仲彥，趙巖，尹長權(quán)*

（1.中海油天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津 300452；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

真空預(yù)壓是通過抽真空作用，不斷排出土中的水和氣，降低土中孔隙水壓力，提高土體有效應(yīng)力，從而達(dá)到提高土體強(qiáng)度的地基處理方法。真空預(yù)壓顧名思義，是以真空作為預(yù)壓荷載進(jìn)行排水固結(jié)加固的。因此，真空預(yù)壓中，對真空荷載的監(jiān)控是保證加固質(zhì)量的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的真空預(yù)壓加固中，常常進(jìn)行泵上真空度、膜下真空度等項(xiàng)目的監(jiān)測。傳統(tǒng)的真空預(yù)壓需鋪設(shè)砂墊層、覆上密封膜，近些年來，又出現(xiàn)了直排式真空預(yù)壓、自密封真空預(yù)壓等新技術(shù)。伴隨著新技術(shù)的發(fā)展，出于不同的需求，又出現(xiàn)了排水板內(nèi)真空度、土中真空度等監(jiān)測項(xiàng)目。隨著這些新監(jiān)測項(xiàng)目的出現(xiàn)，出現(xiàn)了多種類似于真空度的名詞用于對真空荷載進(jìn)行表述。這些名詞有的表述上相似但意義不同，有的字面上雖不同，但意義卻又一樣[1-5]?？傮w說來，這些關(guān)于真空荷載的名詞表述比較多，有時(shí)讓工程技術(shù)人員無所適從，比如何時(shí)稱真空度、何時(shí)稱真空壓力，又該采用何種手段來測量真空度和真空壓力。清晰的概念對于工程技術(shù)人員來說其重要性不言而喻。本文將目前真空預(yù)壓加固中常用到的真空荷載的幾種表述方式進(jìn)行分析，并對其應(yīng)用進(jìn)行討論。

1 真空荷載的幾種表述

1.1 真空度

“真空”是指氣壓低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。真空度是表示氣體分子稀薄程度的物理量。真空度愈高，壓強(qiáng)愈低，故用氣體壓強(qiáng)表示真空度。由于大氣壓力幾乎無處不在，在工程實(shí)踐中，大家關(guān)心的往往不是某處壓力的絕對值，而只是關(guān)心其相對大氣壓力的數(shù)值。因此，真空度常常比絕對壓力應(yīng)用起來更方便。真空度通常定義為：

式中：Pv為真空度；Pabs為測點(diǎn)絕對壓力；Pa為大氣壓力。

真空最早是用以表示氣體壓力的概念，因此，也有學(xué)者認(rèn)為其只適用于氣體，而不適用于液體。但從真空預(yù)壓多年的實(shí)踐來看，真空度的概念早已推廣至氣體液體混合物甚至是液體。在真空預(yù)壓中，真空度僅僅是一個(gè)表示壓力低于大氣壓力的數(shù)值。比如真空預(yù)壓監(jiān)測中的膜下真空度監(jiān)測，很難說膜下真空度是一個(gè)純氣體的指標(biāo)。因?yàn)樵谏皦|層中，水和氣體是一直都同時(shí)存在的，沒有只有氣體的狀態(tài)。

1.2 負(fù)壓

負(fù)壓只是用于表征壓力的大小，并無特別說明是液體壓力還是氣體壓力，因此其應(yīng)用對象可為液體或氣體，這點(diǎn)并無爭議。

所謂負(fù)壓，并不是指壓力的絕對數(shù)值是負(fù)值，而是相對于大氣壓力而言。當(dāng)壓力大于大氣壓力時(shí)，稱為正壓；當(dāng)壓力小于大氣壓力時(shí)，稱為負(fù)壓，從這個(gè)意義上講，在真空預(yù)壓中，真空度與負(fù)壓表述的意思是一樣的。負(fù)壓定義如下：

式中:Pn為負(fù)壓；Pabs為測點(diǎn)絕對壓力；Pa為大氣壓力。根據(jù)其定義，不難看出，真空度是一種特殊的負(fù)壓。

當(dāng)根據(jù)式（2）算出值為正值時(shí)，成為正壓。

在真空預(yù)壓中，孔隙水壓力實(shí)際上就是用的負(fù)壓或正壓的概念?？紫端畨毫鞲衅魇窃谝粋€(gè)大氣壓力下進(jìn)行標(biāo)定的，當(dāng)傳感器所受壓力為大氣壓力時(shí)，傳感器讀數(shù)為零。因此，通常測量得到的孔隙水壓力其實(shí)是個(gè)相對值，例如讀數(shù)50 kPa說明該點(diǎn)的孔隙水壓力高于大氣壓力50kPa，而不是說絕對壓力是50kPa。

1.3 真空壓力

關(guān)于真空壓力的含義，也有稱真空壓力是絕對壓力低于大氣壓時(shí)，絕對壓力與大氣壓力之差。顯然，如果按這種說法，真空壓力與真空度是一個(gè)概念，但這是不合適的。因?yàn)樵谡婵疹A(yù)壓中，真空壓力大多數(shù)情況下并不是這個(gè)含義。真空預(yù)壓中，真空壓力是指由于抽真空而產(chǎn)生的土體固結(jié)壓力。比如，在研究真空預(yù)壓加固效果時(shí)，通常會考慮“真空壓力”的傳遞或損失。顯然這個(gè)概念不是與真空度相同的概念。因?yàn)檎婵斩鹊膮⒖荚c(diǎn)是大氣壓力，若真空壓力等同于真空度，則10m水深以下，真空壓力就消失了，也就沒有加固效果了，但事實(shí)上，真空預(yù)壓的加固深度遠(yuǎn)大于10m。

實(shí)際上，按照真空預(yù)壓加固機(jī)理，真空壓力可定義為指某處的壓力低于該處靜水壓力的數(shù)值。負(fù)壓或真空度的參照點(diǎn)是大氣壓力，而真空壓力的參照點(diǎn)是靜水壓力。

真空壓力的定義如下：

式中：Pvc為真空壓力；P為以孔壓計(jì)等傳感器得到的測點(diǎn)實(shí)測壓力值；Phw為測點(diǎn)抽真空前的靜水壓力。

筆者認(rèn)為真空壓力是比真空度或負(fù)壓更為重要的概念。以正常固結(jié)土的真空預(yù)壓加固過程為例，通過抽真空作用，使土中水與砂墊層和排水板里的水形成水壓力差，在此壓力差的作用下，水不斷從土向排水板和砂墊層發(fā)生滲漏，從而降低孔隙水壓力，提高有效應(yīng)力，增加土體強(qiáng)度。真空預(yù)壓的排水主要是水平排水。水平排水的壓力差正是真空壓力，此壓力差也是真空預(yù)壓加固中孔隙水壓力降低的最大幅度即土體有效應(yīng)力增長的最大幅度（本文不考慮水位升降）。因此，真空壓力是真空預(yù)壓的最大有效固結(jié)壓力，具有非常重要的意義。

2 幾種表述的應(yīng)用范圍

對于真空荷載的表述有多種說法或名詞，按當(dāng)前主流的說法，主要有真空度和真空壓力兩種說法，因此本文就這兩種說法進(jìn)行討論。

傳統(tǒng)的真空預(yù)壓加固監(jiān)測中，對膜下真空度和泵上真空度進(jìn)行監(jiān)測。建議繼續(xù)沿用這一說法，原因之一是長期以來一直采用此概念，工程技術(shù)人員已經(jīng)熟練掌握；原因之二是膜下或泵上真空荷載的媒介主要是氣體，采用真空度的概念不會有太大的爭議。

隨著真空預(yù)壓技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直排式真空預(yù)壓等技術(shù)，這些技術(shù)最大的亮點(diǎn)在于提高了真空荷載的效率，即通常所說的提高了排水板內(nèi)的真空度或真空壓力。筆者認(rèn)為，排水板或土體內(nèi)談?wù)婵斩仁侵档蒙倘兜摹Ｊ紫?，排水板?nèi)或土體內(nèi)真空荷載的媒介主要是水，即使有空氣也是少量的，因此，采用真空度的說法在概念上有較大的爭議。另外，如前所述，真空度的參考點(diǎn)是大氣壓力，其數(shù)值大小并不說明真空預(yù)壓有效固結(jié)壓力的大?。欢婵諌毫Φ膮⒖键c(diǎn)是靜水壓力，其大小直接表征真空預(yù)壓有效固結(jié)壓力，顯然具有更重要的工程意義。圖1體現(xiàn)了不同概念下排水板中真空荷載的分布情況。

圖1 幾種真空荷載沿深度分布Fig.1 Distribution of somekindsof vacuum load with depth

如圖1所示，在地下水位線以上，排水板中真空度（或?qū)崪y壓力）與真空壓力重合，其沿深度的衰減只是由井阻引起。在地下水位以下，真空度（或?qū)崪y壓力）受靜水壓力的影響，衰減很快，在地下水位以下10 m左右衰減到零值。而真空壓力的參考點(diǎn)是該點(diǎn)的靜水壓力，因此其衰減只是受井阻的影響，可以傳遞到地基的更深處，這與真空預(yù)壓的實(shí)際加固效果也吻合。

因此，在真空預(yù)壓中，對密封膜下和真空泵上的情況，宜稱真空度；對排水板或土體內(nèi)，則宜稱真空壓力。

3 真空荷載的測量

3.1 真空度的測量

真空度的測量主要在密封膜下或真空泵上。一般采用真空表接導(dǎo)氣管的方式，通常在導(dǎo)氣管的端頭設(shè)置多孔PVC管再外包無紡布，在增大通氣效果的同時(shí)防止雜質(zhì)進(jìn)入測量系統(tǒng)，本文稱此種方式為真空表法。真空表法已經(jīng)沿用多年，使用經(jīng)驗(yàn)豐富且效果好，應(yīng)繼續(xù)采用。這種方式最大的好處就是測量結(jié)果非常直觀，有利于實(shí)時(shí)控制施工質(zhì)量，缺點(diǎn)就是精度較差。在某些特殊的條件下，可能需要了解真空度在水平排水墊層的分布情況，此時(shí)可以考慮采用精度更高的孔隙水壓力計(jì)來測量真空度，稱這種方式為孔壓計(jì)法。

3.2 真空壓力的測量

真空壓力的測量主要在土體中或排水板中。目前常見的真空壓力測量手段也是上述測量真空度的兩種手段，下面進(jìn)行討論。

對真空表法，其測量原理見圖2。岑仰潤等認(rèn)為此種方式適用于地下水位以上的真空壓力（或孔隙水壓力）的測試，不適用于測量地下水位以下的真空壓力（或孔隙水壓力），但沒有對不適用的原因進(jìn)行詳細(xì)分析[1]。王業(yè)榮等基于氣體狀態(tài)方程和導(dǎo)氣管內(nèi)水柱的壓力平衡，得到真空壓力與真空表讀數(shù)的關(guān)系方程，認(rèn)為真空表法可以用于地下水位以下，但只能用于真空表有讀數(shù)（即必須存在負(fù)壓的情況），且導(dǎo)氣管內(nèi)空氣對精度的影響很大，真空表使用過程中不得拆卸[2]。張功新等認(rèn)為真空表法適用于地下水位以上，地下水位以下由于土層壓縮和導(dǎo)氣管可能發(fā)生彎折的原因，不宜采用[3]。

圖2 真空表測真空壓力的原理Fig.2 Principleof measuring thevacuum pressureby vacuum gauge

真空表法適用于對地下水位以上測點(diǎn)的真空壓力測試，不需要換算，這點(diǎn)似乎沒有爭論。

對地下水位以下位置，需通過真空表讀數(shù)、導(dǎo)氣管內(nèi)氣體狀態(tài)方程和水柱的平衡條件來推算測點(diǎn)孔壓值，也得到了相對嚴(yán)密的理論換算公式，似乎真空表法已經(jīng)能測任意位置的真空壓力了。但筆者認(rèn)為，真空表法應(yīng)用于真空預(yù)壓中真空壓力的測量，除文獻(xiàn) [2]和文獻(xiàn) [3]列舉的問題外，此方法還有很多其他問題，簡要分析如下：

從真空表法的原理不難看出，此方法的關(guān)鍵是滿足氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用條件，也就是對導(dǎo)氣管內(nèi)空氣狀態(tài)要實(shí)現(xiàn)精確把握。既有研究中采用的氣體狀態(tài)方程的前提條件是溫度不變和質(zhì)量守恒。由于導(dǎo)氣管位于地下，溫度變化引起的誤差相對較小可以忽略，但氣體質(zhì)量和壓力是關(guān)鍵。

若真空表在埋設(shè)導(dǎo)氣管之前安裝，理論上導(dǎo)氣管內(nèi)空氣體積為導(dǎo)氣管容積，壓力可為大氣壓力。但實(shí)際操作中無法保證埋設(shè)過程中空氣不從管中溢出至土中，這樣管內(nèi)空氣質(zhì)量就不守恒了，氣體狀態(tài)方程就不成立了。另外，即使保證空氣不溢出，這種方式在埋設(shè)完畢后抽真空前，由于地層深處的壓力大于大氣壓，必然有水從土中被壓至管內(nèi)，也就是說管內(nèi)空氣必然被壓縮至正壓狀態(tài)。在抽真空后，孔壓下降幅度可能不足以使管內(nèi)空氣呈現(xiàn)負(fù)壓，也就是說真空表可能讀不出數(shù)據(jù)，從而無法測量，這可能也是文獻(xiàn) [2]中提到某些情況下真空表無讀數(shù)的原因之一。

若真空表在埋設(shè)導(dǎo)氣管之后安裝，則必須有充分長的時(shí)間間歇，待管內(nèi)水位線與地下水位線一致后方能安裝真空表。但導(dǎo)氣管僅端頭開孔，沿長度方向都是封閉的，因此，管內(nèi)外水位線一致需要的時(shí)間實(shí)際上較長，而且也沒有合適的手段來檢測是否管內(nèi)外水位達(dá)到了一致。若管內(nèi)外水位線不一致，一則無法確定管內(nèi)氣體的初始體積，二則會由于土中水壓入管內(nèi)導(dǎo)致管內(nèi)氣體初始壓力出現(xiàn)正壓，進(jìn)而可能導(dǎo)致抽真空后真空表無讀數(shù)。

另外，如文獻(xiàn) [3]所述，對于導(dǎo)氣管內(nèi)無水柱的情況，真空表讀數(shù)與孔壓是一致的，無需換算，這樣似乎可以通過測量中在真空表位置放氣來消除管內(nèi)水柱，這樣就能測孔壓進(jìn)而推算真空壓力了。對測排水板內(nèi)真空壓力情況，這個(gè)很好實(shí)現(xiàn)，而土體中由于真空壓力小，不易把水柱完全消除。即使能完全消除水柱，這樣做會因?yàn)榉艢舛茐牧藴y點(diǎn)原有的壓力狀態(tài)，測量值就不是工程感興趣的狀態(tài)的數(shù)值了，這樣的測量也就失去了意義。

總之，僅從原理和可操作性上講，真空表法對地下水位以上位置合適，對地下水位以下不合適。問題在于，真空預(yù)壓中，地下水位抽真空前往往都是接近地表或者就在地表，也就是說真空表法的應(yīng)用空間很窄，而且，埋設(shè)前還必須對地下水位進(jìn)行測定，這又增加了操作流程。因此，對真空壓力的測試，真空表法是不適合的。

孔壓計(jì)法受到的干擾因素少，測量的壓力值減去抽真空前的靜水壓力值即可得到真空壓力，是目前可行的方法。

4 結(jié)語

真空度最早是描述氣體壓力的概念，但在真空預(yù)壓加固技術(shù)中可進(jìn)行延伸，用于表示氣體和液體壓力。當(dāng)氣體或液體壓力低于大氣壓力時(shí)稱負(fù)壓，因此真空度是一種特殊的負(fù)壓。真空度和負(fù)壓的參考點(diǎn)均是大氣壓力。對密封膜下和真空泵位置的真空荷載，宜稱真空度。

真空壓力是由于抽真空而產(chǎn)生的土體固結(jié)壓力。真空壓力等于實(shí)測壓力減去靜水壓力，其參考點(diǎn)是靜水壓力。真空壓力是真空預(yù)壓的最大有效固結(jié)壓力。明確其含義具有重要的實(shí)踐意義。對排水板和土體內(nèi)的真空荷載，宜稱真空壓力。

真空度的測量可采用真空表法或孔壓計(jì)法，真空壓力的測量只適合采用孔壓計(jì)法。

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