高志義，梁愛華，劉天韻

（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)重點試驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點試驗室，天津 300222）

真空預(yù)壓中真空度和孔隙水壓力是現(xiàn)場監(jiān)測的重要內(nèi)容。本文首先對有關(guān)概念進(jìn)行討論與澄清[1-3]，然后分析真空度和孔隙水壓力現(xiàn)場監(jiān)測的影響因素，最后對兩者的監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法進(jìn)行論證。

1 基本概念

1.1 力的坐標(biāo)系、負(fù)壓

在地基土體中各處的孔隙水上作用著大氣壓力。根據(jù)帕斯卡定律，地基任意點的孔隙水各個方向上作用的大氣壓力都相等，且都等于一個大氣壓Pv。在一般情況下因各處作用的大氣壓力都相等且始終不變，人們?yōu)榱撕唵位诹Φ挠嬃恐胁挥嬋氪髿鈮毫?，同樣可以比較出它們之間的大小。因此以大氣壓力Pv的大小作為力坐標(biāo)系的零點（如圖1中以0M為縱坐標(biāo)），此時稱為力的相對坐標(biāo)系，這也是工程技術(shù)和日常生活中普遍采用的坐標(biāo)系；但在科研中也可以以大氣壓力Pv的零值作為力坐標(biāo)系的零點（如圖1中以O(shè)′M′為縱坐標(biāo)），此時稱為力的絕對坐標(biāo)系。當(dāng)某一過程中大氣壓力始終在不斷變化時，采用力的絕對坐標(biāo)系更為簡單。例如，在真空預(yù)壓加固這一特殊過程中，地基中的孔隙水壓力是不斷降低的，其降低值是來源于加固前已作用在孔隙水上的大氣壓力Pv值。而這一過程中，水的自重壓力是不變的。由于真空預(yù)壓加固過程中孔隙水上的大氣壓力Pv是不斷降低的，其降低范圍只能為0～Pv。所以，真空預(yù)壓中采用力的絕對坐標(biāo)系更為簡單，如圖1。需要指出，兩種力的坐標(biāo)系對于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的各種狀態(tài)下都是適用的。

圖1 真空預(yù)壓前兩種坐標(biāo)力系的表示方法Fig.1 Representing method of coordinate system with two forcesbefore vacuum preloading

不論氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的物質(zhì)，當(dāng)作用其上的壓力值小于大氣壓力Pv時，在力的相對坐標(biāo)系中統(tǒng)稱為負(fù)壓。負(fù)壓僅表明在力的相對坐標(biāo)系中小于Pv值的這一區(qū)段和范圍的壓力，這一力的群體之特殊稱號。所以，負(fù)壓并不指某一個具體的壓力值；而在力的絕對坐標(biāo)系中這一區(qū)段的負(fù)壓稱呼也自然消失，全部變?yōu)檎龎?，與其它壓力值無區(qū)別。所以，負(fù)壓這一概念適用于氣體、液體和固體的一切物質(zhì)。

1.2 真空、真空度

真空，是指在給定空間內(nèi)低于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)的氣體狀態(tài)，即1 cm3空間內(nèi)分子數(shù)小于2.5×1019的給定空間。而并非沒有物質(zhì)的空間，只是物質(zhì)稀薄而已。它是專門描述氣體狀態(tài)的一個詞，說明給定空間是一個比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓低的稀薄氣體狀態(tài)[4]。為描述該空間氣體稀薄的程度，用“真空度”這個量來衡量。真空度通常用氣體的壓力（剩余壓力）值來表示，也就是氣體壓強(qiáng)的高低，在相對壓力坐標(biāo)系中為負(fù)值，在絕對壓力坐標(biāo)系中為正值。氣體越稀薄，其壓強(qiáng)越低，即真空度越高；反之，氣體壓強(qiáng)越高，真空度越低。也就是說，“低壓強(qiáng)”與“高真空”是同義的。

真空度的單位與壓強(qiáng)單位相同。在真空量測中，常用“毫米汞柱（mmHg）”作為真空度的量測單位。是指在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為0℃時，1 mm高的純汞柱作用在單位面積上的壓力。1958年第一屆國際真空會議決定采用“托（Torr）”作為真空度的計量單位，1托約等于1 mmHg。由于國際單位制的推行，“托”不屬于國際單位制的專用單位。1971年第十四屆國際計量大會確定國際單位制中壓強(qiáng)的單位“帕Pa”作為其計量單位，1托=133.322 Pa=0.133 322 kPa。真空預(yù)壓中真空度的量測常采用彈簧管式真空表，該表刻度采用負(fù)壓式[4]，為-0.1～0 MPa。

負(fù)壓并非只能描述液體狀態(tài)，負(fù)壓也可描述氣體的狀態(tài)，彈簧管式真空表就是以負(fù)壓的形式表示的，這實質(zhì)上是對力的相對坐標(biāo)系而言。在力的絕對坐標(biāo)系里，負(fù)壓這個詞也自然消失，負(fù)壓只是壓力坐標(biāo)中一個區(qū)段而已。所以，負(fù)壓可以描述氣體、液體或固體狀態(tài)；反之，真空度是專門描述氣體狀態(tài)，而不能描述液體或固體狀態(tài)。故它不能描述地下水位以下的孔隙水壓力。

1.3 孔隙水壓力、超靜孔隙水壓力、孔壓差

孔隙水壓力，實質(zhì)上是指孔隙水應(yīng)力，只是一種習(xí)慣叫法?？紫端畨毫τ蓛刹糠纸M成：一是水的自重應(yīng)力，另一部分是外力施加在孔隙水上的應(yīng)力，稱為超靜孔隙水壓力。不論施加正壓或負(fù)壓，除非水位變化，否則水的自重應(yīng)力永遠(yuǎn)是不會改變的，且水的自重應(yīng)力對土體固結(jié)也不會產(chǎn)生任何作用。

超靜孔隙水壓力，是受外力作用后使孔隙水應(yīng)力變化的，它是土體固結(jié)的根本原因。在力的相對坐標(biāo)系里，施加正壓時孔壓瞬間升高，而后隨土體壓縮與排水孔壓逐漸降低（消散），使土體得到加固；施加負(fù)壓時，降低的孔壓是大氣壓力Pv作用在孔隙水上的那部分壓力，孔壓一直都在降低，隨著孔壓的降低與水的排出，土體被加固。此時水的自重不會改變，但若地下水或潮位變化時，它也是可以變化的。因超靜水壓力是土體固結(jié)重點研究對象。故任何情況下兩者都應(yīng)先分離后，再分別研究之。

孔壓差，泛指同一點在兩個時刻的壓力差值，或在同一時刻兩點間的壓力差值，兩者均稱為孔壓差?？讐翰钍且粋€可正可負(fù)的具體壓力值，負(fù)壓是某些壓力范圍的總稱。所以，不存在孔壓差包含負(fù)壓的概念。

超靜孔隙水壓力，泛指土體的某點在某一時刻的孔隙水壓力值減去同一點在同一時刻的靜水壓力的差值。所以，超靜孔隙水壓力消散值，是指土體的某點在施加荷載瞬間的超靜孔隙水壓力值，經(jīng)過某一時段后該點超靜孔隙水壓力的減少值。切記這里的初始超靜孔隙水壓為初始孔壓減去靜水壓力值。經(jīng)某時段后的超靜孔壓值為經(jīng)某時段后的孔壓值減去某時段后的靜水壓力值。該點的位置與時間必須一一對應(yīng)。因為靜水壓力也可能隨時間的變化而變化。如防波堤自重預(yù)壓加固監(jiān)測中，因地下水位與海水相連通，潮位的變化即靜水壓力的變化。地基中A點的初始孔隙水壓力若恰為低潮，則初始超靜孔隙水壓力等于初始實測孔隙水壓力減去初始低潮位壓力值。而經(jīng)過某時刻（如，施工結(jié)束時刻） 后恰為高潮位，故結(jié)束時A點的超靜孔隙水壓力等于結(jié)束時實測孔隙水壓力減去結(jié)束時高潮位壓力值；顯然，結(jié)束時A點的超靜孔隙水壓力，不等于初始的實測孔隙水壓力減去結(jié)束時的實測孔隙水壓力的孔壓差值。因為靜水壓力（潮位）一直在變化。由此說明，超靜孔隙水壓力不等于孔壓差。否則，防波堤的超靜孔隙水壓力變?yōu)橐粭l近似的正弦曲線。

有的文獻(xiàn)中引入孔壓差概念，即“孔壓差是指針對初始狀態(tài)，抽真空（或加載）至某狀態(tài)時，孔隙水壓力的減少值（或增大值），因此孔壓差實際上是超靜孔隙水壓力”[2]。將孔壓差和超靜孔隙水壓力劃等號是值得商榷的。初始實測孔隙水壓力減去加固的某時刻實測孔壓，一般情況下并不等于某時刻的超靜孔隙水壓力，除非加固過程中地下水位一直不變。所以，孔壓差不等于超靜孔隙水壓力，兩者的物理概念也是不相同的。另外，利用孔壓差代替超靜孔隙水壓力，并引入到公式推導(dǎo)中[3]，則推導(dǎo)的結(jié)果自然也值得商榷。

真空預(yù)壓時真空度和負(fù)超靜孔隙水壓力，兩詞應(yīng)避免混淆。兩詞雖然都是描述負(fù)壓作用到地基中所產(chǎn)生負(fù)壓改變的程度大小，但真空度是描述土體中氣體（或以氣體為主）改變程度的大小，而不宜描述液體；負(fù)超靜孔隙水壓力則是描述土體中液體（即以孔隙水為主） 改變程度的大小，而不宜描述氣體?？捎秘?fù)超靜孔隙壓力概括兩者更合適，因為超靜孔隙壓力既包括超靜孔隙水壓力，也包括超靜孔隙氣壓力。

2 真空度、孔隙水壓力在現(xiàn)場測試中影響因素

2.1 孔隙水壓力在現(xiàn)場測試中的影響因素

1）欠固結(jié)影響：地基中若存在欠固結(jié)土層，以及吹填土地基的各土層均為欠固結(jié)土層。如圖2所示，可繪出加固前的實測孔隙水壓力以及計算出的靜水壓力線，兩線之差即為沿深度欠固結(jié)分布值。所以，對于欠固結(jié)土而言，加固前實測孔隙水壓力線，并不等于靜水壓力線，而是大于實際靜水壓力線，且越深處欠固結(jié)值越多。因為越深處消散的越慢，故欠固結(jié)度越高。

圖2 欠固結(jié)地基土加固前實測孔壓Fig.2 Measured pore-pressure before theunderconsolidated foundation soil reinforcement

2）地基加固沉降的影響：地基加固時有較大沉降量，故靜水壓力線也隨之降低，其減少值為△h×γw，△h為加固的沉降量，γw為水的比重。如若加固后的靜水壓力仍按加固前的靜水壓力高度考慮，這等于增大了加固后的靜水壓力值，且越深處增加的越大。

3）采用高壓水沖成孔埋設(shè)監(jiān)測儀器：儀器埋設(shè)孔應(yīng)將套管一直下沉到測頭處。但實際上常常上半部分下套管，而下半部分不下套管，采用高壓水沖成孔。此時高壓水的壓力傳給孔隙水后不能馬上消散，從而增大了實測初始孔隙水壓力值。

4）非瞬時加荷的影響：瞬時加荷時可測到加荷的初始孔壓最大升高值，可以此作為計算固結(jié)度的依據(jù)；但非瞬時加荷隨堆載隨消散，故測不到加荷的初始最大孔壓值，有人錯誤地用實測初始孔壓計算固結(jié)度；這時應(yīng)以堆載的總值代替初始最大孔壓值計算之。

5）埋設(shè)中應(yīng)防止氣泡進(jìn)入透水石內(nèi)：埋設(shè)前應(yīng)將孔壓測頭浸泡在水中煮沸0.5 h以上，以消除孔壓測頭的透水石中的氣泡，并一直泡在水中。埋設(shè)孔壓測頭前先向鉆孔內(nèi)灌滿水。用裝滿水的塑料袋抖著孔壓測頭放在鉆孔內(nèi)的水中，在鉆孔水內(nèi)撕破塑料袋并將袋取出，而后將孔壓測頭沉放到預(yù)定位置。始終保持透水石不與空氣接觸，從而防止空氣鉆入透水石內(nèi)；室內(nèi)三軸試驗時若管路中有氣泡，會對監(jiān)測壓力產(chǎn)生很大影響。因此在量測中應(yīng)防止氣泡進(jìn)入透水石內(nèi)。從而也看出，孔壓測頭不宜量測氣體的壓力。

以上1）、2）、4） 三項影響因素中，可以測試或計算出影響的大小，以消除其影響；3）、5）兩項是無法量測或計算出影響大小的，應(yīng)在埋設(shè)與測試中盡可能避免之。、

2.2 真空度在現(xiàn)場測試中的影響因素

1） ～3） 各點與 2.1節(jié)的 1） ～3） 各點相同，這里省略之。

4） 軟管斷面變化的影響：如圖3，受溫度、壓力等多方面影響，軟管的斷面變化是影響真空表壓力的重要因素。斷面的變化使AB段的液體、BD段及CD段的氣體的體積都發(fā)生變化，則壓力也隨之變化。如文獻(xiàn) [5]推導(dǎo)出軟管斷面變化對軟管內(nèi)壓力的影響，并提出當(dāng)軟管為剛性體時才可測到真實的真空度。該文獻(xiàn)還在不同深度處同時埋設(shè)真空度、孔壓兩種測頭，監(jiān)測結(jié)果前者約為后者的1/2。

5）軟管中水柱高度的影響：圖3中真空表的讀數(shù)為BD段的氣體壓力與AB段水柱的壓力之和。AB段水柱的長短對真空度量測影響很大，如密封膜下真空度測頭中AB段很短，故真空表讀數(shù)基本上為膜下真空度；而豎向排水通道是很深的，故AB段水柱太長，因此真空表讀數(shù)并不能代表A點的真空度；況且，軟管中的水柱與軟管外水位不完全一致，這也是影響真空表讀數(shù)與真實壓力相一致的因素。

圖3 真空度測頭示意圖Fig.3 Sketch map of vacuum degree probe

6）軟管中氣體長度的影響：BD段為氣體段，特別是CD段，在現(xiàn)場從測點位置水平向引至加固區(qū)外與真空表相連結(jié)，故此段相當(dāng)長。因此，受溫度變化、斷面變化的影響較大。這也是對真空表壓力影響的因素。在推導(dǎo)真空度誤差修正時也指出，因BD段太長則溫度的影響較大[6]。

以上看出，真空度測頭的軟管長短與材質(zhì)、軟管斷面的變化、外界氣溫、及其對管中壓力的變化，都影響著監(jiān)測的結(jié)果。

3 真空度與孔隙水壓力的現(xiàn)場測試

3.1 測試方法的選擇

真空度、負(fù)超靜孔隙水壓力的測試是真空預(yù)壓的重要測試內(nèi)容之一，兩者既有統(tǒng)一性，又在概念上有嚴(yán)格的區(qū)別。兩者均是描述受負(fù)壓力作用后在地基內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓力大小及傳遞多少的衡量指標(biāo)。并且兩者量測的單位均以負(fù)壓力的單位來表示，故兩者具有統(tǒng)一性；但是，真空度是描述氣體的一個量，負(fù)超靜孔隙水壓力是描述液體的一個量，此時兩者在概念上又有區(qū)別。上述1.3節(jié)最后部分已討論過，負(fù)超靜孔隙壓力既可表示負(fù)超靜孔隙氣壓力，也可表示負(fù)超靜孔隙水壓力。由于豎向排水通道中既有氣體，也有液體。所以，“真空度沿豎向排水通道傳遞”的說法在概念上不妥，可改為“負(fù)超靜孔隙壓力沿豎向排水通道傳遞”更為確切。

真空度是通過真空測頭來獲得的，真空測頭的氣體壓力用真空表來量測。如圖3所示，若測點A位于地下水位以下，其壓力值應(yīng)為AB段水壓力與BD段氣體壓力之和。文獻(xiàn) [1-4]為校正地下水位下降對A點壓力影響，進(jìn)行了推導(dǎo)與計算。因真空預(yù)壓中地下水位是否變動、如何變動都存在著不同的認(rèn)識[7]，故對地下水位下降產(chǎn)生影響的推導(dǎo)值得商榷。然而，從上述第2節(jié)中欠固結(jié)、沉降、軟管斷面變化等確需進(jìn)行必要的校正；軟管中氣體與液體受溫度、壓力等的影響以及高壓水沖造成孔壓上升等影響應(yīng)盡量減少與避免。上述這些校正的準(zhǔn)確度及影響因素避免的程度都難以估量。因此筆者建議，真空測頭只用于量測氣體，盡量不用于液體的量測。

負(fù)超靜孔隙水壓力是通過實測孔隙水壓力而獲得的。在2.1節(jié)5）中已談到，孔隙水壓力計需嚴(yán)防氣泡進(jìn)入透水石中，如上述室內(nèi)三軸實驗時若管中存在氣泡，將給壓力監(jiān)測帶來很大的不穩(wěn)定性。所以，孔隙水壓力計只適宜測液體壓力，不適宜測氣體壓力。

在眾多電信號轉(zhuǎn)換形式中以振弦式，即以頻率信號為轉(zhuǎn)換形式的傳感器最為優(yōu)越。因頻率信號可用電纜遠(yuǎn)距離（＞2 000 m） 傳輸，其傳輸?shù)男盘柣静皇軐?dǎo)線電阻、溫度波動、絕緣電阻變化的影響。振弦式傳感器以其長期穩(wěn)定性而著稱，特別適宜于惡劣環(huán)境下進(jìn)行長期監(jiān)測。故建議選用振弦式孔隙水壓力計。

上述分析得出，地下水位以上應(yīng)采用真空測頭測試真空度；地下水位以下應(yīng)采用孔隙水壓力計測試負(fù)超靜孔隙水壓力和孔隙水自重壓力（兩者之和可能為正孔隙水壓力）；反之，不僅事倍功半，而且給監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來極大的不穩(wěn)定。

3.2 測試儀器

3.2.1 真空度測頭

真空度測頭由測頭、尼龍軟管、真空表（或正負(fù)壓彈簧管式壓力表）組成。測頭通常為一段硬質(zhì)PVC管或銅質(zhì)、鋼質(zhì)管的表面打滿眼，外包土工布過濾層而成。

應(yīng)采用尼龍軟管，不宜采用受壓力影響極大的PVC軟管；軟管與測頭和真空表的連接應(yīng)采用蘑菇頭連接，直接插入法易漏氣也不牢固；盡量縮短從密封膜至真空表間的軟管長度，越長對量測精度影響越大。

3.2.2 孔隙水壓力計

孔隙水壓力計前端有透水石裝置，其后為受壓膜和電子元件組成的傳感器。應(yīng)將孔隙水壓力計，特別是透水石處，包一層用水洗過的干凈中粗砂，其外再包一兩層土工布過濾層，以免較細(xì)土粒將透水石堵死。

3.3 測試中注意事項

在管道中監(jiān)測時，真空表和真空測頭安裝的進(jìn)氣口方向應(yīng)與管道內(nèi)氣流方向垂直[4]。如圖4中真空表1和真空度測頭5、8的安裝方向是正確的，其它的均不正確。真空表3、4與真空度測頭7的進(jìn)氣口正對著氣流方向，因氣流的流速造成的動壓力，使測得的壓強(qiáng)較實際偏高。反之，真空表2與真空度測頭6的進(jìn)氣口方向背著氣流方向，測得的結(jié)果較實際偏低。兩者測得的結(jié)果可差2倍左右。

孔隙水壓力計在管道中監(jiān)測時，同樣遵守上述測頭進(jìn)水口方向與管道中水流方向垂直的原則；孔壓測頭可采用一孔一測頭，或一孔多測頭的埋設(shè)方法。兩種方法均需在鉆孔中測頭上下填滿干泥球，以防測頭與其它土層中壓力相連通。當(dāng)然，當(dāng)遇到軟土縮孔的土層，孔中可不填泥球；在孔壓的測孔旁必須同時設(shè)置一個地下水位觀測孔，如海上監(jiān)測時必須同時觀測旁邊潮位的變化。否則，無法正確計算出每個時刻的超靜孔隙水壓力。

圖4 真空表與測頭進(jìn)氣口正確安裝方向Fig.4 Right installation direction of vacuum degree and air inlet of probe

如若地基存在欠固結(jié)土層，應(yīng)在真空預(yù)壓前測試出孔壓隨深度變化線，按2.1節(jié)1）進(jìn)行欠固結(jié)校正；埋設(shè)儀器成孔時嚴(yán)禁高壓水沖，防止2.1節(jié)3）中的問題發(fā)生；測試過程中應(yīng)盡量避免2.1節(jié)5） 和2.2節(jié)4）、5） 中的影響因素發(fā)生。

3.4 塑料排水板中測試試驗

為了研究真空預(yù)壓在塑料排水板中壓力分布和井阻損失，在天津港東疆港區(qū)物流加固區(qū)一期工程真空預(yù)壓中，選用B型、C型和D型3種類型塑料排水板（見表1），分別打設(shè)深度為25 m、35 m和50 m，排水板內(nèi)設(shè)置小型孔隙水壓力測頭，進(jìn)行負(fù)超靜孔隙壓力沿排水板不同深度傳遞規(guī)律的現(xiàn)場試驗。每種類型排水板都打設(shè)3根，每根排水板內(nèi)均間隔5 m安放1個孔壓測頭（僅D型板的10 m、20 m深處各少安裝1個孔壓測頭）。地下水位與地面齊平。抽氣15 d膜下真空度為80 kPa。前期波動較大，以后基本穩(wěn)定在80 kPa。取3組的平均值，抽真空76 d時塑料排水板內(nèi)負(fù)超靜孔隙壓力沿塑料板深度分布，如表2。

表1 塑料排水板主要性能指標(biāo)Table1 Main parametersof PVD

從而可得出以下結(jié)論：

1） 深50 m處負(fù)超靜孔隙壓力為-50.7 kPa，說明排水板井阻很小，負(fù)超靜孔隙壓力可傳遞很深處；

表2 真空預(yù)壓、真空聯(lián)合堆載預(yù)壓塑料排水板打設(shè)深度實例Table 2 Exampleof PVD placing depth in vacumm preloading and vacuum combined with surchage preloading

2） 從表2得知，不同型號排水板井阻大小為：D型＜C型＜B型。該試驗結(jié)果也說明：縱向通水量越大井阻越??；

3）5 m深以下負(fù)超靜孔隙壓力隨深度基本呈線性變化。

4 結(jié)語

1）負(fù)壓可以描述氣體、液體和固體?？讐翰詈统o孔隙水壓力是兩個不同的概念。真空度、負(fù)超靜孔隙水壓力、負(fù)超靜孔隙壓力，三者均描述負(fù)壓作用在地基上所產(chǎn)生負(fù)壓大小及其傳遞多少的衡量指標(biāo)。但前者專門描述氣體，中者專門描述液體，后者既可以描述氣體，也可描述液體。

2）在真空預(yù)壓的孔隙水壓力監(jiān)測和真空度監(jiān)測中，分別存在諸多影響因素。應(yīng)在測試與分析中，盡量消除與避免。

3）真空預(yù)壓監(jiān)測中，建議地下水位以上的水平與垂直排水通道和土體中的真空度均采用真空度測頭測試；地下水位以下的垂直排水通道與土體中正負(fù)孔壓均采用孔隙水壓力計測試。這樣不僅減少了一些因素的影響及換算，而且也保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

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