软土地基孔隙水压力监控问题与图解法实践

李正凯 王帅昊

(1.广州市高速公路有限公司，广东 广州 510305； 2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640)

1孔隙水压力监控存在的问题

1.1 孔隙水压力观测

为防止填土速率过快造成路堤失稳，在软土地基上修筑高速公路时要进行施工观测。常采用单级孔压系数与综合孔压系数控制填土速率，但控制指标在规范中并未涉及[1]，设计图一般定为：前者小于0.6，后者小于0.4。

根据孔隙水压力理论，孔隙水压力系数：

B单级=Δu/Δp。

而综合孔隙水压力系数：

B综合=(Ui-U0)/∑Δpi。

其中，Δu为超孔隙水压力增量，kPa；Δp为荷载增量，kPa；U0,Ui为初始、第i测点孔隙水压力，kPa；∑Δpi为累计到第i级的总荷载，kPa。

通过孔隙水压力探头测到的总孔隙水压力U包括两部分：静水压力h和由附加应力(路基上填土)所引起的超孔隙水压力u。受各种条件限制，U很方便获得，可其余两参数的获取均存在问题。

1.2 静水压力的定义缺陷

静水压力h的定义为：“给定点与自由水位高程差引起的水压力”[2]。但是地处坡体的稳定渗流上的土体(如高速公路半挖半填段)，按此定义，其静水压力u=rωh(此处h为土体到坡体自由水位高程差)。从该土体所处重力势与压力势分析，上式中土体到自由水位高程差应是该土体的等势线在该土体竖向垂直线上的投影h′(h′

为此，建议暂将渗流中的孔隙水压力归入静水压力范畴计算，以求结果统一。

1.3 静水压力观测的困惑

在路基两侧边坡设置水位观测点，根据观测结果可推算出其对路基的浸润线，此后依据两测次浸润线在孔压测点垂直向定点A(如图1所示)的变化差h以计算静水压力。

对于两侧处在与外界相通的河湖塘堰的路基，通过对其自由水位高程的观测，采用上述方法决定h可行。但对于路基两侧(或一侧)在没有可视的自由水位情况下，一般在路基边坡设置地下水位观测管(见图2)。并且要注意将水位管埋置在远离路基应力影响范围外的地方。

1.4 浸润线的计算

浸润线计算公式多且繁杂；其使用边界条件各不相同，涉及参数也多，如地基渗透系数、路基渗透系数、透水地基厚度、渗流线长度、路基两侧坡比与水位等。故其是否需要用于高速公路工程性(非研究性)的路基观测，值得商榷。

1.5 荷载增量的确定

荷载增量是计算孔隙水压力系数的参数之一。工程性观测多采用现场量测的方法以确定填土厚度。目前采用的方法有两种：松铺计算法和压实计算法。前者误差往往大于后者，但取值快。在工程实践中，建议在路基平整碾压完成后取多点测量以计算荷载增量。

由于影响静水压力h观测与计算的不定因素太多，最终会影响到孔隙水压力系数的计算结果。目前，单纯依靠现场和室内试验“很难确定孔隙水压力值相对于静水压力计算值折减公式的普遍规律或适用的计算公式”[3]，并提出“具体问题具体分析”。

1.6 孔隙水压力监控图解法的提出

孔隙水压力是一种观测方法，它有别于传统的几何变形观测法，而是从应力角度分析土体形变。实践表明，孔隙水压力观测灵敏度远高于几何变形观测。当荷载施加于软土之上，现场可立即测得孔隙水压力的变化情况。而沉降与位移观测与之相比总显得有些滞后。

产生上述现象的原因系因孔隙水排出的过程就是土体固结的过程，从外加荷载施加于土体、土体内超孔隙水压力增加、导致孔隙水排出，土体固结的过程往往需要一定的时间，因而沉降观测资料的获得往往要滞后孔压一段时间。该段“时间差”对于处于临界状况下的路基安全将显得格外的重要。

为寻求一个更接近真实情况、可操作性强的孔隙水压力监控新方法，经验总结后提出孔隙水压力监控图解法，并已经过广梧高速公路第18合同段软基观测工程的实践。

2 孔隙水压力监控图解法

孔隙水压力监控图解法是在孔隙水压力过程线上绘制“预警线”以控制填土速率的一种新方法。它仅需要依据孔隙水压力曲线并在其上绘制“预警线”，反过来又以此“预警线”控制下一阶段的填土速率。

2.1 “预警线”的确定

在软土地基上施工，设计多要求填土采用“薄层轮加法”进行分级加载施工。故可依据填土厚度的多少，确定分级加载的次数与每级加载后路基所需或能有的预压时间。

孔隙水压力与设置在同一断面的沉降板同步观测。由于首次加载大多在路基“极限填土高程”内施工，因此可连续加载。但每层土加载厚度必须控制在25 cm以内[1]。此外，填土速率仍按设计要求的沉降速率、位移速率与孔隙水压力系数进行控制。该级加载完成后，取加载期间孔隙水压力的最高峰值点a作为“预警线”的“起点”(见图4)。

第一级加载完成后，必须停载预压一段时间以后再进行下一级加载。两者加载间隔时间不得少于10 d，以使地基有充裕的时间进行排水固结，从而提高地基承载力以利于下一级加载。

第二级加载与第一级相同。加载完成后取本级加载过程中孔隙水压力最高峰值点b作为“预警线”的“终点”。连接ab并延长，即得本测点孔隙水压力监控的“预警线”。

两级加载完成后，观察路基是否产生病害。无则用“预警线”，有则弃。

有时b点孔压值不易超过a点孔压值，所绘出的“预警线”斜率很小甚至呈水平状。解决的方法除采用必要的工程措施(如疏通横向排水体)外，也可以延长预压时间后重新进行上述工作以确定点b。

2.2 “预警线”的修正

“预警线”是第一、二级加载现场实践的产物，其斜率能如实地反映出加载过程中荷载与地基承载力之间互依互涨的关系，从某种程度上也能反映出后续加载期间荷载与地基承载力之间的这一关系，但存在着数量大小的变化。为慎重起见，有必要对其予以修正。

在恒力作用下，路基承载力的提高与预压时间成正比。因此，可按预压时间的长短对“预警线”进行修正。方法是取1/2预压时间时所测得的孔压值作为“预警线”修正的起点e，并过e作原预警线的平行线ef(见图4)即可。

2.3 “预警线”的应用

将观测到的孔隙水压力值输入电脑，观察所测孔隙水压力值与“预警线”间的距离：

1)倘若观测值在“预警线”下方，表明路基荷载的增加与地基承载力提高处在相适应的状态之中，因此可进行下一层土的加载，而且两者间距较大时可以适度增大填土速率。

2)倘若接近或超过“预警线”，则表明荷载的增加已与路基承载力不相适应，须考虑立即停止加载。

3 工程实例

3.1 工程简介

某高速公路K118+250～K118+360段左侧为山体，右侧为软土地基，属典型半挖半填路段，地钻资料揭露本区0.5 m耕作土下藏卧着8.6 m厚左右的淤泥质粘土与亚粘土，其下为强风化粉质砂岩。

该段采用3块沉降板、2根位移边桩与2支孔压计对路基加载进行监控。设计要求监控指标为：单级孔压系数小于0.6、综合孔压系数小于0.4、沉降每天小于10 mm、水平位移每天小于5 mm时方可进行加载。

3.2 观测过程

3.2.1沉降观测

从图3可见：土体的沉降与荷载的施加呈良好的对应关系，两者反应灵敏。曲线上明显有多处“拐点”，且多发生在各级加载过程之初，符合一般规律。

3.2.2孔隙水压力观测

图4为本段设置的2支孔压计所测孔隙水压力—时间关系曲线。孔压计分别埋置在原地面下3 m，7 m的软土层内，其测孔号分别为1号、2号。与沉降曲线相同，孔隙水压力与荷载呈良好的对应关系，两者反应相当灵敏。

3.3 预警线的确定与修正

按孔隙水压力监控图解法绘制“预警线”。在实际施工中，考虑天气、料场、机械调配等诸多因素，加载往往是零星、间断型的。这种加载导致孔压增长与消散反映在曲线图上呈锯齿状。但只要曲线总体仍呈水平状或下降趋势，为简便起见，也可直接取下降曲线中点作为“预警线”修正的起点。

3.4 监控过程

3月18日，两孔测点孔隙水压力均超过了预警线。为慎重起见，同时也为了检验预警线的可靠性，对当天沉降与孔压系数进行计算以作比较。3月19日观测孔隙水压力值仍超过预警线，按常规下达了“停载通知”。3月23日发现该段路基边沟内壁产生裂缝，边沟底部凸起(事后报设计院变更采取了反压护道等工程措施)。说明此次“停载通知”下达是及时的，同时也说明采用“预警线”对加载进行监控的可行性。

通车后的观测结果表明，之后采用的快速加载对路基并未产生任何病害，此外本工程采用孔隙水压力图解法控制路基加载的实践是成功的。

4 结语

工程实践成功说明了该图解法的可靠性。它源于工程又用于工程，具有简单直观可操作的特点，因而更能真实反映各测点的实际情况，有效控制加载速率。

参考文献:

[1] JTJ 017— 96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

[2] GB/T 50279— 98,岩土工程基本术语标准[S].

[3] 魏海燕,孙保卫,徐宏声.地基土中孔隙水压力的现场测试、室内试验与模拟[J].建筑技术,2000(sup):104.

[4] 李广信.土体、土骨架、土中应力及其他——兼与陈津民先生讨论[J].岩土工程界,2005,8(7):14-17.