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岩土研究院

基坑孔隙水压力监测及适用范围

323 2021-10-28 09:50:29

1.观测目的、特点及适用范围

地基土中孔隙水压力的变化是与地基土所受到的应力变化和地下水的排水条件密切相关。

孔隙水压力的观测,其目的是监测孔隙水压力在施工过程中的变化情况,作为施工控制的依据∶其特点是可以直观、快速得到孔隙水压力的变化情况,及时地为施工提供可靠的依据,从而达到为安全施工服务的目的;其适用范围是主要用于低级的振冲挤密、强夯和强夯置换、排水固结加密以及各种打入桩的施工监测。

2.仪器设备

目前国内外所使用的孔隙水压力传感器的种类很多,但在我国常用的孔隙水压力传感器及其工作原理主要为钢弦式、电感调频式、差动电阻式和电阻应变片式。

孔隙水压力观测的仪器设备主要是两个部分组成,即传感器与测读器。

传感器是受压的部分,由锥头、滤水石、承压部件、传压(管)线组成。钢弦式和电感调频式传感器的测读器是由数字显示频率仪测得频率值,经换算求得孔隙水压力值。

1)孔隙水压力传感器的率定

每个孔隙水压力传感器在埋设之前均应进行传感器的率定,以求得传感器的标定系数(k)及零点压力下的频率值(fo);有些传感器在出厂时提供标定系数(k)及零点压力下的频率值(f0)。由于在埋设现场的气压气温等环境条件与率定现场不同,零点压力的频率值(f0)可能会出现漂移现象,故在传感器埋设之前,需重新测得零点压力下的频率值(f0)。

2)孔隙水压力传感器的选用

钢弦式和电感高频式操作较为简单,其中钢弦式长期稳定性高,对绝缘要求低,抗干扰能力强,较适于孔隙水压力的长期观测。

3.传感器的埋设1)埋设之前的准备工作

首先要根据埋设传感器的深度,孔隙水压力的变化幅度,以及大气降水可能会对孔隙水压力造成的影响等因素,确定孔隙水压力传感器的量程,以免造成孔隙水压力超出量程的范围,或是量程选用过大,影响测量精度。将滤水石洗净、排气,避免由于气体造成所测的孔隙水压力值错误。备足直径约为1~2cm 的干燥黏土球,其黏土的塑性指数I,不得小于17,最好采用膨润土。以供封孔使用。备足纯净的砂。作为传感器周围的过滤层。计算所需的管长度或电缆长度。

2)成孔工艺要求

孔径原则上要求大小应与传感器的直径相同,一般则采用φ91或 φ108 直径的钻具成孔。原则上不得采用泥浆护壁工艺成孔,如采用泥浆护壁的工艺,在钻孔完成之后,须用清水洗孔,直至泥浆全部清除方可。

3)埋设要点

孔隙水压力传感器的安装与埋设均须在水中作业,滤水石不得与大气接触,一旦与大气接触,滤水石须重新排气。孔隙水压力传感器的埋设方法一般为三种∶

(1)压入法

如果土质较软,可将传感器缓缓压入埋设深度。若有困难时,可先成孔至埋设深度以上1cm 处,再将传感器压入土中,上部用黏土球将孔封好。

(2)钻孔埋设法

在埋设处用钻机成孔,达到埋设浓度之后,先在孔内填入少许纯净砂,将传感器送入埋设位置,再在周围填入部分纯净砂,然后上部用黏土球封孔。

(3)设置法

采用其他的方法将传感器设置于预定的深度,此方法主要用于在探井或填土内设置孔隙水压力传感器。

采用以上三种方法中的任何一种都不可避免地改变地基土中的孔隙水压力。为了减小对所测的孔隙水压力值的精度影响,最好在施工前较早地埋好传感器。

4)封孔要求

封孔要求使用干燥黏土球。封孔时应从传感器埋设处一直封至孔,口;如在同一钻孔中埋设多个探头,则封至下一个传感器埋设的深度。须注意的是,每个传感器之间的间距不得小于1m,且一定要保证封孔质量,避免水压力的贯通;在地层的分界处也应注意封孔的质量,避免上下层水压力的贯通。

5)埋设后的保护

孔隙水压力传感器引出的管接头或电缆应做好保护工作,避免在施工中被损坏。4.孔隙水压力的观测

由于观测的目的不同,故观测周期也不相同,原则上应控制孔隙水压力的变化,当孔隙水压力变化较大时,应缩短观测周期;当孔隙水压力变化不大时,可以适当延长观测周期。

观测时应注意周围环境对孔隙水压力的影响,对于影响孔隙水压力变化的因素应记录在册,以备分析时使用。在测读观测值时,一定要注意观测值的变化情况,对于钢弦式孔隙水压力传感器和电感式孔隙水压力传感器,一般只有在测读时,方通电使用,原则上,应通电一定时间待观测值稳定后方可读数,如果通电后观测值十分稳定,可立即读数。

5. 观测资料的整理、分析与应用

孔隙水压力在不同的施工方法中,所表现的形式也不相同,所以应综合考虑各种因素进行分析,为施工控制、稳定分析提供可靠的依据。

在振冲挤密施工中,振冲器的重复水平振动的侧向挤压作用下,砂土结构逐渐破坏,孔隙水压力迅速上升,由于结构的破坏,砂土颗粒向低势能位置转移,使砂土由松散变为密实。但是当孔隙水压力上升到一定的程度时,土体开始变为流体,这样土体加密的可能性将会减少。

在地基浅层处理施工与打入桩的施工中,由于土体的挤密,从而提高了孔隙水压力,当孔隙水压力消散情况不好,其上升到一定程度时可能会造成土体结构的破坏。强夯时可能会形成"橡皮土";打入桩可能会出现桩尖的偏移,造成歪桩。

在排水固结施工时,土体中孔隙水排出,土体逐渐固结,地基土发生沉降,从而达到提高强度的作用,通过对孔隙水压力的观测,可以检验施工的效果,并根据式(5-1)求得土体在不同时间的固结度。

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在开挖基坑边坡和滑坡稳定性过程中,可以根据水压力的变化情况进行稳定性综合评价。一般当基坑和滑坡处于稳定状态时,其孔隙水压力值的变化应处于一种相对稳定的状态,当孔隙水压力值发生突变时,可能是基坑边坡或滑坡失稳迹象。

当利用孔隙水压力观测于施工监测或开挖基坑和滑坡稳定时,一定要考虑综合评价,因为孔隙水压力的变化是受到多种因素影响的。

可以根据孔隙水压力与荷载、观测时间等关系,绘制各种孔隙水压力曲线,判定孔隙水压力变化情况。如绘制孔隙水压力与荷载的关系曲线(以孔隙水压力为纵坐标,荷载为横坐标进行绘制),根据此各曲线可判断施工期间土体中孔隙水压力的变化,以便控制施工加荷大小。孔隙水压力开始一般随土体上部荷载的增加而增大。 当荷载达到某一限度时,孔隙水压力突然增加,曲线上形成突变点,此时表明土体产生了剪切破坏,荷载已超过土体强度;绘制孔隙水压力随时间的变化曲线(以孔隙水压力为纵坐标,时间为横坐标进行绘制),根据此曲线可控制加荷速率,并可计算土的固结系数,推算土体在加荷过程中不同时间的固结度。也可以绘制孔隙水压力等值线图,判定孔隙水压力的分布状态。