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1、第30卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.30 No.5 2008 年 5 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May, 2008 水下真空预压过程中孔隙水压力变化规律研究 韩雪峰 1，邝国麟1，谭国焕1，赵维炳2 （1.香港大学土木工程系，香港；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029） 摘 要：孔隙水压力的量测和分析对研究水下真空预压法具有重要意义。在已经完成的水下真空预压现场试验中，把 孔隙水压力做为主要研究对象进行了监测。结果显示孔隙水压力的变化受膜上水压和膜下负压的影响。水下真空预压 期间土体中各点应力的改变等于
2、加固前孔压与加固过程中孔压之差。膜上水压可以做为预压荷载。当膜上水压增大时， 增加的水压使土体产生正的超静孔隙水压力，相当于堆载。水下真空预压过程中负超静孔压分布的不均匀使加固区内 产生差异沉降和不均匀的强度增长。 关键词：水下真空预压；现场试验；孔隙水压力；沉降；强度 中图分类号：TU413.7 文献标识码：A 文章编号：10004548(2008)05065805 作者简介：韩雪峰(1980 )，男，山东东营人，博士研究生，主要从事地基处理方面的研究工作。E-mail: snowpeak_。 Variation law of pore water pressure in soil impr
3、oved by underwater vacuum preloading method HAN Xue-feng1, KWONG A K L1, THAM L G1, ZHAO Wei-Bing2 (1. Department of Civil Engineering，The University of Hong Kong，Hong Kong, China; 2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China) Abstract: The measurement and analysis of pore water pr
4、essure is significant for the studies on under watervacuum preloading method. In order to study the variation of pore water pressure, the full-scale field tests were performed. It was indicated that the variation of pore water pressure was influenced by water pressures on the sealing membrane and ne
5、gative pressures in sand cushion. The variation of stress in soil was equal to the difference between the values of pore pressure before and during vacuum preloading, indicating that water pressures on the sealing membrane could act as preloading loads. When the depth of water on membrane increased,
6、 the positive pore pressure would be induced in soil which, and it similar to the surcharge load. The distribution of negative pore pressure in soil was not uniform, causing differential settlement and strength increase. Key words: underwater vacuum preloading; field test; pore water pressure; settl
7、ement; strength 0 前 言 随着沿海滩涂的开发和港口建设向深水发展，水 下真空预压加固软土地基技术有着广阔的应用前景和 适用性1。为研究水下真空预压法的加固机理、施工 工艺等问题，在深圳机场附近进行了水下真空预压的 现场试验。 土体强度的增长和变形的产生都取决于有效应力 的增加。真空预压法保持总应力不变，通过降低孔隙 水压力提高有效应力达到加固效果2。有效应力的变 化受超静孔隙水压力的增消制约，因此对孔隙水压力 的量测和研究具有重要意义。本文介绍了水下真空预 压现场试验的情况，对孔隙水压力的变化规律及其对 土体变形和强度的影响进行了分析。 1 试验概况 1.1 场地概况及施工过
8、程 试验场地位于深圳宝安机场南约 2 km 处，场地 前为一约 55 m55 m 的方形鱼塘。水下真空预压加 固区为 50 m50 m，加固区边距鱼塘岸边为 23 m （见图 1） ，试验前水深约 1.2 m。地质勘查报告显示 场地内淤泥平均厚 7.0 m，以下为较坚硬土层，淤泥 层物理力学参数见表 1。 试验中排水板间距 1.2 m， 平面呈梅花型布置， 打 设深度 8 m。施工中水下铺膜技术是水下真空预压法 收稿日期：20070704 第 5 期 韩雪峰，等. 水下真空预压过程中孔隙水压力变化规律研究 659 的关键步骤。由于在水上插板、铺砂垫层及地质勘探 等技术已经被应用3，并不存在施工
9、难点，因此试验 中插板、铺砂垫层、埋水平排水管、监测仪器埋设等 都是在场地无水的情况下完成。在铺膜前，再将水抽 入场地内，待所有仪器显示水下软土处于稳定状态后 才开始水下铺膜施工。为方便铺膜，试验前对土工膜 进行了加工，对膜的处理及铺膜过程的详细描述见文 献4。试验中共布置 3 台泵，2006 年 11 月 3 日开始 抽真空，2007 年 2 月 7 日试验结束。 图 1 监测仪器平面布置图 Fig. 1 Plan view of installation of instruments 1.2 监测仪器安装 由于监测仪器全部埋设在水下，为保证监测的连 续性和数据的可靠，仪器全部通过电缆与自动
10、数据采 集仪相连。由自动数据采集仪、调制解调器、天线和 太阳能供电组成的自动监测系统实现了对数据的自动 采集和无线传输，详见文献4。试验过程中采集数据 的时间间隔设置为 30 min。试验中主要埋设了 5 组孔 压计，分别在加固区中央、边和膜外。仪器的平面布 置及埋设深度示意见图 1、图 2。 试验中采用的孔压计为 Geokon 公司生产的 4500 型振弦式压力传感器，输出信号为频率。安装前对所 有传感器在压力-90100 kPa 范围内进行了标定。压 力传感器的标定结果可用下式表示： 0 () i pG RR= ， (1) 式中，p 为孔隙水压力（kPa） ，G 为线性压力系数 （kPa/
11、digit） ， 0 R为压力传感器初始数字值 （digit） ， i R 为传感器在某一压力下的数字值（digit） 。未对仪器进 行不同温度下的标定。 孔压计全部埋设在土中，平面上三根排水板构成 三角形的形心位置。为防止上下贯通，埋设时每孔只 埋一只孔压计 （图2仅表示仪器的埋设深度） ， 仪器放 置到设计深度后先回填约50 cm的膨胀土球，之后用 钻出土回填。 2 孔隙水压力观测结果 水下真空预压过程中，不同深度孔隙水压力的变 化受膜下真空压力和膜上水深变化的影响（见图3） 。 试验中抽真空从2006年11月3日开始，1 d后膜下真 空度便达到了70 kPa，但之后负压减小缓慢。采取了
12、两种措施，一是降低了泵的位置，减小泵与膜之间的 高差；二是在加固区四周增填了一些沙袋。在开泵12 d后膜下真空压力达到了80 kPa，之后直到试验结束 真空压力基本维持在80 kPa。 膜下真空压力作用下，深层孔隙水压力都负向增 表 1 淤泥层参数 Table 1 Mechanical parameters of soft clay layer 土层名 含水率/% 重度/(kNm -3) 孔隙比 液限/% 渗透系数/(ms -1) 压缩模量/MPa 压缩指数 淤泥层 83.7 15.2 2.1 48.2 2.110-9 1.7 0.73 图 2 仪器埋设剖面图 Fig. 2 Cross sec
13、tion A-A 660 岩 土 工 程 学 报 2008 年 图 3 水下真空预压过程中孔隙水压力变化曲线 Fig. 3 Variation of pore water pressures during underwater vacuum preloading 大，特别是1 m深度处的孔压变化趋势与膜下真空度 的变化基本一致，在开泵12 d后便迅速下降至-70 kPa。之后基本维持不变，说明1 m以上土层的固结 迅速完成。这是由于在砂垫层铺设过程中，底层的沙 很容易陷入软弱的淤泥中。沙的掺入增大了土层的渗 透系数，使得浅层淤泥在真空压力作用下固结迅速完 成。 1 m深度以下，负压的增长幅度受
14、真空能量的影 响明显。由于现场供电条件的限制，试验开始时只允 许1台泵工作。在抽真空43 d后增加了泵的台数。泵 数增加后，虽然膜下真空度变化不大，甚至有少许减 小，但深层孔压变化明显，在两次增加泵数后，深层 负超静孔压都有明显的增大。说明真空能量的增加有 利于负压向深层传递，进而加快深层土体固结。 试验场地旁边为鱼塘且靠近与大海相连的排水水 渠，试验过程中膜上水深受鱼塘和排水渠水深变化的 影响。土体中的孔隙水压力是膜上水压与真空压力影 响效果的叠加。水下预压过程中负的真空压力基本维 持不变，负压向土体深部缓慢传递，密封膜上部水深 减小则土体内负超静孔压增大，水深增加负超静孔压 减小，这与真空
15、联合堆载预压类似。 3 成果分析与讨论 3.1 水下真空预压加固机理分析 加固区中心不同深度孔隙水压力的变化如图4所 示。仪器埋设是在试验场地内的水抽干后进行的。图 4显示仪器埋设完成后，初始孔隙水压力与深度成正 比，等于相同深度处的静水压力。仪器埋设完成后， 抽水入场地内，待监测数据全部稳定后再进行水下铺 膜。抽真空前的孔隙水压力仍然与深度成正比，且与 相同深度处的静水压力相等。停泵前孔压与随深度仍 可以近似为直线关系，但直线的斜率较初始孔压有所 减小。在停泵前，7 m深度处的孔隙水压力减小了35 kPa， 说明整个加固深度内都受到负超静孔隙水压力的 影响。 图 4 孔隙水压力沿深度变化曲线
16、 Fig. 4 Variation of pore water pressures along depth 从实测的孔隙水压力随深度的变化曲线可以得到 水下真空预压法的加固机理（如图5（a）所示） ：水 下真空预压前，上部水深改变只影响土体中的孔隙水 压力，土体的有效应力保持不变；加固过程中土体中 产生负的超静孔压，各点应力的改变等于预压前的孔 隙水压力和预压后孔隙水压力之差，膜上部水压转化 为预压荷载。根据文献1，当水深不超过5 m时，现 有的抽真空设备可以保证膜下真空度达到负80 kPa以 上。这种情况下与陆地上真空预压（见如图5（b） ） 相比 （预压荷载等于膜下真空度） ， 水下真空预
17、压中土 体受到的预压荷载更大，理论上可以达到更好的加固 效果。 图 5 不同预压法加固机理比较图 Fig. 5 Comparison of mechanism among different preloading methods 水下真空预压中膜上的水压可以作为预压荷载， 第 5 期 韩雪峰，等. 水下真空预压过程中孔隙水压力变化规律研究 661 这与真空联合堆载预压法相似，但两者有本质区别。 当维持加固前后水深不变时，水下真空预压过程中总 应力不变，土体中只产生负的超静孔隙水压力。而真 空联合堆载预压过程（见如图5（c） ）中总应力增加， 抽真空产生负的超静孔隙水压力，而堆载使孔压正向 增大
18、。但水下真空预压过程中，当膜上水深增加时土 体中会产生正的超静孔隙水压力，这与真空联合堆载 预压法完全相同。即水下真空预压过程中膜上水压都 可以做为预压荷载，但初始水压是以抽真空后土体中 正孔压转化为负超静孔压的形式转化为荷载，而抽真 空后增加的水压使土体产生正的超静孔隙水压力，相 当于堆载。 3.2 水下真空预压过程中土中孔隙水压力的分布 图6为抽真空80 d后土中孔隙水压力的分布云图 （设大气压力为零） 。 中心与场地边缘之间用直线关系 近似。 负超静孔压每改变10 kPa所穿越的土层厚度在 加固区中心大于场地边缘，且两者的差值随深度增加 而不断增大，说明在加固区中心负压的传递较场地边 缘
19、快。主要是因为在中心位置负压叠加，能量较大； 而在场地边缘受边界条件的影响，负压会向加固区外 水平向传递造成能量损耗，使得向深部传递的减少。 图 6 抽真空 80 d 后孔隙水压力等值分布图 Fig. 6 Contours of pore water pressures after 80 days 在加固区，1 m深度以上，受砂垫层侵入淤泥的 影响，负压能量损耗较小。在13 m范围内，能量 损耗较大，负超静孔压递减很快，这可能是由于在仪 器埋设过程中对此范围内的土层扰动较大，使土中产 生较多的孔洞和裂隙造成。在3 m以下，随深度的增 大，负超静孔压减小的幅度越大，说明深度越大，负 压的传递越困
20、难。 3.3 孔隙水压力对土体变形的影响 图7为孔压为零等值线随时间的变化情况。可以 看出抽真空20 d后零等值线基本水平， 之后在场地边 缘的变化缓慢，加固区中心负压的传递明显快于边缘 位置；但随时间的推移，等值线偏移的幅度减小。受 负压的影响，加固区内差异沉降明显（见图8） 。中心 与场地边缘之间的沉降近似用直线插值。 随时间推移， 加固区中心与边缘的累计差异沉降已经达到18 cm。 抽真空结束后，将试验场地内的水抽出，膜面变成了 明显的锅底状。产生的原因一方面是由于负压的差异 分布引起的，一方面是由于在负的球形应力下加固区 外土体向加固区内移动造成的。 图 7 孔压为零等值线随时间变化过
21、程 Fig. 7 Variation of position of zero value line of pore water pressures with time 图 8 表面沉降随时间变化过程 Fig. 8 Variation of surface settlements with time 3.4 孔隙水压力对土体强度的影响 加固前后在试验场地内进行了十字板剪切和静力 触探对比试验。十字板试验的结果差别较大，因此根 据静力触探的结果由下式5来确定土体的现场不排水 抗剪强度， ucu0c ()/CqN= ， (2) 式中， c q为双桥探头锥尖阻力， u0 为土的自重总应 力， c N
22、为探头承载力系数，取为16。 加固前试验场地内的土体较为均匀。图9显示经 过水下真空预压后土体的抗剪强度在整个加固区内都 有较大幅度的提高。 由于超静孔隙水压力分布的差异， 使得承载力提高的幅度也不同。加固区中心的强度增 长明显大于边缘位置。在中心位置，由于累计沉降较 大，加固后下部静力触探试验的位置已经进入较坚硬 土层，因此与加固前相比强度增长较大。在场地边缘 加固深度内强度的增长与超静孔隙水压力的分布完全 对应。 上部孔压负向增长较快， 强度的增长相对较大， 662 岩 土 工 程 学 报 2008 年 随深度增加，负压传递逐渐减弱，使得强度增长幅度 减小。 图 9 孔压分布对土体强度的影
23、响 Fig. 9 The influence of distribution of excess pore pressures on the strength of soil 4 结 论 （1）水下真空预压过程中，增加开泵数量后，虽 然膜下真空度变化不大， 但深层负超静孔压增长明显。 真空能量增加，有利于负压向深部土层传递，从而加 快深层土体的固结。 （2）水下真空预压期间土体内各点应力的改变 等于加固前孔压与加固过程中孔压之差。膜上的水可 以转化为预压荷载。与真空联合堆载预压不同的是若 膜上保持初始水深不变则水下真空预压过程中总应力 不变，并且只产生负的超静孔隙水压力。 （3） 水下真空预压
24、过程中， 改变水深会影响孔隙 水压力的变化。当膜上水深增大时，增加的水压使加 固区内土体产生正的超静孔压，这与真空联合堆载预 压完全一致。 （4） 水下真空预压过程中， 超静孔隙水压力分布 不均匀。 水平方向中心位置负压减小较快， 边缘较慢； 在同一位置，随深度增加，负压减小幅度变慢。 （5） 受超静孔隙水压力分布不均的影响， 水下真 空预压后加固区内会产生差异沉降，强度增加的幅度 随位置与加固区中心距离的增加而减小。 致致 谢：谢： 现场试验由香港研究资助项目（RGC Central Allocation HKU 1/03C）基金资助，试验期间得到了南京水利 科学研究院、香港 Welltec
25、h 仪器公司、莱卡测量系统有限公司 的大力协助，在此深表谢意。 参考文献： 1 张 敬, 刘爱民. 水下真空预压的加固机理分析J. 岩土 工程学报, 2007, 29(5): 644649. (ZHANG Jing, LIU Ai-min. Analysis of mechanism of consolidation of soil improved with underwater vacuum preloading methodJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(5): 644649. (in Chinese) 2
26、 高志义. 真空预压法的机理分析J. 岩土工程学报, 1989, 11(4): 4456. (GAO Zhi-yi. Analysis on mechanics of vacuum preloading methodJ. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 11(4): 4456. (in Chinese) 3 娄 炎. 真空排水预压法加固软土技术M. 北京: 人民交 通出版社, 2002. (LOU Yan. Technique of vacuum drainage preloadingM. Beijing: China Co
27、mmunications Press, 2002. (in Chinese) 4 KWONG A K L, HAN Xue-feng, THAM L G, LEE P K K, ZHAO Wei-bing. A field study on under water vacuum preloading methodC/ 6th International Conference on Case Histories in Geotchnical Engineering, Arlington, VA. 2008. 5 唐贤强, 谢 瑛, 谢树彬. 地基工程原位测试技术M. 北 京: 中国铁道出版社, 1993. (TANG Xian-qiang, XIE Ying, XIE Shu-bin. In-situ testing technology in foundation engineeringM. Beijing: China Railway Publishing House, 1993. (in Chinese)