真空预压条件下地下水位下降的影响分析

周 琦，刘汉龙，顾长存

1)中交四航工程研究院有限公司，广州510230;2)河海大学岩土工程科学研究所，南京210098

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［1］，其基本原理最早由瑞典皇家地质学院Kjellman W教授［2］提出，目前该技术在大量软土地基加固工程中被成功应用.真空预压过程中地下水位如何变化长期以来存在较大分歧.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的［3-4］.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［5-9］.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.此外，地下水位的变化与出水量、表面沉降、膜下真空度和孔隙水压力等因素密切相关，研究其间的内在联系有利于了解地下水位变化机理.本研究在现场试验的基础上，通过分析试验成果，研究真空预压条件下地下水位、出水量、表面沉降、膜下真空度和孔隙水压力之间的内在联系，探讨地下水位下降机理.

1 现场试验概况

本次试验区位于南京滨江大道新建工程2.1标段真空预压加固区内.该场地处于长江漫滩上，地层自上而下依次为:① 素填土，灰褐色，软塑，亚黏土夹少量碎石填积，层厚0.7～5.0 m;② 亚黏土，灰色～黄灰色，软～流塑，局部流失，层厚0.7～2.7 m;③淤泥质亚黏土，灰色～灰褐色，流塑，局部为亚黏土，下部夹薄层亚砂土、粉砂;④亚黏土，灰色，流塑，局部为软塑状态，与粉细砂呈交互层，层厚1.2～7.2 m;⑤ 粉细砂，灰色，稍～中密，夹亚砂土.加固区内地下水为浅层潜水，其中③淤泥质亚黏土层及④亚黏土层饱含地下水，但透水性较弱，⑤ 粉细砂层含水丰富，为场地主要含水层.地下水位稳定埋深在0.2～1.2 m之间，直接受大气降水和地表水系的入渗补给，水位受季节性影响，水位年变化幅度为0.5～1.0 m.

场地内塑料排水板深度为18 m，平面呈梅花型分布，间距1.2 m.共布置12台射流泵，一般开8～10台泵.2007年8月30日开始抽真空，10月16日停止抽真空，开始堆载.

现场监测项目包括表面沉降、分层沉降、水平位移、膜下真空度、孔隙水压力、地下水位和出水量，实测平面布置如图1.其中，地下水位测试方法采用河海大学岩土所开发的专利技术［10-12］，构造示意图如图2，其基本工作原理是:地下水通过外管壁上进水孔渗入与大气隔绝的内外管之间，此时的水位即为负压条件下的地下水位.在两根不同直径且相对位置固定的内外管之间放置的磁环浮标浮于水面上，且能随地下水位沿内管上下自由浮动，磁环浮标的位置即可认为是地下水表面位置，磁环浮标的位置可通过钢尺水位沉降仪确定，使用该方法可以测得负压条件下真实的地下水位.出水量的测试方法是将容积266 L的塑料集水箱置于循环水箱较低一侧，利用密封膜将循环水箱溢出的水引入集水箱，测量水注满集水箱所需时间再反算出流速.其他监测项目均采用常规测试方法.

图1 现场试验监测平面布置图Fig.1 Layout of field tests

图2 新型地下水位测试装置构造示意图Fig.2 New apparatus for measuring groundwater level

2 测试结果及分析

本研究选取加固区中心区域作为研究区域.除孔隙水压力外，地下水位采用新型水位管NP1的测试结果，出水量取循环水箱SX6和SX7的平均出水量，表面沉降取表面沉降板BM5和BM8的平均沉降量，膜下真空度选用真空表ZK4的读数，测试结果如图3.受密封膜漏气、停电等因素影响，抽真空初期地下水位、出水量和膜下真空度变化波动较大.第一次长时间停电(抽真空第9天)后，膜下真空度稳定维持在－80 kPa左右，为更好说明地下水位、出水量和表面沉降之间的关系，研究时间区间以抽真空第9天作为起始点，直至真空预压结束.

2.1 地下水位与出水量

图3 现场实测结果Fig.3 Field testing results

地下水位降深和总出水量的测试结果见图4.从图4可见，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.整个真空预压期间，两者关系可用二次多项式函数表示，且拟合度较好.一般工程实践表明，真空预压后期出水量会明显减少，但本次真空预压时间相对较短，未观测到此现象，长时间真空预压后期地下水位降深和总出水量的关系有待进一步研究.此外，假设加固区中心区域内各处地下水位降深相同且同步，用总出水量除以单台射流泵控制面积 (本研究为1 100 m2)可得该区域地下水位的平均降深.由图4可见，利用总出水量算得的地下水位平均降深小于实测结果，与前述假设矛盾，说明真空预压期间加固区内各处地下水位不同.受密封沟积水和加固区周围地下水补给，边缘处地下水位高于中心处，如此会形成一个以加固区为中心的的降水漏斗，且该降水漏斗会延伸至加固区外一定范围.

图4 地下水位降深与总出水量关系图Fig.4 Groundwater level lowering and outflow

2.2 地下水位与表面沉降

图5 为地下水位降深与表面沉降关系图.从中可见，表面沉降随地下水位降深的增大而递增，两者呈线性关系，说明地下水位下降幅度对表面沉降影响明显.文献［13］认为真空预压情况下，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.上述两方面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.工程上，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.

图5 地下水位降深与表面沉降关系图Fig.5 Relationship between groundwater level lowering and surface settlement

2.3 地下水位与膜下真空度

对比图3(a)和(d)可见，抽真空初期，随着膜下砂垫层中的空气被抽出，膜下真空度快速上升，5 d后稳定在－80 kPa左右，期间地下水位下降较快.抽真空第9天，因供电线路出现故障，导致长时间停电，膜下真空度迅速下降至－31 kPa，地下水位有所回升.重新供电后，膜下真空度短时间内恢复至－80 kPa左右，之后保持相对稳定，与此同时，地下水位快速下降，并渐趋相对稳定状态.整个真空预压期间，地下水位随膜下真空度上下波动，说明膜下真空度的高低对地下水位的变化影响显著.在加固区密封良好、竖向排水通道井阻较小时，膜下真空度越高越稳定，越有利于地下水位的下降.

2.4 地下水位与孔隙水压力

如图3(e)所示，除埋深15 m处的孔隙水压力下降较小外，其余深度处的孔隙水压力在抽真空初始阶段消散很快，4 d后趋于稳定，埋深6、9和12 m处的孔压最大降幅分别为43、52和50 kPa.真空预压引起地基中孔压下降有两个影响因素:一方面是抽真空过程中竖向排水体孔压降低，并向周围土体扩散引起土体中孔压下降;另一方面是由地下水位变化引起的［14］.本次试验抽真空最后一天埋深6、9和12 m处的孔压分别为22、38和66 kPa，与初始孔压相比分别下降了41、52和50 kPa，此时地下水位降深为3.654 m，所以因地下水位下降引起的孔压消散值为36.54 kPa，两者相减，得到因真空度传递扩散引起的孔压消散值分别约为4、16和14 kPa.显而易见，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.但由于本次试验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，据文献［15］分析，情况则相反.同时，由图3(e)还可见，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较近，对抽真空比较敏感的缘故.

2.5 出水量与表面沉降

对比图4和图6可见，表面沉降与总出水量之间的关系类似于地下水位降深随总出水量的变化规律，两者关系同样可以用二次多项式函数进行拟合.若假设加固区中心区域表面沉降一致且同步，且不考虑侧向变形，利用表面沉降乘以单台射流泵控制面积 (本研究为1 100 m2)，可以得到该区域土体因单向等应变固结而排出的水量.从图6可见，实测总出水量远远大于固结排水量，说明真空预压过程中大部分出水量是在孔压差和重力作用下被排出的重力水 (包括加固区外对加固区内的补给水)，固结排水量占总出水量的比例很小.

图6 总出水量与表面沉降关系Fig.6 Relationship between outflow and surface settlement

3 地下水位下降机理分析

从工程角度出发，真空预压加固地基处理深度范围内的土层主要是浅层潜水含水层，这里讨论的地下水位实际上就是潜水面.潜水面的常规定义是指在这个自由水面上的压力水头等于零［16］.对真空预压而言，负压状态下的零压面并非真实的地下水位，所以该定义不适用于负压状态［5］.本次试验利用新方法获得了负压条件下加固区内真实地下水位的变化情况，结果表明真空预压期间地下水位是下降的，下面简要阐述地下水位下降机理.

抽真空前，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［17］.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.

整个真空预压过程中地下水位是下降的，地下水的运动属于非稳定渗流问题.但工程实践表明，真空预压稳定阶段地下水位逐渐趋于稳定状态，出水量也很小，此时可以近似作为稳定渗流来研究，至于真空预压前期宜从地下水非稳定渗流角度出发进行分析.

结 语

综上研究可以得到:① 真空预压过程中加固区内地下水位是下降的，且各处地下水位降深不同，边缘处地下水位高于中心处，所以会在加固区内形成一个降水漏斗.随着抽真空时间的延长，该降水漏斗会延伸至加固区外一定范围;② 真空预压初期地下水位下降较快，之后下降速度变缓并逐渐趋于稳定状态，出水量和表面沉降表现出类似规律，三者间存在较好的函数拟合关系;③ 膜下真空度是影响地下水位变化的重要因素，地下水位下降反过来又会影响真空度在竖向排水体和土体中的传递和分布，进而影响孔隙水压力的消散;④ 真空预压初期应采用气水两相非稳定渗流理论进行分析，稳定阶段则可以近似作为稳定渗流来研究.

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