非饱和土在孔隙负压状态下的性能研究

徐仁宇，王俊刚，李一凡，姚 鑫，王朝阳

(青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266033)

由于社会发展的需求，近岸工程行业也快速崛起并发展到一定水平，伴随而来的是一系列的工程问题，软基处理就是其中之一.加固软基最为常用的手段之一就是真空-堆载联合预压[1-2]，目的就是利用加载和抽真空的方法增加有效应力[3]，加大施工阶段沉降量，减小或消除工后沉降，在这一过程中饱和土中的孔隙正压与孔隙负压以及非饱和土中的孔隙正压与孔隙负压均会起到重要作用.众多资料表明软基沉降与孔隙压力有关，且孔隙负压在软基加固过程中起到了很大的作用.因此，若能准确测得孔隙负压的大小及其变化规律，令压实机械在软基出现负压时进行施工，对于加速施工沉降，减小工后沉降具有重大作用.现有技术在测量饱和土孔隙正压方面已较为成熟，在测量饱和土孔隙负压方面也有部分参考资料提及，但在对于如何准确测量非饱和土正压与负压方面还不完善.利用课题组自行设计制作的装置可以解决这一问题.本文介绍了利用课题组自行设计制作的装置进行测试的试验情况，主要研究了实验室内测试非饱和土孔隙负压及其与地下水位的关系[4]，并以此为依据，应用在工程实践中.

1 试验简介

1.1 试验场地及装置简介

本试验过程均在实验室内进行，试验装置是利用连通器原理设计制作的.整个试验过程均在试验箱内进行.试验装置主体由PVC水管、PVC 90°弯头和三通以及1套拉绳传感器组成，另设水位管配合试验分析.试验装置如图1所示.

PVC管包括孔隙压力管、大气压力管、走线管等.孔隙压力管：埋在填土中，管端部与被测土体对接，试验过程中用于测量此处的孔隙压力，其水位测量导线由走线管穿出；大气压力管：与大气相通，因此管内压力始终为大气压，试验过程中管内水位的升降代表孔隙压力的变化；走线管：为避免测量线相互干扰，孔隙压力管内的拉线由底部穿过，通过走线管与拉绳传感器相连；3根PVC管底部用弯头与三通相互串通在一起，组成连通器.水位管由试验箱底部开始埋入，用以标记整个试验箱内水位的变化.

试验流程大致分为注水和排水2个阶段，分别观测水位变化过程中传感器读数的变化，以此来反映土体孔隙压力的变化.在孔隙压力管、大气压力管、水位管内部均有浮子用来标记水位变化.经室内筛分法测得，本次试验用砂粒径大于0.25 mm的颗粒含量超过50%，为中砂.

1.2 试验原理

试验原理为U形管两端液压平衡[5-6]，装有液体的连通管内符合静水压力的理论，即当液面稳定时，两端液面处所受压力相同.土体中孔隙压力发生变化时会引起管内液面的变化，大气压力管端部液面的升降反映的是孔隙正压与负压，以此来监测出土体中是否存在孔隙压力以及孔隙压力的变化.同时利用注水与排水过程来模拟真实工况中地下水位的升降情况.当水位低于孔隙压力管上端时，孔隙压力管端部土体为非饱和土；当水位超过该端部时，土体转为饱和土.

在使用该装置进行监测时，需在装置被埋入指定位置时对管内进行注水，使孔隙压力管与大气压力管内水位相平(注水至孔隙压力管管端溢水)，此为初始条件.此时各管内压力均为大气压.试验过程中，孔隙压力管端部水位不变，大气压力管液面处一直保持大气压力值不变，当出现孔隙正压时，大气压力管水位上升，正压值为ρgΔh；当出现孔隙负压时，大气压力管端部水位下降，负压值为ρgΔh.计算公式如下：

p=p0+ρg(Δh1-Δh2)

Δh1=l1t-l10

Δh2=l2t-l20

式中：p为孔隙压力管端部的孔隙压力值；p0为大气压力值；ρ为水的密度；g为重力常数；Δh1为孔隙压力管端部液面高度变化值；Δh2为大气压力管液面高度变化值；l10为与孔隙压力管端部相连拉绳传感器初始读数；l1t为与孔隙压力管端部相连拉绳传感器任意时刻读数；l20为与大气压力管相连拉绳传感器初始读数；l2t为与大气压力管相连拉绳传感器任意时刻读数.

1.3 试验装置安装

试验装置的安装是在注水之前全部完成的，进行安装前首先进行测试.对于PVC管装置，最主要的是要检查装置是否会出现漏水现象，若试验过程中出现漏水问题，会对试验结果造成影响，因此在PVC管组装时要做好密封工作.对于拉绳传感器，则需要测试好其灵敏度和电压稳定性，以保证当水位发生变化时，拉绳可以及时伸长或者缩短，最后要保证试验箱排水口工作状态良好，防止堵塞.

试验装置全部检测完成后，开始安装到试验箱内.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，之后将试验装置和水位管放置在上面开始埋入.每填20 cm左右土进行人工压实，尽可能接近自然状态下土体沉降的情况.当试验装置全部埋进试验箱后，孔隙压力管端部覆土高度18 cm，试验装置安装如图2所示.

图2 试验装置安装

在注水之前，将装置通过拉线与拉绳传感器连接在一起，并再次测试拉绳传感器是否灵敏.接通电源，并打开后台监测终端，可以对传感器读数进行实时掌握与分析，确保试验顺利进行，然后将传感器拉绳拉至事先规定的长度.开始注水，并随时观察拉绳传感器读数变化.本次试验注水形式是由试验箱上部直接往箱内注水，令箱内水自然渗入下部，从而充满整个试验箱，实验室内注水情况如图3所示.

图3 试验箱注水

1.4 试验注意事项

1) 在试验装置安装完毕后，开始注水.在注水过程中，注意观察记录传感器数据变化.

2) 将装置埋入指定位置后，在注水之前需要预先对装置进行注水，以保证满足试验要求.具体做法为：通过走线管对装置进行注水，直至孔隙压力管端部有水溢出，目的在于使大气压力管与孔隙压力管内有初始水位，且只受大气压力，使得在注水与排水过程中大气压力管内水位可以发生变化，从而监测到孔隙压力的存在.

3) 试验过程中一定要保证装置底部的密封性，故在试验前须确认装置不会出现漏水问题；保证管内拉线在经过各转弯处都能在滑轮上进行变向，从而减小摩擦对试验的影响；试验中选用的重物要足够克服拉绳传感器的拉力，使浮力变化值成为拉线长度发生变化的主导因素，同时浮子要在这一过程中起到动态调平作用，故而拉线要足够长.

2 试验数据分析

2.1 试验过程

试验装置全部安装完毕并调试成功后，开始对试验箱进行注水，传感器终端开始记录数据，试验持续到传感器读数不再发生变化，试验结束.传感器发射装置每隔5 s会向终端传输一组数据，因试验数据过多，故需对试验数据进行处理，截取出重要节点数据加以分析.

开始注水时，孔隙压力管与大气压力管水位相同，此为初始条件.随后水位管水位开始上升，此时孔隙压力管端部土体为非饱和状态，开始出现孔隙负压，且该值随着水位的上升不断增大，直至水位到达孔隙压力管端部，孔隙负压达到最大值.当水位管水位开始要超过孔隙压力管端部时，孔隙压力管端部土体变为饱和土，负压迅速减小并转为正压，随着水位不断上升，孔隙正压呈增大趋势.当注水过程结束后水位管水位升至最高点，此时孔隙正压亦到达最大值，箱内土体均处于饱和状态.注水过程中的孔隙压力变化见表1.

表1 注水过程中孔隙压力变化

排水过程开始，孔隙正压随着水位的下降开始逐渐减小，箱内的土体开始由饱和状态变为非饱和状态，当水位下降至孔隙压力管上端时，正压也变为最小值.随后孔隙正压消失，该处土体亦变为非饱和土，孔隙负压开始增大.随着水位继续下降，孔隙负压也随之增大，当水位下降到最低点时，孔隙负压达到最大值.随后稳定不再改变，整个试验过程结束.排水过程中孔隙压力变化见表2.

表2 排水过程中孔隙压力变化

2.2 试验数据分析

拉绳传感器终端记录下传感器在整个试验过程中3个管内拉绳长度变化情况，用Origin将拉绳长度变化进行处理得到水位变化曲线，并绘制孔隙压力变化情况，如图4、图5所示.

图5 孔隙压力变化曲线

由图4、图5可以看出，孔隙压力管内水位高度在整个试验过程中基本保持不变.在注水过程中，水位管内水位一直处于上升趋势，大气压力管内水位在孔隙负压增大阶段会有一定下降；当水位管水位到达孔隙压力管之后，负压开始减小，大气压力管内水位开始上升，之后出现正压，大气压力管内水位持续上升，直至注水过程结束.在排水过程中，正压先是逐渐变小，随后负压逐渐变大，因此整个过程大气压力管内水位一直处于下降趋势，直至整个试验过程结束.

当注水开始时，试验箱内水位低于孔隙压力管上端，此时孔隙管端部土体为非饱和状态，孔隙压力表现为负压状态，随着水位逐渐上升，负压也越来越大，达到极大值-372 mm水柱.随后负压迅速减小，并转为正压状态，随着水位继续上升，孔隙管上端低于液面，此时土体变为饱和土，孔隙正压呈现逐渐增大趋势，直至停止注水，孔隙正压达到最大值204 mm水柱.

排水过程开始后，随着水位的逐渐下降，箱内高于孔隙压力管端部的饱和土开始变为非饱和土，但孔隙管端部仍处于饱和土状态，孔隙正压开始减小，直至为0.当水位低于孔隙压力管端部时，该处土体变为非饱和土，接着出现孔隙负压，孔隙负压到达最大值-488 mm水柱后，孔隙压力基本维持不变，直至排水过程结束.

同时观察图4与图5水位管与孔隙压力管水位高度差及对应的孔隙压力值可知，孔隙正压时的孔隙压力值要小于同基面的静水压力.

2.3 试验结果应用

通过室内试验实际测得了非饱和土中的孔隙负压，并且掌握了其变化规律与数值大小，在实际港口工程中可以充分利用这一规律[7]：当地下水位高于某处土体时，该处土体会出现孔隙正压，并随水位的上升而增大；当地下水位低于某处土体时，该处土体会出现孔隙负压，并随水位的下降而增大.将这一规律应用到实际工程中，在土体碾压阶段，控制碾压设备在孔隙负压阶段甚至是负压极值阶段进行施工，可以大大提高施工效率，加速施工沉降与地基固结[8]，从而减小工后沉降；在后期使用阶段，亦可利用该规律对工程沉降进行实时监测，在土基负压阶段补气，消减负压，控制工后沉降[9].

3 结论

在实验室通过对试验箱内土体注水、排水2个阶段的观测，证明了非饱和土中存在负压，并且其存在一定的变化规律：当地下水位低于某个位置时，该处土体会由饱和土状态转为非饱和状态，此处会产生孔隙负压，且负压会随地下水位的下降出现增大的趋势.这一规律或可改变软基施工工艺；同时发现饱和土的孔隙正压力小于同基面的净水压力，这一结论也可能有助于工程应用.