埋入式孔压计在模型实验中的运用

本文作者：韩文君 刘松玉 章定文 朱小丹 单位：东南大学交通学院

0前言

真空预压法是一种行之有效的软土地基处理方法，其在造价、工期、加固效果、环保等方面较传统方法具有较大的优越性［1］。随着沿海地区开发港口建设的蓬勃发展，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。真空预压法加固地基的基本原理是保持总应力不变，通过降低孔隙水压力提高有效应力达到加固效果［2，3］。因此对孔隙水压力的量测和研究对于研究真空预压技术具有重要意义。相对于实际工程而言，模型试验可以较为方便地研究真空预压技术［4，5］。目前，在实际工程中，孔隙水压力的测量水平已经得到有效的提高，测量孔隙水压力的传感器的种类也非常丰富［6～9］。但是由于制造工艺上的限制，目前能用于真空预压室内模型试验的微型孔隙水压力计国内还比较少见。本文介绍了两种埋入式微型孔隙水压力计，利用自行设计和组装的仪器进行了孔隙水压力计负压量程的标定，并进行了真空预压室内模型试验，从而评价微型孔隙水压力计的测量效果。试验的结果对于真空预压室内模型试验中孔隙水压力的测量具有借鉴意义。

1孔隙水压力计简介

1.1孔隙水压力计分类采用真空预压技术加固地基时，对土体中孔隙水压力的观测可以了解真空荷载作用下土体内产生的超静孔隙水压力的大小、分布及消散速度，以便计算土体的固结度，推算土体强度随时间的变化关系，进行变形和稳定计算，控制施工速度。孔隙水压力的测量一般采用孔隙水压力计观测。孔隙水压力计是一种埋在土层内部、用于测量土体内孔隙水压力的传感器。该传感器与通常的水压力传感器不同之处是在传感器进水口安装了一个透水石，其透水率应与被测土体透水率接近，用于隔离土体内部的杂物。孔隙水压力计按测量原理分，有测压管式、水管式、气压式、钢弦式、差动电阻式、电阻应变片式等多种类型［9，10］。目前，国内真空预压现场试验中一般使用钢弦式孔隙水压力计。该类型孔压计结构牢固、抗干扰性能好、测试精度较高，主要测量缓慢变化的孔隙水压力，动态性能较差，且体积较大，不能用于室内模型试验。近年来，由于制造工艺和材料工艺的发展，国内外很多厂商注重与发展该类型的微型孔隙水压力计，该类型孔压计可以满足室内模型试验对于体积小的要求，下面将介绍两种该类型的孔隙水压力计。

1.2两种埋入式微型孔隙水压力计真空预压模型试验对于孔隙水压力计的测量尺寸有较高的要求，从日本共和电业(KYOWA)购入的两种微型孔隙水压力计(PPT1、PPT2)，如图1所示。两种类型的孔隙水压力计均为微型的，且可埋入土体中。孔隙水压计1(后文简称PPT1)量程为200kPa，孔隙水压计2(后文简称PPT2)量程为100kPa。两种孔隙水压力计均为电阻应变式孔压计，由透水石、壳体、隔离膜、感应元件、电缆等组成，如图2所示。感应元件为惠斯顿电桥结构，4个应变阻片通过离子注入到硅膜片中，加压后，硅膜片变形将使电桥失去平衡。孔隙水压计的工作原理是土体孔隙中的有压水通过透水石作用于仪器的隔离膜上，通过隔离膜作用于仪器的感应元件，使处于平衡状态的桥壁电阻发生变化，电桥失去平衡产生一个与所受压力成正比的输出信号。传感器受到的压力和输出信号之间关系如下。厂商提供的校订系数k只能进行正压量程的测量，对于真空预压中的负压条件下的孔隙水压力量程未提供标定数据，因此作者自行设计和组装了孔隙水压力计的标定仪器。

2埋入式微型孔隙水压力计的标定

2.1试验仪器为了准确地标定微型孔隙水压力计在负压条件下的孔隙水压力的量测，本文设计加工了标定试验装置，如图3所示。标定试验装置主要包括四大部分:标定压力室、正压加载系统、负压加载系统及量测系统。标定压力室类似于常规三轴试验的压力室，高度50cm、直径25cm，采用壁厚为1cm的高强度透明有机塑料作为侧壁。底座和顶盖为带有O型圈的钢制圆板，厚度为1cm。底座设有进出水口。顶盖经过特殊加工，设有正负压进出口、真空表、导线密封装置。导线密封装置为关键部件，采用正负压输气管，先在圆管里放置硅橡胶然后放置四根导线，等待硅橡胶固化后，进行整个仪器的密封性测试。密封性测试结果表明，无论是正压还是负压，压力衰减率为0.5kPa/h，完全满足仪器标定的要求。正压加载系统采用柔性壁渗透仪的加压装置改造而成。采用气压进行正压加载，气压由空气压缩机提供，压力控制箱可以精确控制施加的正压。负压加载系统主要由真空泵提供。正压和负压加载系统通过三通阀门连接。量测系统为计算机和数据采集仪Datataker，采集时间间隔为5s。

2.2试验过程埋入式微型孔隙水压力计的标定试验详细步骤(1)将孔隙水压计置于空气中，连接传感器与数据采集仪，进行传感器的预热1min，同时在压力室中注入3～5cm高的水，用以饱和孔隙水压计;(2)将孔隙水压计置于压力室中饱和，为了加快饱和速率，进行抽真空，真空荷载不超过5kPa，待孔压计完全饱和后，记录初读数;(3)首先分级施加正压，每级荷载为10kPa，Datataker采集间隔为5s，压力维持1min后进行下一级荷载，依次加载，直至满量程。然后从满量程开始分级卸载，压力分级间隔、数据采集时间间隔均与加压情况相同;(4)正压卸载完后，转动三通阀门，同时开启真空泵，真空荷载施加从0至－100kPa，每级为－10kPa，压力维持1min;由于仪器密封性的限制，本次负压最大只能快速稳定于95kPa。然后开始分级负压卸载，直至压力为零;(5)压力完全卸载后，进行5min的数据采集，观察仪器的稳定性。

2.3试验结果图4为孔隙水压力计输出信号值与压力变化关系。由图4可知，在每级荷载下，孔隙水压计的输出电压都比较稳定，对输出信号值与压力进行线性拟合，孔压计PPT1的线性相关性高达99.96%，PPT2的拟合精度为99.99%，可见该类型孔隙水压力计测量结果精确，且PPT2的灵敏度好于PPT1。

3埋入式微型孔隙水压计的应用为了评价埋入式微型孔隙水压力计的测量效果，本文进行了真空预压室内模型试验。真空预压模型试验装置采用前文的标定仪器的装置。

3.1真空预压室内模型试验土样本文试验所用软土取自连云港地区，其基本物理力学指标试验结果见表1。

3.2试验方案及试验步骤本次试验的目的是为了评价埋入式微型孔隙水压力计的测量效果，试验过程中主要监测膜下真空度、土体变形、土体中的孔隙水压力及排水板中孔隙水压力的变化情况。试验主要进行以下几个步骤:(1)将现场取回的连云港海相软土配置成一定含水率(约为1.3倍液限)的试验用土;(2)在压力室底部铺设碎石层(5cm厚)，然后铺设细砂层(5cm厚)，压实每层土后，在其上放置两层土工布;(3)在细砂层之上填入高度为10cm的重塑黏土，在压力室圆柱体中心放入一块排水板，宽度2cm，排水板插入底部排水通道中;(4)在土体5cm深度处及相应深度排水板中各埋入一个孔隙水压计，同时架设好百分表，磁性表架固定于顶盖内部，记录孔压计和位移百分表的初始读数;(5)密封好整个压力室，并将各传感器接至数据采集仪上;(6)将抽真空管路连接到真空电磁阀(可设定真空度大小)，并连接到真空泵;(7)启动真空泵，设置真空荷载为50kPa，抽真空至稳定状态。

3.3试验结果讨论与分析(1)孔隙水压力变化图5为真空预压过程中真空度、排水板中超静孔隙水压力及土体中超静孔隙水压力随时间的变化曲线。由图5可知:①膜下真空度随着抽真空时间的增加，开始上升很快，经过1min的抽气，膜下真空度即可达到50kPa，之后一直稳定在50kPa左右;②排水板中孔隙水压力计测得真空荷载与真空表测得的结果几乎一致，这充分说明孔隙水压计可以精确测量真空预压中的负压力;③土体中的孔隙水压力变化慢于排水板中的孔隙水压力，且随着时间的增加逐步趋于稳定值。(2)沉降变化图6为土体的沉降变形随时间的变化关系，从图中可以看出，真空荷载施加前期，土体的沉降变形较大，随着时间的增长，沉降逐渐趋于稳定，实测沉降量为28.52mm。(3)固结度变化土体的固结度是反映土体固结程度的指标，其大小可采用孔压或变形进行计算，因此可以采用固结度来反映孔隙水压力计的测量效果。按孔压和按变形计算固结度的方法分别如式(2)和式(3)所示。式中:Up、Us分别为按孔压计算的固结度和按变形计算的固结度;u0为初始孔隙水压力;ut为t时刻孔隙水压力;u∞为最终孔隙水压力;st为t时刻土体沉降;s∞为最终沉降量。在本模型试验中，土体的初始孔压u0为零，最终孔隙水压力为－50kPa。由于本模型试验时真空荷载施加非常迅速，所以取t0=0进行最终沉降量预测。预测结果如图7所示。图7中椭圆内的前期点离散性比较大，所以仅利用20h以后的数据点进行沉降预测，预测最终沉降量为29.50mm。利用式(2)和式(3)对土体的固结度进行计算，按孔压和沉降变形计算得到的固结度如图8所示。由图8可知，通过微型孔压计测得的孔隙水压力计算得到的土体固结度与由沉降曲线计算得到的土体固结度变化规律一致。至卸载时，按孔压计算得到的最终固结度为87.41%，按土体沉降变形计算得到的最终固结度为96.67%，二者相差为9.26%。该变化规律与文献［12］中的工程实测结果和文献［13］中的计算结果一致。分析这种差别的原因，对于太沙基一维固结理论和传统的砂井固结理论，由于假定有效应力和应变是线性变化关系，所以按孔压计算得到的固结度与按沉降计算的得到的固结度是一致的。当土体的含水量较大时，土体的固结过程不符合这种假设，土体的有效应力和应变呈非线性关系，因此导致Up≠Us，Up与Us差别大小与土性、应力水平、加荷比等因素有关。实际工程中，真空预压法加固地基的目的是为了减少沉降和提高地基强度两个方面［12］。对于不同的工程，目的会各有侧重。例如，若要评价真空预压法对于减少地基沉降的效果时，可以直接利用实测沉降过程线推算最终沉降量，并采用式(3)计算预压期所达到的固结度，并预估工后沉降量是否达到容许值，若采用式(2)计算得到的固结度计算最终沉降量，最终沉降量会偏大，导致工后沉降量亦增大，而使得预压时间增长，增加工程造价;当采用真空预压加固吹填土以便后续地基处理施工时，主要关注地基强度增长和承载力的提高，此时需根据式(2)来计算土体的固结度，如用式(3)计算则会使土体强度增长计算值大于实际值，使得工程偏于不安全。因此，在采用真空预压法加固地基时，须针对工程的不同情况分别采用Up或Us作为加固的控制标准。

4结论

(1)利用自行设计和组装的仪器进行了孔隙水压力计负压量程的标定，结果表明，两种埋入式微型孔隙水压力计能够准确地测量负的孔隙水压力。(2)进行了真空预压室内模型试验，试验结果表明，排水板中的微型孔隙水压力计测得的孔压与膜下真空度变化规律一致。(3)利用孔隙水压力计算得到的土体固结度与由沉降曲线计算得到的土体固结度变化规律一致。至卸载时，按孔压计算得到的最终固结度比按沉降曲线计算得到的最终固结度略小，这主要是因为土体高含水量及非线性固结引起的，而非传感器测量误差。(4)传统的砂井固结理论不考虑土体固结过程的非线性，误认为按孔压计算得到的固结度与按沉降计算的得到的固结度是一致的，这会使得施工期沉降计算结果偏小，工后沉降偏大，使得预压期延长，工程造价增大。(5)通过对微型孔隙水压力计的标定和应用，将有助于对真空预压室内模型试验中孔隙水压力变化规律的研究，提高对真空预压法加固软土的加固机理的认识水平。