非飽和土在孔隙負壓狀態下的性能研究

徐仁宇，王俊剛，李一凡，姚 鑫，王朝陽

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266033)

由于社會發展的需求，近岸工程行業也快速崛起并發展到一定水平，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-堆載聯合預壓[1-2]，目的就是利用加載和抽真空的方法增加有效應力[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壓以及非飽和土中的孔隙正壓與孔隙負壓均會起到重要作用.眾多資料表明軟基沉降與孔隙壓力有關，且孔隙負壓在軟基加固過程中起到了很大的作用.因此，若能準確測得孔隙負壓的大小及其變化規律，令壓實機械在軟基出現負壓時進行施工，對于加速施工沉降，減小工后沉降具有重大作用.現有技術在測量飽和土孔隙正壓方面已較為成熟，在測量飽和土孔隙負壓方面也有部分參考資料提及，但在對于如何準確測量非飽和土正壓與負壓方面還不完善.利用課題組自行設計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計制作的裝置進行測試的試驗情況，主要研究了實驗室內測試非飽和土孔隙負壓及其與地下水位的關系[4]，并以此為依據，應用在工程實踐中.

1 試驗簡介

1.1 試驗場地及裝置簡介

本試驗過程均在實驗室內進行，試驗裝置是利用連通器原理設計制作的.整個試驗過程均在試驗箱內進行.試驗裝置主體由PVC水管、PVC 90°彎頭和三通以及1套拉繩傳感器組成，另設水位管配合試驗分析.試驗裝置如圖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，管端部與被測土體對接，試驗過程中用于測量此處的孔隙壓力，其水位測量導線由走線管穿出；大氣壓力管：與大氣相通，因此管內壓力始終為大氣壓，試驗過程中管內水位的升降代表孔隙壓力的變化；走線管：為避免測量線相互干擾，孔隙壓力管內的拉線由底部穿過，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.水位管由試驗箱底部開始埋入，用以標記整個試驗箱內水位的變化.

試驗流程大致分為注水和排水2個階段，分別觀測水位變化過程中傳感器讀數的變化，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、水位管內部均有浮子用來標記水位變化.經室內篩分法測得，本次試驗用砂粒徑大于0.25 mm的顆粒含量超過50%，為中砂.

1.2 試驗原理

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

在使用該裝置進行監測時，需在裝置被埋入指定位置時對管內進行注水，使孔隙壓力管與大氣壓力管內水位相平(注水至孔隙壓力管管端溢水)，此為初始條件.此時各管內壓力均為大氣壓.試驗過程中，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，當出現孔隙正壓時，大氣壓力管水位上升，正壓值為ρgΔh；當出現孔隙負壓時，大氣壓力管端部水位下降，負壓值為ρgΔh.計算公式如下：

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；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；l1t為與孔隙壓力管端部相連拉繩傳感器任意時刻讀數；l20為與大氣壓力管相連拉繩傳感器初始讀數；l2t為與大氣壓力管相連拉繩傳感器任意時刻讀數.

1.3 試驗裝置安裝

試驗裝置的安裝是在注水之前全部完成的，進行安裝前首先進行測試.對于PVC管裝置，最主要的是要檢查裝置是否會出現漏水現象，若試驗過程中出現漏水問題，會對試驗結果造成影響，因此在PVC管組裝時要做好密封工作.對于拉繩傳感器，則需要測試好其靈敏度和電壓穩定性，以保證當水位發生變化時，拉繩可以及時伸長或者縮短，最后要保證試驗箱排水口工作狀態良好，防止堵塞.

試驗裝置全部檢測完成后，開始安裝到試驗箱內.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，之后將試驗裝置和水位管放置在上面開始埋入.每填20 cm左右土進行人工壓實，盡可能接近自然狀態下土體沉降的情況.當試驗裝置全部埋進試驗箱后，孔隙壓力管端部覆土高度18 cm，試驗裝置安裝如圖2所示.

圖2 試驗裝置安裝

在注水之前，將裝置通過拉線與拉繩傳感器連接在一起，并再次測試拉繩傳感器是否靈敏.接通電源，并打開后臺監測終端，可以對傳感器讀數進行實時掌握與分析，確保試驗順利進行，然后將傳感器拉繩拉至事先規定的長度.開始注水，并隨時觀察拉繩傳感器讀數變化.本次試驗注水形式是由試驗箱上部直接往箱內注水，令箱內水自然滲入下部，從而充滿整個試驗箱，實驗室內注水情況如圖3所示.

圖3 試驗箱注水

1.4 試驗注意事項

1) 在試驗裝置安裝完畢后，開始注水.在注水過程中，注意觀察記錄傳感器數據變化.

2) 將裝置埋入指定位置后，在注水之前需要預先對裝置進行注水，以保證滿足試驗要求.具體做法為：通過走線管對裝置進行注水，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水位可以發生變化，從而監測到孔隙壓力的存在.

3) 試驗過程中一定要保證裝置底部的密封性，故在試驗前須確認裝置不會出現漏水問題；保證管內拉線在經過各轉彎處都能在滑輪上進行變向，從而減小摩擦對試驗的影響；試驗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度發生變化的主導因素，同時浮子要在這一過程中起到動態調平作用，故而拉線要足夠長.

2 試驗數據分析

2.1 試驗過程

試驗裝置全部安裝完畢并調試成功后，開始對試驗箱進行注水，傳感器終端開始記錄數據，試驗持續到傳感器讀數不再發生變化，試驗結束.傳感器發射裝置每隔5 s會向終端傳輸一組數據，因試驗數據過多，故需對試驗數據進行處理，截取出重要節點數據加以分析.

開始注水時，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，此時孔隙壓力管端部土體為非飽和狀態，開始出現孔隙負壓，且該值隨著水位的上升不斷增大，直至水位到達孔隙壓力管端部，孔隙負壓達到最大值.當水位管水位開始要超過孔隙壓力管端部時，孔隙壓力管端部土體變為飽和土，負壓迅速減小并轉為正壓，隨著水位不斷上升，孔隙正壓呈增大趨勢.當注水過程結束后水位管水位升至最高點，此時孔隙正壓亦到達最大值，箱內土體均處于飽和狀態.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，箱內的土體開始由飽和狀態變為非飽和狀態，當水位下降至孔隙壓力管上端時，正壓也變為最小值.隨后孔隙正壓消失，該處土體亦變為非飽和土，孔隙負壓開始增大.隨著水位繼續下降，孔隙負壓也隨之增大，當水位下降到最低點時，孔隙負壓達到最大值.隨后穩定不再改變，整個試驗過程結束.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 試驗數據分析

拉繩傳感器終端記錄下傳感器在整個試驗過程中3個管內拉繩長度變化情況，用Origin將拉繩長度變化進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，孔隙壓力管內水位高度在整個試驗過程中基本保持不變.在注水過程中，水位管內水位一直處于上升趨勢，大氣壓力管內水位在孔隙負壓增大階段會有一定下降；當水位管水位到達孔隙壓力管之后，負壓開始減小，大氣壓力管內水位開始上升，之后出現正壓，大氣壓力管內水位持續上升，直至注水過程結束.在排水過程中，正壓先是逐漸變小，隨后負壓逐漸變大，因此整個過程大氣壓力管內水位一直處于下降趨勢，直至整個試驗過程結束.

當注水開始時，試驗箱內水位低于孔隙壓力管上端，此時孔隙管端部土體為非飽和狀態，孔隙壓力表現為負壓狀態，隨著水位逐漸上升，負壓也越來越大，達到極大值-372 mm水柱.隨后負壓迅速減小，并轉為正壓狀態，隨著水位繼續上升，孔隙管上端低于液面，此時土體變為飽和土，孔隙正壓呈現逐漸增大趨勢，直至停止注水，孔隙正壓達到最大值204 mm水柱.

排水過程開始后，隨著水位的逐漸下降，箱內高于孔隙壓力管端部的飽和土開始變為非飽和土，但孔隙管端部仍處于飽和土狀態，孔隙正壓開始減小，直至為0.當水位低于孔隙壓力管端部時，該處土體變為非飽和土，接著出現孔隙負壓，孔隙負壓到達最大值-488 mm水柱后，孔隙壓力基本維持不變，直至排水過程結束.

同時觀察圖4與圖5水位管與孔隙壓力管水位高度差及對應的孔隙壓力值可知，孔隙正壓時的孔隙壓力值要小于同基面的靜水壓力.

2.3 試驗結果應用

通過室內試驗實際測得了非飽和土中的孔隙負壓，并且掌握了其變化規律與數值大小，在實際港口工程中可以充分利用這一規律[7]：當地下水位高于某處土體時，該處土體會出現孔隙正壓，并隨水位的上升而增大；當地下水位低于某處土體時，該處土體會出現孔隙負壓，并隨水位的下降而增大.將這一規律應用到實際工程中，在土體碾壓階段，控制碾壓設備在孔隙負壓階段甚至是負壓極值階段進行施工，可以大大提高施工效率，加速施工沉降與地基固結[8]，從而減小工后沉降；在后期使用階段，亦可利用該規律對工程沉降進行實時監測，在土基負壓階段補氣，消減負壓，控制工后沉降[9].

3 結論

在實驗室通過對試驗箱內土體注水、排水2個階段的觀測，證明了非飽和土中存在負壓，并且其存在一定的變化規律：當地下水位低于某個位置時，該處土體會由飽和土狀態轉為非飽和狀態，此處會產生孔隙負壓，且負壓會隨地下水位的下降出現增大的趨勢.這一規律或可改變軟基施工工藝；同時發現飽和土的孔隙正壓力小于同基面的凈水壓力，這一結論也可能有助于工程應用.