排出土体中的封闭气泡和水，并且排出的水相当于荷载直接作用于加固区土体上；另一方面，抽真空过程中，水位降低，土体有效应力增加，土粒间的孔隙减小，强度得到提高。真空预压中，加固区土体的排水固结速率除了受土体渗透性等内因外，主要受外荷载及膜下真空度等外因影响。在外荷载一定的情况下，抽真空作用是引起对土体中超静孔隙水压力(这里为负值，即负压)的直接原因，因此负压分布规律是影响真空预压加固软土加固效果关键因素。加固区内土体真空度及孔隙水压力在竖向排水系统作用的影响下，沿深度方向呈逐渐衰减趋势。本文通过一个项目试验进行真空度和孔隙水压力关系的研究。

2真空预压中真空度与孔隙水压力的关系

(1)真空度与孔隙水压力关系：测试土体内真空度的手段有两种，即真空表测试和孔压计测试。通常测试膜下真空度都采用真空表，测试抽真空作用在淤泥或竖向排水体中负压分布模式时两种方法都有学者使用，在80～90年代基本上采用真空表测试负压(当时指真空度)分布模式。

现在对真空度与孔隙水压力关系加以讨论与分析。为简化推导，假定真空管内气体的温度及其截面面积在整个抽真空过程中保持不变，并忽略真空管内水蒸气和孔隙水渗流的影响。在真空预压抽真空过程中，由于塑料排水板井阻与涂抹的作用，从项目试验实测孔隙水压力变化资料可以看出，真空度的传递模式是复杂的，从研究现状来看，各学者提出的关于真空预压中真空度的传递模式相差较大。产生这些差别的原因除了上述因素外，地层土性的差异、地下水位的改变以及由于土体压缩造成的孔隙水压力计位置的变化是引起孔隙水压力差异的主要原因。

(2)出水量。抽真空初期随着地下水位的快速下降，总出水量逐渐增大，两者基本呈线性关系，随着抽真空时间的增长，地下水位下降速度放缓并趋于稳定，但总出水量增长幅度仍较大，说明加固区外地下水是不断向加固区内进行渗流补给的。一般工程实践表明，长时间真空预压后期出水量会明显减少，但如若真空预压时间相对较短，则可能观测不到此现象，长时间真空预压后期地下水位降深和总出水量的关系涉及周边地下水补给情况及含水层特性，有待进一步研究。假设加固区中心区域内各处地下水位降深相同且同步。表面沉降随地下水位降深的增大而递增，两者基本呈线性关系，说明地下水位下降幅度对表面沉降影响明显。真空预压情况下，土体发生排水固结的原因，包括真空渗流场的直接作用和地下水位下降两方面，地下水位线以上土体较大连通孔道中形成真空渗流场，较小孔道中的孔隙水在压差作用下被吸走，孔压逐渐消散，土体有效应力渐增，进而发生固结，同时对地下水位线以下土体，地下水位的下降会使地下水位线以上土体的容重由浮容重转变为湿容重，增加了地下水位线以下土体的上覆土重，使其发生排水固结。上述作用均与地下水位的下降密切相关，地下水位下降幅度越大，真空渗流场作用的土体厚度就越大，地下水位以下土体增加的上覆自重应力则越大，加固效果亦越好。因此，在评价真空预压加固地基效果时，除了要依据表面沉降外，还要考虑地下水位的变化，在不影响周围环境的前提下，应采取措施尽可能降低地下水位以达到更好的加固效果。

(3)水位与孔隙水压力。研究表明，真空预压过程中孔压的消散主要是由地下水位下降引起的，因真空度引起的孔压消散相对较小，说明孔压变化受地下水位下降影响显著。但由于试验项目所有孔压计始终处于地下水位以下，上述结论只适用于地下水位以下土体中孔压消散情况。至于地下水位以上土体中孔压的变化，孔隙水压力下降与地下水位下降并不同步，这可能是埋设孔压计的钻孔距离排水板的远近对抽真空比较敏感的缘故。土体内各处孔隙水和空气处于静止平衡状态，不存在流动现象。开始抽真空后，密封膜下砂垫层中的空气首先被迅速抽出，在其内部形成相对负压，该负压沿竖向排水体向下传递并向周围土体扩散，使竖向排水体与周围土体之间形成孔压差。在孔压差作用下，土体中的孔隙水和空气流向竖向排水体并被抽出，导致地下水位快速下降并开始形成降水漏斗。此外，射流泵抽出的流体为气水混合物，表明土体中存在为气液两相流。地下水位的持续降低将引起两部分水的排出，即潜水面以上部分的重力排水和以下部分的弹性释水。由于含水层和水的压缩性所引起的弹性贮水系数要比给水度小几个数量级，所以潜水含水层在孔压差和重力作用下的排水量远大于弹性释水量。然而，软土的低渗透性限制了孔隙水的释放和渗流，所以孔隙水的排出需要一个过程，尤其潜水含水层的重力排水不是随地下水位下降同时发生的，而是存在滞后现象，这就是真空预压初期一定时间内出水量较大的原因。随着抽真空时间的延长，地下水位降深不断增大，降水漏斗在潜水含水层内继续扩展。当降水漏斗扩展到加固区边界时，加固区内外地下水位之间形成水头差，在此作用下加固区外地下水会向加固区内渗流补给。进入真空预压稳定阶段，当侧向补给量与出水量达到动态平衡时，地下水位下降速度越来越缓慢，逐渐趋于稳定状态。

结语

真空度和孔隙水压力虽然是两个不同的概念，但两者在数值上存在内在联系。当真空度测点埋设在地下水位以下时，真空表反映的真空度比孔压计测试的孔隙水压力差小。

真空和真空度是描述气体状态的，负的孔隙水压力、超静孔隙水压力和孔压差是描述液体状态的；负压既可用来描述气体状态也可用来描述液体状态，用于描述气体状态时指的是真空压力即真空度，用于描述液体状态时指的是负的超静孔隙水压力。土体特性尤其是渗透性，对孔隙水压力的消散影响较大。当土体特性差异较大时，孔隙水压力的分布极不均匀。在真空预压抽真空作用过程中，孔隙水压力随时间慢慢消散，在抽真空初期，孔隙水压力消散较快，到了后期逐渐减小并趋于稳定。

参考文献

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