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真空预压地下水位概念及测量技术研究

399 2020-07-09 13:14:09

  要:真空预压地下水位变化规律的争议源于对其概念认识不足及测量技术存在短板。从土中水的存在形式、水位面势能状态和水位参考基准面等要素出发,将真空预压地下水位重新定义为土中重力水的重力场水压分量为零的绝对高程。提出了准确测量真空预压地下水位必须满足的两个基本条件,分析了现有水位测量技术受水位管滤管段分布的影响而产生的两个负面作用——滤管段的竖向排水作用与不透水管段的密闭效应。提出了分段式浮标水位测量新技术,埋设全滤管段外管,内置配以特殊橡胶凹凸隔板的分段式浮标液位计,既能够做到闭口测量,又有效解决了滤管段分布的负面影响,理论上是一种适用于真空预压膜下负压条件下的地下水位测量技术。

关键词:真空预压;地下水位;滤管段分布;分段式;凹凸隔板


0  引    言

真空排水预压法作为一种有效的软基处理技术,近年来得到了广泛应用,并衍生出诸多新工艺、新方法[1]。然而,有关真空预压地下水位变化规律、有效加固深度问题及负压分布规律等基本理论的研究落后于生产实践,仍是真空预压机理研究的难点问题。

地下水位变化规律是真空预压理论研究的基础性问题,其重要性在于:①地下水位变化是真空预压加固机理研究的必要条件,真空预压地基加固的动力来自大气压力的降低和水位的改变两部分[2],水位升降与否会改变饱和区、非饱和区分布,进而改变有效应力分布,影响真空预压加固效果[3];②水位变化是判断土中超静孔隙压力分布的必要条件[4],计算水位之下的超静孔隙水压力时应已知静水压力,因此,地下水位亦是评价地基中负压分布的重要条件。

目前,多数学者支持真空预压地下水位下降[5-8],也有学者认为水位不变或上升[4, 9-11]。对真空预压地下水位的基本概念认识不统一,测量技术不完善,无法获得令人信服的地下水位原位试验资料是存在观点分歧的根本原因。本文通过探讨真空预压地下水位的基本概念和测量技术,提出相对合理的解决方案,为真空预压机理研究及其地下水位测量工程应用提供理论依据。

1  真空预压地下水位概念

1.1  基本概念

高志义[12]将现有真空预压地下水位的定义总结为三类(图1中三条虚线),并认为静水压力为零的面是真正的地下水位,这也是多数学者的观点。实际上,真空预压地下水位定义应考虑土中水的存在形式、水位面势能状态和参考基准面等要素,现有定义仍需修正以准确描述负压条件下地下水位的特质。

(1)土中水的存在形式

土中吸着水受土颗粒表面电荷的影响大于其自身重力,不能够自由流动,而在双电层影响范围外的自由水(包括毛细水、重力水)主要受重力支配,可以形成自由液面。自然状态下,地下水位面处压力为一个当地大气压,水位之下水压为正,水位面之上土中存在吸力,毛细水上升,产生毛细现象。地下水位之上存在一定范围的饱和带,被称作“毛细湿润带”(图2),不同性质土的毛细湿润带高度不同,取值范围为15 cm~175 cm[13]。水的表面张力与接触面特质相关,不因负压而改变,可以忽略抽真空对毛细湿润带高度的影响。因此,以饱和土与非饱和土的分界面定义真空预压地下水位[9]是不合理的,地下水位面实际是由土中重力水所形成的液面。

2)水位面势能状态

土力学[14]中的静孔隙水压力的概念与水力学中静水压强的概念同义,即静止液体作用在每单位受压面积上的压力,其方向垂直并指向受压面,且在同一点处各向大小相等[15]。抽真空时,自水位面向下实测孔隙水压力为P,虽然水位面处水头静止,但是此处P0。实际上水位面处静水压力的重力场分量P'=0,水位面处的实测孔压P为负的超静孔隙水压力。所以,将真空预压地下水位定义为“静水压力为零的面”[12]是不合适的。

负压环境下地下水位定义示意图

非饱和土毛细水上升与孔隙持水特征

(部分正文略)

3)参考基准面

娄炎[2]指出:地下水位测量在两个系统内完成,即利用电测水位计系统和大地高程测量系统分别测量管中水位到管口的距离和管口的绝对高程。真空预压现场监测指标多数以大地水准面作为工作基准面,因此建议以大地水准面作为地下水位的参考基准面。

综上,真空预压地下水位应定义为:土中重力水的重力场水压分量为零的绝对高程。

1.2  相关讨论

1)应注意地下水位面与“零压面”的区别,前者是一个客观存在的液位面(图1),而后者指流体压力为一个大气压的高程面,是一个等势面。在负压环境中,地下水位面始终高于“零压面”。

2)应区别地下水位与地下水位埋深的不同,前者以大地水准面为基准面,用绝对高程来描述,而后者是一个相对量,指水位面与地表之间的垂直距离。二者之间有联系,但不可混为一谈。

3)水面是一个客观存在,水位是水面的标高,地下水位是指地下水面标高,但为方便真空预压工程应用,暂无必要严格区分水面和水位的字面意义。

2  真空预压地下水位测试分析

2.1  影响因素与基本条件

常规开盖法仍是目前最常用的真空预压地下水位现场测量技术,由于测量时需要开盖,所测水位低于开盖前管中水位[3, 9],所以该法不能准确测得膜下负压状态的水位。相关学者提出了适用于真空预压地下水位测量的新技术,如孔压联合真空表法[3]、内外管磁环浮标法[17]、棒式测法[12]、激光测距法[18]、浮球液位测法[19]等。真空预压地下水位现场测量影响因素众多,娄炎[2]分析了管径、滤管段长度、滤管段开口率、测量系统对水位监测的影响;高志义[12]总结了包括地基土欠固结、加固沉降、测试方法、埋管成孔方法、管内局部真空度与实际不符、水位管漏气在内的六个真空预压地下水位测量的影响因素。可见,准确测得真空预压加固时真正的地下水位并非易事,且上述现有改进测法仍存缺陷。

地下水透过滤管段与水位管中流体进行交互,现场通过测量管中水位反映地下水位,准确测得真空预压地下水位必须满足两个基本条件:

条件1,加固过程中及测量进行时,水位管中的水位必须与地下水位相一致;

条件2,测量方法合理,能够准确测得负压环境下的水位管中水位。

因此,一方面,应根据场地情况合理设计滤管分布或改进水位管结构,以满足条件1;另一方面,应改进测量方法,实现闭口测量,以满足条件2,如此才能得到真空预压膜下负压环境中的真实地下水位。

上述通过改用压力平衡反算法、内外管法、激光测距法、浮球液位法等手段均可做到闭口测量,即在不改变管内负压环境的前提下准确获得管中水位,满足基本条件2,但因场地地质条件具有多样性且缺乏可靠的判别标准,只着眼于实现闭口测量而忽视基本条件1,所测得的管中水位未必能够代表膜下负压条件下地基中真实地下水位。

2.2  水位管滤管段分布影响分析

1)滤管段的竖向提水作用

抽真空后,负压在地基中“扩散”。膜下负压优先沿竖向排水通道向下传递,作用于水位面后,继续向地基深处传递。由于存在渗流阻力及压差在非饱和区提水做功,使得负压自上而下递减。常见水位管埋设剖面如图3,水位管中空,滤管段起始点B低于砂垫层底面H,抽真空时图示各点负压(超静值)绝对值大小关系为:


   若将水位管看作相对封闭的空间,管中流体处于相对稳定状态时,水位面之上的B点及水位面之下的D点、F点流体势能相等,土中流体势能(CEG点)均高于同高程处的管中各点,使得水位管滤管段范围内的土体可以在压差作用下发生渗流排水,中空的水位管具有类似排水板的竖向提水作用,使管中水位高于管周土中水位Δd。滤管段分布范围越大,滤管段起始点(B点)越靠近砂垫层,管内外压差越大,水位管的竖向提水作用越明显,Δd越大,此时管中水位不能够代表土中水
位,不满足真空预压地下水位测量的基本条件1


2)不透水段的密闭效应

当土中初始水位高于滤管段,并在不透水管段范围内变化时,由于管口密封,管内上部密封空间内空气质量守恒,通过测量管内压力P1,可以用热力学气体三定律分析管内水位变化[3]。如图4,初始水位A-A埋深为h0,抽真空后,封闭空间内气体体积膨胀,由于封闭管段内气体不能与外界进行流体和压力交换,会使管内、外水位出现高差d,管内、外水位变化不同步。

针对图4中水位下降时的两种水位高低情况,有压力平衡关系:


同理,当管内外水位均在密封管段范围内上升时,亦有上述关系。本文将上述现象称为不透水段的密闭效应。当土中水位或管中水位低于滤管段起始面D-D时,封闭空间的气体溢出,质量不再守恒,密闭效应减弱或消失,也就不能够按照文献[3]的方法来计算管内水位变化。

现有水位管内部均为中空,且均由不透水管段和滤管段组成,若滤管段分布比例较小、埋深过大,会使得管内外流体交换缓慢,管中水位变化明显滞后于土中水位变化,且会不可避免地出现密闭效应,为此,应扩大滤管段与不透水管段的比例;而当滤管段分布范围较大时,虽能弱化上述不足,但又不可避免地强化了水位管的竖向提水作用。


综上,水位管滤管段分布情况能够直接决定管中水位是否能够准确代表土中水位。与其费尽周折地根据地质条件设计滤管段分布,不如改进管身结构以消除或弱化水位管的竖向排水作用与密闭效应,使管中水位能够真正反映负压状态下的土中水位。基于已有研究成果[19]进行改进,本文提出一种适用于真空预压膜下负压环境的地下水位测量技术——分段式浮标水位测量技术。

3  分段式浮标水位测量技术

3.1  测量技术及原理

分段式浮标水位测量装置由外管和分段式浮标液位计两部分组成(图5),钻孔埋设外管后,将分段式浮标液位计放入管内并固定在设计位置,为橡胶凹凸隔板充气并密封外管管口;抽真空时,通过测量电信号反算每个浮标位置,即得地下水位。

为解决水位管内部中空带来的竖向提水作用问题,将内部浮标液位计设计为分段式(图5a)),每段相互独立且均为长1 m的干簧管浮标液位计(液位测量原理与文献[19]所述相同),数据线束通过导管内部并在顶部集中。每段连接处布置一个橡胶凹凸隔板(图6),该隔板具有以下两个主要功能:

第一,为使水位在分段连接处连续可测,将浮标设计为浮球、浮环(外形不同但功能相同)相间布置,隔板凹面对应浮球段、凸面对应浮环段,浮球可以嵌入隔板的凹槽中、浮环可以套在隔板的定位凸起上(图6a));水位恰好位于液位计分段连接处时,浮环、浮球位于同一平面位置,且恰好达到对向测量极限,使水位在液位计分段处连续可测。


第二,橡胶凹凸隔板中空、弹性、可充气(图6b)),不充气时,隔板直径小于外管内壁,可将分段式浮标液位计顺利放入管内;通过位于导管内部的充气管为隔板充气后,隔板膨胀并紧贴外管内壁,可以将水位管内部空间分为1 m一段,密封并阻止流体在管内竖向交换,使水位管无法直接在管内竖向传递压力,消除水位管的竖向排水作用。抽真空时,隔板内、外压差增大,隔板继续膨胀,可加强其密封效果;抽真空结束后,释放隔板内的高压气体,隔板收缩,即可将分段式浮标液位计从管中取出,重复利用。


分段式浮标水位测量装置的总长度及每段液位计的长度可进行适当调整,以适应不同工况需求。真空预压加固期间,分别测量分段式浮标液位计各段读数,即可算得每个浮标的位置,不紧贴隔板的那个浮标即为水位面位置;若水位刚好位于液位计分段处,根据前后水位的连续变化趋势亦可推断其具体位置。

分段式浮标水位测量技术采用特殊的隔板分段式结构设计,消除了滤管段的竖向提水作用,因此无需再设计水位管滤管段分布,将水位管地面以下管段全部采用滤管,使埋深范围内的管段均能与其相同深度的地层进行流体及压力交换,进而消除了不透水管段的密闭效应,满足文中所述真空预压地下水位测量基本条件1;采用浮标液位法测量管中水位,能够实现闭口测量,准确测得管中水位,满足文中所述真空预压地下水位测量基本条件2

综上,分段式浮标水位测量技术适用于真空预压膜下负压环境的地下水位测量。

3.2  细节说明

1)为方便钻孔埋管和安装分段式浮标液位计,外管内径范围宜为5~10 cm。滤管段开孔率和小孔直径都不应过小,开孔率应大于10%,孔径应大于6 mm,避免因水的表面张力,使管、土之间水流交换不畅。

2)水位管地下管段全部采用滤管(图5b)),膜上部分采用密闭管段,内部液位计可通过钢丝绳悬挂于顶盖处,数据线及充气管穿出管外时均需密封处理,真空预压加固期内和整个水位测量过程中应保证管口及膜上管段完全密闭、不漏气。

3)安装橡胶凹凸隔板时,必须注意正、反向,即隔板的凹、凸面应分别与浮球、浮环相对应(图6a))。橡胶凹凸隔板的起始埋深不可低于砂层,可将最上一个隔板置于砂垫层底面(图5b))。

4)橡胶凹凸隔板的尺寸应与外管尺寸配套,其凸面刚度应该大于凹面,避免定位凸起在充气后过度膨胀影响浮环定位;包括隔板和充气管在内的充气系统应有较好的密封性和耐久性,确保其在真空预压加固期正常工作,且能够重复利用。

4  结    论

1)讨论了真空预压地下水位的基本概念,将其重新定义为土中重力水的重力场水压分量为零的绝对高程。

2)提出了准确测量真空预压地下水位必须满足的两个基本条件,分析了现有水位测管的滤管段分布情况对水位测量的两个负面影响,即滤管段的竖向排水作用和不透水管段的密闭效应。

3)提出了分段式浮标水位测量新技术,埋设全滤管段,管内安装分段式浮标液位计,能够有效解决滤管段分布的负面影响,理论上真正适用于真空预压膜下负压条件下的地下水位测量。需要说明的是,分段式浮标水位测量技术的实用性及优越性需要进一步通过开展现场试验进行对比验证。


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