真空预压中真空度和孔隙水压力测试与分析

高志义，梁爱华，刘天韵

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点试验室，天津市港口岩土工程技术重点试验室，天津 300222）

真空预压中真空度和孔隙水压力是现场监测的重要内容。本文首先对有关概念进行讨论与澄清[1-3]，然后分析真空度和孔隙水压力现场监测的影响因素，最后对两者的监测仪器和监测方法进行论证。

1 基本概念

1.1 力的坐标系、负压

在地基土体中各处的孔隙水上作用着大气压力。根据帕斯卡定律，地基任意点的孔隙水各个方向上作用的大气压力都相等，且都等于一个大气压Pv。在一般情况下因各处作用的大气压力都相等且始终不变，人们为了简单化，在力的计量中不计入大气压力，同样可以比较出它们之间的大小。因此以大气压力Pv的大小作为力坐标系的零点（如图1中以0M为纵坐标），此时称为力的相对坐标系，这也是工程技术和日常生活中普遍采用的坐标系；但在科研中也可以以大气压力Pv的零值作为力坐标系的零点（如图1中以O′M′为纵坐标），此时称为力的绝对坐标系。当某一过程中大气压力始终在不断变化时，采用力的绝对坐标系更为简单。例如，在真空预压加固这一特殊过程中，地基中的孔隙水压力是不断降低的，其降低值是来源于加固前已作用在孔隙水上的大气压力Pv值。而这一过程中，水的自重压力是不变的。由于真空预压加固过程中孔隙水上的大气压力Pv是不断降低的，其降低范围只能为0～Pv。所以，真空预压中采用力的绝对坐标系更为简单，如图1。需要指出，两种力的坐标系对于气态、液态和固态的各种状态下都是适用的。

图1 真空预压前两种坐标力系的表示方法Fig.1 Representing method of coordinate system with two forcesbefore vacuum preloading

不论气态、液态或固态的物质，当作用其上的压力值小于大气压力Pv时，在力的相对坐标系中统称为负压。负压仅表明在力的相对坐标系中小于Pv值的这一区段和范围的压力，这一力的群体之特殊称号。所以，负压并不指某一个具体的压力值；而在力的绝对坐标系中这一区段的负压称呼也自然消失，全部变为正压，与其它压力值无区别。所以，负压这一概念适用于气体、液体和固体的一切物质。

1.2 真空、真空度

真空，是指在给定空间内低于一个标准大气压强的气体状态，即1 cm3空间内分子数小于2.5×1019的给定空间。而并非没有物质的空间，只是物质稀薄而已。它是专门描述气体状态的一个词，说明给定空间是一个比标准大气压低的稀薄气体状态[4]。为描述该空间气体稀薄的程度，用“真空度”这个量来衡量。真空度通常用气体的压力（剩余压力）值来表示，也就是气体压强的高低，在相对压力坐标系中为负值，在绝对压力坐标系中为正值。气体越稀薄，其压强越低，即真空度越高；反之，气体压强越高，真空度越低。也就是说，“低压强”与“高真空”是同义的。

真空度的单位与压强单位相同。在真空量测中，常用“毫米汞柱（mmHg）”作为真空度的量测单位。是指在一个标准大气压下，温度为0℃时，1 mm高的纯汞柱作用在单位面积上的压力。1958年第一届国际真空会议决定采用“托（Torr）”作为真空度的计量单位，1托约等于1 mmHg。由于国际单位制的推行，“托”不属于国际单位制的专用单位。1971年第十四届国际计量大会确定国际单位制中压强的单位“帕Pa”作为其计量单位，1托=133.322 Pa=0.133 322 kPa。真空预压中真空度的量测常采用弹簧管式真空表，该表刻度采用负压式[4]，为-0.1～0 MPa。

负压并非只能描述液体状态，负压也可描述气体的状态，弹簧管式真空表就是以负压的形式表示的，这实质上是对力的相对坐标系而言。在力的绝对坐标系里，负压这个词也自然消失，负压只是压力坐标中一个区段而已。所以，负压可以描述气体、液体或固体状态；反之，真空度是专门描述气体状态，而不能描述液体或固体状态。故它不能描述地下水位以下的孔隙水压力。

1.3 孔隙水压力、超静孔隙水压力、孔压差

孔隙水压力，实质上是指孔隙水应力，只是一种习惯叫法。孔隙水压力由两部分组成：一是水的自重应力，另一部分是外力施加在孔隙水上的应力，称为超静孔隙水压力。不论施加正压或负压，除非水位变化，否则水的自重应力永远是不会改变的，且水的自重应力对土体固结也不会产生任何作用。

超静孔隙水压力，是受外力作用后使孔隙水应力变化的，它是土体固结的根本原因。在力的相对坐标系里，施加正压时孔压瞬间升高，而后随土体压缩与排水孔压逐渐降低（消散），使土体得到加固；施加负压时，降低的孔压是大气压力Pv作用在孔隙水上的那部分压力，孔压一直都在降低，随着孔压的降低与水的排出，土体被加固。此时水的自重不会改变，但若地下水或潮位变化时，它也是可以变化的。因超静水压力是土体固结重点研究对象。故任何情况下两者都应先分离后，再分别研究之。

孔压差，泛指同一点在两个时刻的压力差值，或在同一时刻两点间的压力差值，两者均称为孔压差。孔压差是一个可正可负的具体压力值，负压是某些压力范围的总称。所以，不存在孔压差包含负压的概念。

超静孔隙水压力，泛指土体的某点在某一时刻的孔隙水压力值减去同一点在同一时刻的静水压力的差值。所以，超静孔隙水压力消散值，是指土体的某点在施加荷载瞬间的超静孔隙水压力值，经过某一时段后该点超静孔隙水压力的减少值。切记这里的初始超静孔隙水压为初始孔压减去静水压力值。经某时段后的超静孔压值为经某时段后的孔压值减去某时段后的静水压力值。该点的位置与时间必须一一对应。因为静水压力也可能随时间的变化而变化。如防波堤自重预压加固监测中，因地下水位与海水相连通，潮位的变化即静水压力的变化。地基中A点的初始孔隙水压力若恰为低潮，则初始超静孔隙水压力等于初始实测孔隙水压力减去初始低潮位压力值。而经过某时刻（如，施工结束时刻） 后恰为高潮位，故结束时A点的超静孔隙水压力等于结束时实测孔隙水压力减去结束时高潮位压力值；显然，结束时A点的超静孔隙水压力，不等于初始的实测孔隙水压力减去结束时的实测孔隙水压力的孔压差值。因为静水压力（潮位）一直在变化。由此说明，超静孔隙水压力不等于孔压差。否则，防波堤的超静孔隙水压力变为一条近似的正弦曲线。

有的文献中引入孔压差概念，即“孔压差是指针对初始状态，抽真空（或加载）至某状态时，孔隙水压力的减少值（或增大值），因此孔压差实际上是超静孔隙水压力”[2]。将孔压差和超静孔隙水压力划等号是值得商榷的。初始实测孔隙水压力减去加固的某时刻实测孔压，一般情况下并不等于某时刻的超静孔隙水压力，除非加固过程中地下水位一直不变。所以，孔压差不等于超静孔隙水压力，两者的物理概念也是不相同的。另外，利用孔压差代替超静孔隙水压力，并引入到公式推导中[3]，则推导的结果自然也值得商榷。

真空预压时真空度和负超静孔隙水压力，两词应避免混淆。两词虽然都是描述负压作用到地基中所产生负压改变的程度大小，但真空度是描述土体中气体（或以气体为主）改变程度的大小，而不宜描述液体；负超静孔隙水压力则是描述土体中液体（即以孔隙水为主） 改变程度的大小，而不宜描述气体。可用负超静孔隙压力概括两者更合适，因为超静孔隙压力既包括超静孔隙水压力，也包括超静孔隙气压力。

2 真空度、孔隙水压力在现场测试中影响因素

2.1 孔隙水压力在现场测试中的影响因素

1）欠固结影响：地基中若存在欠固结土层，以及吹填土地基的各土层均为欠固结土层。如图2所示，可绘出加固前的实测孔隙水压力以及计算出的静水压力线，两线之差即为沿深度欠固结分布值。所以，对于欠固结土而言，加固前实测孔隙水压力线，并不等于静水压力线，而是大于实际静水压力线，且越深处欠固结值越多。因为越深处消散的越慢，故欠固结度越高。

图2 欠固结地基土加固前实测孔压Fig.2 Measured pore-pressure before theunderconsolidated foundation soil reinforcement

2）地基加固沉降的影响：地基加固时有较大沉降量，故静水压力线也随之降低，其减少值为△h×γw，△h为加固的沉降量，γw为水的比重。如若加固后的静水压力仍按加固前的静水压力高度考虑，这等于增大了加固后的静水压力值，且越深处增加的越大。

3）采用高压水冲成孔埋设监测仪器：仪器埋设孔应将套管一直下沉到测头处。但实际上常常上半部分下套管，而下半部分不下套管，采用高压水冲成孔。此时高压水的压力传给孔隙水后不能马上消散，从而增大了实测初始孔隙水压力值。

4）非瞬时加荷的影响：瞬时加荷时可测到加荷的初始孔压最大升高值，可以此作为计算固结度的依据；但非瞬时加荷随堆载随消散，故测不到加荷的初始最大孔压值，有人错误地用实测初始孔压计算固结度；这时应以堆载的总值代替初始最大孔压值计算之。

5）埋设中应防止气泡进入透水石内：埋设前应将孔压测头浸泡在水中煮沸0.5 h以上，以消除孔压测头的透水石中的气泡，并一直泡在水中。埋设孔压测头前先向钻孔内灌满水。用装满水的塑料袋抖着孔压测头放在钻孔内的水中，在钻孔水内撕破塑料袋并将袋取出，而后将孔压测头沉放到预定位置。始终保持透水石不与空气接触，从而防止空气钻入透水石内；室内三轴试验时若管路中有气泡，会对监测压力产生很大影响。因此在量测中应防止气泡进入透水石内。从而也看出，孔压测头不宜量测气体的压力。

以上1）、2）、4） 三项影响因素中，可以测试或计算出影响的大小，以消除其影响；3）、5）两项是无法量测或计算出影响大小的，应在埋设与测试中尽可能避免之。、

2.2 真空度在现场测试中的影响因素

1） ～3） 各点与 2.1节的 1） ～3） 各点相同，这里省略之。

4） 软管断面变化的影响：如图3，受温度、压力等多方面影响，软管的断面变化是影响真空表压力的重要因素。断面的变化使AB段的液体、BD段及CD段的气体的体积都发生变化，则压力也随之变化。如文献 [5]推导出软管断面变化对软管内压力的影响，并提出当软管为刚性体时才可测到真实的真空度。该文献还在不同深度处同时埋设真空度、孔压两种测头，监测结果前者约为后者的1/2。

5）软管中水柱高度的影响：图3中真空表的读数为BD段的气体压力与AB段水柱的压力之和。AB段水柱的长短对真空度量测影响很大，如密封膜下真空度测头中AB段很短，故真空表读数基本上为膜下真空度；而竖向排水通道是很深的，故AB段水柱太长，因此真空表读数并不能代表A点的真空度；况且，软管中的水柱与软管外水位不完全一致，这也是影响真空表读数与真实压力相一致的因素。

图3 真空度测头示意图Fig.3 Sketch map of vacuum degree probe

6）软管中气体长度的影响：BD段为气体段，特别是CD段，在现场从测点位置水平向引至加固区外与真空表相连结，故此段相当长。因此，受温度变化、断面变化的影响较大。这也是对真空表压力影响的因素。在推导真空度误差修正时也指出，因BD段太长则温度的影响较大[6]。

以上看出，真空度测头的软管长短与材质、软管断面的变化、外界气温、及其对管中压力的变化，都影响着监测的结果。

3 真空度与孔隙水压力的现场测试

3.1 测试方法的选择

真空度、负超静孔隙水压力的测试是真空预压的重要测试内容之一，两者既有统一性，又在概念上有严格的区别。两者均是描述受负压力作用后在地基内产生负压力大小及传递多少的衡量指标。并且两者量测的单位均以负压力的单位来表示，故两者具有统一性；但是，真空度是描述气体的一个量，负超静孔隙水压力是描述液体的一个量，此时两者在概念上又有区别。上述1.3节最后部分已讨论过，负超静孔隙压力既可表示负超静孔隙气压力，也可表示负超静孔隙水压力。由于竖向排水通道中既有气体，也有液体。所以，“真空度沿竖向排水通道传递”的说法在概念上不妥，可改为“负超静孔隙压力沿竖向排水通道传递”更为确切。

真空度是通过真空测头来获得的，真空测头的气体压力用真空表来量测。如图3所示，若测点A位于地下水位以下，其压力值应为AB段水压力与BD段气体压力之和。文献 [1-4]为校正地下水位下降对A点压力影响，进行了推导与计算。因真空预压中地下水位是否变动、如何变动都存在着不同的认识[7]，故对地下水位下降产生影响的推导值得商榷。然而，从上述第2节中欠固结、沉降、软管断面变化等确需进行必要的校正；软管中气体与液体受温度、压力等的影响以及高压水冲造成孔压上升等影响应尽量减少与避免。上述这些校正的准确度及影响因素避免的程度都难以估量。因此笔者建议，真空测头只用于量测气体，尽量不用于液体的量测。

负超静孔隙水压力是通过实测孔隙水压力而获得的。在2.1节5）中已谈到，孔隙水压力计需严防气泡进入透水石中，如上述室内三轴实验时若管中存在气泡，将给压力监测带来很大的不稳定性。所以，孔隙水压力计只适宜测液体压力，不适宜测气体压力。

在众多电信号转换形式中以振弦式，即以频率信号为转换形式的传感器最为优越。因频率信号可用电缆远距离（＞2 000 m） 传输，其传输的信号基本不受导线电阻、温度波动、绝缘电阻变化的影响。振弦式传感器以其长期稳定性而著称，特别适宜于恶劣环境下进行长期监测。故建议选用振弦式孔隙水压力计。

上述分析得出，地下水位以上应采用真空测头测试真空度；地下水位以下应采用孔隙水压力计测试负超静孔隙水压力和孔隙水自重压力（两者之和可能为正孔隙水压力）；反之，不仅事倍功半，而且给监测数据带来极大的不稳定。

3.2 测试仪器

3.2.1 真空度测头

真空度测头由测头、尼龙软管、真空表（或正负压弹簧管式压力表）组成。测头通常为一段硬质PVC管或铜质、钢质管的表面打满眼，外包土工布过滤层而成。

应采用尼龙软管，不宜采用受压力影响极大的PVC软管；软管与测头和真空表的连接应采用蘑菇头连接，直接插入法易漏气也不牢固；尽量缩短从密封膜至真空表间的软管长度，越长对量测精度影响越大。

3.2.2 孔隙水压力计

孔隙水压力计前端有透水石装置，其后为受压膜和电子元件组成的传感器。应将孔隙水压力计，特别是透水石处，包一层用水洗过的干净中粗砂，其外再包一两层土工布过滤层，以免较细土粒将透水石堵死。

3.3 测试中注意事项

在管道中监测时，真空表和真空测头安装的进气口方向应与管道内气流方向垂直[4]。如图4中真空表1和真空度测头5、8的安装方向是正确的，其它的均不正确。真空表3、4与真空度测头7的进气口正对着气流方向，因气流的流速造成的动压力，使测得的压强较实际偏高。反之，真空表2与真空度测头6的进气口方向背着气流方向，测得的结果较实际偏低。两者测得的结果可差2倍左右。

孔隙水压力计在管道中监测时，同样遵守上述测头进水口方向与管道中水流方向垂直的原则；孔压测头可采用一孔一测头，或一孔多测头的埋设方法。两种方法均需在钻孔中测头上下填满干泥球，以防测头与其它土层中压力相连通。当然，当遇到软土缩孔的土层，孔中可不填泥球；在孔压的测孔旁必须同时设置一个地下水位观测孔，如海上监测时必须同时观测旁边潮位的变化。否则，无法正确计算出每个时刻的超静孔隙水压力。

图4 真空表与测头进气口正确安装方向Fig.4 Right installation direction of vacuum degree and air inlet of probe

如若地基存在欠固结土层，应在真空预压前测试出孔压随深度变化线，按2.1节1）进行欠固结校正；埋设仪器成孔时严禁高压水冲，防止2.1节3）中的问题发生；测试过程中应尽量避免2.1节5） 和2.2节4）、5） 中的影响因素发生。

3.4 塑料排水板中测试试验

为了研究真空预压在塑料排水板中压力分布和井阻损失，在天津港东疆港区物流加固区一期工程真空预压中，选用B型、C型和D型3种类型塑料排水板（见表1），分别打设深度为25 m、35 m和50 m，排水板内设置小型孔隙水压力测头，进行负超静孔隙压力沿排水板不同深度传递规律的现场试验。每种类型排水板都打设3根，每根排水板内均间隔5 m安放1个孔压测头（仅D型板的10 m、20 m深处各少安装1个孔压测头）。地下水位与地面齐平。抽气15 d膜下真空度为80 kPa。前期波动较大，以后基本稳定在80 kPa。取3组的平均值，抽真空76 d时塑料排水板内负超静孔隙压力沿塑料板深度分布，如表2。

表1 塑料排水板主要性能指标Table1 Main parametersof PVD

从而可得出以下结论：

1） 深50 m处负超静孔隙压力为-50.7 kPa，说明排水板井阻很小，负超静孔隙压力可传递很深处；

表2 真空预压、真空联合堆载预压塑料排水板打设深度实例Table 2 Exampleof PVD placing depth in vacumm preloading and vacuum combined with surchage preloading

2） 从表2得知，不同型号排水板井阻大小为：D型＜C型＜B型。该试验结果也说明：纵向通水量越大井阻越小；

3）5 m深以下负超静孔隙压力随深度基本呈线性变化。

4 结语

1）负压可以描述气体、液体和固体。孔压差和超静孔隙水压力是两个不同的概念。真空度、负超静孔隙水压力、负超静孔隙压力，三者均描述负压作用在地基上所产生负压大小及其传递多少的衡量指标。但前者专门描述气体，中者专门描述液体，后者既可以描述气体，也可描述液体。

2）在真空预压的孔隙水压力监测和真空度监测中，分别存在诸多影响因素。应在测试与分析中，尽量消除与避免。

3）真空预压监测中，建议地下水位以上的水平与垂直排水通道和土体中的真空度均采用真空度测头测试；地下水位以下的垂直排水通道与土体中正负孔压均采用孔隙水压力计测试。这样不仅减少了一些因素的影响及换算，而且也保证了数据的稳定性。

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