真空排水预压工程中真空度的现场测试与分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学 岩土工程研究所 作者:岑仰润

  在分析真空和负压基本物理概念的基础上,总结了真空排水预压工程中真空度现场测试技术和应用现状。通过室内试验及工程实践证明,真空排水预压情况下,地下水位以上的软粘土仍是饱和的,因此,对地下水位以上真空度测点,真空表读数实际反映的是该处的孔隙水压力;而对地下水位以下的真空度测点,真空表读数无意义。

1、前言

  现场真空度的量测是真空排水预压工程监测的重要内容,可为工程的检测分析和设计以及真空排水预压理论研究提供第一手的资料。但目前工程实践中对现场真空度测试及其结果的分析偏于简单,甚至存在认识上的误解,导致不同工程报道的测试和分析结果存在较大的甚至是定性上的差异。这对总结工程经验和提高理论分析水平都是不利的,也造成了对真空排水预压工作机理认识模糊,限制了该工法的进一步发展应用。

  真空技术网(http://www.chvacuum.com/)在本文在澄清真空和负压基本概念的基础上,对真空度现场量测技术的原理和成果进行了整理和分析。

2、真空和负压的基本概念

  真空,是指在给定空间内低于环境大气压力的气体状态,即该空间内的气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度,而并不是没有物质的空间。在真空技术中,表示处于真空状态下气体稀薄程度的量称为真空度,通常用气体的压力(剩余压力)值来表示。气体压力越低,表示真空度越高;反之,压力越高,真空度越低。真空,是用来描述气体状态的,不能用于描述液体状态。负压,是用于描述液体压力状态的,通常指负的孔隙水压力,属于液体的测压管压力,实际上是一种相对压力,相对于预先认为零压力的大气压力,有正压和负压之分。

  因此,在描述地下水位以下软粘土地基中某处的孔隙压力时,不应采用真空或者真空度的概念,而应采用负压的概念。在描述膜下砂垫层中的孔隙压力时,则可采用真空度来表征。其原则在于,真空,是描述气体状态的,负压,是描述液体状态的。真空度的测量一般采用真空表,负压的测量一般采用孔隙水压力计。许多关于真空排水预压工程的文献和总结报告中均有混淆真空度与负压的概念,这是导致对现场真空度和负压测试结果认识模糊的一个重要原因。

3、真空度现场测试和成果分析

  现场真空度的测量装置一般由真空度测头、软管和真空表组成,真空度测头通常是将一段PVC 管表面打眼成网状,并在外边用起反滤作用的土工布包好,其结构如图1 所示。

真空度测头结构

图1 真空度测头结构

  真空度的测量内容,包括膜下真空度的监测和竖向排水体及淤泥中真空度的量测。膜下真空度的量测有助于了解膜下真空度随时间的变化情况,绘制成膜下真空度与时间过程线。竖向排水体中真空度的量测可以了解真空度沿垂直排水通道中的传递规律,淤泥中真空度的量测有助于了解淤泥中真空度随时间的发展过程。

  当真空度测点布置在表面砂垫层或地下水位线以上竖向排水体内时,真空表读数即为该点处的真空度。

  当真空度测点布置在地下水位线以上淤泥中时,如图2 所示,淤泥中真空度测点的存在相当于一个空腔,真空表读数实际上为该空腔内气体的真空度。在稳定情况下,空腔内的气压值应该等于其周围的孔隙水压力值,所以,实际上真空表读数,间接反映了测点处孔隙水压力的大小。图3 为真空排水预压某区域 3 m 深处淤泥中所测孔隙水压力与淤泥中所测真空度的时间过程线,可以看到,二者是很吻合的。

地下水位线以上淤泥中真空度测点示意图

图2 地下水位线以上淤泥中真空度测点示意图

淤泥中真空度与孔压时间过程线

图3 淤泥中真空度与孔压时间过程线

  这里必须指出的是,地下水位线以上测点的真空表读数与非饱和土分析中的吸力是两个概念,对一般地下水位较高的软粘土地基,真空排水预压时在淤泥中仅仅形成负压的渗流场,而并不形成非饱和区,这主要是由于粘土颗粒对水具有较强吸附作用。表1 是萧山粘土进行室内抽真空排水预压前后试样物理指标变化情况,表2 是对路桥污水处理厂地基进行真空排水预压处理前后土层物理指标变化情况。从中可以看出,真空排水预压后,饱和软粘土含水量下降,但饱和度基本不变。

表1 室内抽真空排水预压前后试样物理指标变化表(萧山粘土,比重 2.74)

室内抽真空排水预压前后试样物理指标变化表

表2 路桥污水处理厂真空排水预压前后土层物理指标变化表(比重取2.74)

路桥污水处理厂真空排水预压前后土层物理指标变化表

  如前所述,真空度和负压是两个不同的概念,适用于不同的场合,因此,在垂直向量测地基中真空度时,仅是针对地下水位线以上的部分,对其以下部分,不应采用真空度来描述其孔隙压力。并且,由于地下水的存在,现有量测垂直向真空度的测试手段,实际无法反映测点处的孔隙压力。试分析图4中A测点的量测情况,如图5所示,初始情况下软管中水位与地基中原始地下水位齐平,CD段密封了压力为大气压力的气体,真空表读数为零。抽真空开始后,真空表中量测到的真空度实际上是BD段气体的压力,而不是A测点的孔隙压力,A测点的孔隙压力应该是真空表读数与AB段水柱压力之和。此时,软管中的水位并不一定等于下降后的地下水位,因此,仅知道真空表的读数并不能得到A测点的孔隙压力值。在实际工程中,往往将真空表的读数认为是测点A处的真空度,这在概念上和数值上都是错误的。

现场真空度测点布置图

图4 现场真空度测点布置图

地下水位线以下真空度测点示意图

图5 地下水位线以下真空度测点示意图

4、结语

  通过以上分析,可以得到以下结论:

  (1)真空与负压是两个不同的概念,真空度是用来描述真空状态的,不应用于描述地下水位以下某处孔隙水压力的大小。

  (2)当真空度测点布置在表面砂垫层或地下水位线以上竖向排水体内时,真空表读数即为该处的真空度。

  (3)当真空度测点布置在地下水位线以上淤泥中时,真空表读数间接反映了测点处孔隙水压力的大小,但不是非饱和意义上的吸力大小。

  (4)现有真空度测试技术无法真正测出地下水位以下某处的孔隙压力。

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