振弦式孔隙水压力计在真空预压工程中的长期工作性能

真空预压是一种广泛应用的软土地基加固方法，尤其在处理深厚软弱黏土方面有着独特的优势。真空预压法最早由瑞典皇家地质学院的Kjellman提出[1]。自1980年开始，交通部一航局科研所(现中交天津港湾工程研究院有限公司)开展了大面积的现场试验，并与天津大学联合进行了室内试验及理论研究。初步弄清了真空预压的固结机理，并且研究出了合适的抽真空装置(射流泵)和覆盖密封膜等关键工艺，并取得了国家发明专利[2-4]。该真空预压工艺的改进大大促进了真空预压的应用推广，应用领域包括港口、铁路、机场等，形成具有中国特色的软土地基处理技术。

孔隙水压力是监测真空预压固结过程的重要测量项目，本文对比分析了开放式和密闭式的孔隙水压力计，并针对真空预压中常用的振弦式孔隙水压力计测头在地基处理中的工作性能进行了分析并经现场试验验证，最后探讨了提高振弦式孔隙水压力计长期稳定性及准确性的措施。

1 孔隙水压力计分类及测量原理

1.1 孔隙水压力计的分类

孔隙水压力计主要分为开放式和密闭式两类，其中开放式的孔隙水压力测量空腔与外界连通，包括Casagrande立管式和双管水压式。密闭式与外界有隔膜隔开，主要分为气动式和振弦式，见图1。下面对工程中常采用Casagrande立管式和振弦式孔隙水压力计的测量原理进行分析。

图1 孔隙水压力计分类

1.1.1 Casagrande立管式孔隙水压力计

Casagrande立管式孔隙水压力计包括打孔的测头和不打孔的连接管，测头周围填入砂土作为过滤层，并用膨润土或水泥浆与上下土层隔开。读数装置为常用的水位尺，通过观测立管内自由液面的高低来推导测头处的孔隙水压力值。

Casagrande立管式孔隙水压力计与水位观测井比较类似，其主要区别在于是否对底部测头进行密封，见图2[5]。

图2 水位观测井与Casagrande立管式孔隙水压力计区别

水位观测井埋入土体的圆管都要打孔，外包滤布，钻孔内回填砂土，保证观测井内的水位与外界的潜水水位相同。水位观测井不适合观测承压水水位，而Casagrande立管式测头所处的承压水土层与上下土层进行密封，可以测量承压水的水头。

1.1.2 振弦式孔隙水压力计

振弦式孔隙水压力计测头通过测量隔膜变形引起其连接的振弦伸长量或者收缩量来间接测量孔隙水压力值，见图3。

图3 振弦式孔隙水压力测头构造

振弦密封室可以是密闭的，也可以是与外界连通的。与外界连通的将大气压作为基准，但需要避免水汽进入而影响振弦的性能。密闭式将密封室的液体压作为测量基准，而且埋设后该基准值不能校正，存在液体泄漏造成测量基准改变的可能性，因此在实际使用中需要采用先进制作工艺保证基准压力的稳定。

1.2 开放式与密闭式孔隙水压力计的比较

Casagrande立管式和振弦式孔隙水压力计两者的优缺点对比，见表1。

表1 Casagrande立管式与振弦式孔隙水压力计对比

在大坝等长期观测项目时，尤其是在非饱和土层中，应选择开放式，并定期清除测量仪器内的空气，校验基准值，保证测量结果的准确性。在地基处理等较短期的观测中，特别是在可以采用封闭式的孔隙水压力计，反应时间快，但要保证振弦的工艺采用完全饱和的致密透水石。

2 振弦式孔隙水压力计工作性能

2.1 反应时间

反应时间主要指由于钻孔扰动、刚体插入、水力渗流等因素，测头的观测值需要一定反应时间与原位值相符。反应时间的长短主要取决于各测头类型和土体的渗透系数，见图4。

图4 不同孔隙水压力计的反应时间

各类型测头的反应时间主要取决于进入测量系统中水的数量，Casagrande立管式反应时间最长，封闭式测头由于隔膜的存在空腔所需的水比较少，反应时间小于10 min，能够及时发现孔隙水压力的变化，适合于真空预压等地基处理项目。同时，当土体压缩性大时，孔隙水压力计的反应时间快。

2.2 空气进入空腔问题

在振弦式孔隙水压力计埋设后一般都有一定量气体(封闭气泡)存在，在压差的作用下，封闭气泡中的气体将会向测头充水空腔扩散，将空腔内水挤出。当透水石空隙较大(不致密)时，气体进入速率将会变大。

当气泡进入空腔增多时，空腔内孔隙气压力与孔隙水压力的差值ua-uw降低，导致气体迁移速度加快。当气体进入空腔后，孔隙水压力计测头读数uap将不再表征孔隙水压力uw，它将不断增长直到孔隙气压力ua，只有当彻底排出气体后，读数才能回归到uw。

张功新[6]利用真空表和孔隙水压力计的对比试验来研究振弦式孔隙水压力计在纯真空状态下的工作稳定性，发现振弦式孔隙水压力计测量真空度很不稳定，认为采用孔压计测试膜下真空度应慎重，可能得到不可信的测试结果，但并没有给出孔压计工作性能不稳定的原因，其测量结果见图5。

图5 纯真空状态下的孔压计和真空表的对比

笔者认为产生上述不稳定的原因可能是饱和透水石在长期纯真空状态下的饱和状态发生改变，空气进入空腔，导致孔隙水压力计测头测得的读数在孔隙水压力和孔隙气压力之间变化，从而导致测试结果不稳定，甚至是错误的结果。为验证饱和滤水石对纯真空状态下孔隙水压力计的工作稳定性的影响，在沧州中海粮油深加工基地真空预压地基处理项目中，分别在真空预压8区和12区进行了验证试验，每区分别设置4个KXR孔隙水压力计，都去掉了透水石[7]。其中2个放置在砂垫层的盛满水的水桶中，另外2个放置在砂垫层的砂袋上，砂袋位于地下水位以上，处于纯真空状态。真空预压过程持续4个月，膜下真空度保持在90～95 kPa，通过连续观测4个月期间的4个孔隙水压力计的读数，验证在真空压力下振弦式孔隙水压力计在纯真空环境和水下环境中的长期稳定性。现场试验布置见图6。

图6 纯真空和水下环境的孔隙水压力计

8区和12区孔隙水压力计的测量结果随时间的变化曲线的观测结果见图7。

图7 8区和12区振弦式孔隙水压力计测量结果

通过上述观测结果可知，去掉透水石后孔隙水压力计在纯真空状态下工作比较稳定，而且卸载后，负压的反应比较迅速，能够满足真空预压监测的要求。通过比较水下和纯真空状态下测头的测量值，12区的4个测头之间的测量值差异比较小；但8区的4个测头的观测数值相差较大，纯真空2#(出厂编号22673)测头测量的负压值偏小，最大差值为17.39 kPa。

对于8区的纯真空2#测头的抽真空前后分别进行了精确率定，率定曲线见图8。

图8 纯真空2#测头真空预压前后率定结果

根据率定结果，分别对纯真空2#和水下2#(出厂编号22464)的孔隙水压力线性系数和零时频率的在长期抽真空前后的改变进行了分析，见表2。

表2 纯真空2#和水下2#测头率定结果对比

通过表2可发现，线性系数和零点频率都发生了变化，与出厂率定值之比在0.97～1.02。经过长达3个月的抽真空后，线性系数变小，零点频率增大，可能是由于长期真空预压过程中的负压使隔膜的形状发生永久微小改变(外凸)引起振弦绷紧造成的。其他影响因素比如振弦所在的密闭室内液体泄漏造成密闭室内基准压力减小，隔膜内凹导致振弦的零点频率减小，此外，振弦本身或者固定点的蠕变松弛也会导致振弦的零点频率减小。上述因素的相互叠加作用，导致了振弦的线性系数和零点频率在长期工作状态下可能发生改变。

利用真空预压后率定的仪器参数重新计算纯真空2#测量的孔隙水压力，见图9。发现根据不同率定结果计算的结果相差较大，利用埋入前率定得到线性系数和零点频率得到的结果与8区其他测头结果最吻合，但笔者认为这不是普遍规律，在现实测量中需要选取线性系数和零点频率更稳定的振弦式孔隙水压力计进行测量，保证测量结果的准确性。

经过以上试验及分析，当采用振弦式孔隙水压力计测量纯真空状态下的负压时，需要去掉透水石，直接用隔膜接触真空环境，测量结果比较稳定，但由于振弦的长期工作下的线性系数和零点频率都可能发生变化，其准确性存疑，在不利情况下，误差值为10～20 kPa。

图9 纯真空2#测头根据不同率定参数计算的结果

3 提高长期稳定性及准确性的措施

通过以上的分析可知，振弦式孔隙水压力计的长期稳定性的问题主要和提高制作工艺保证基准不发生变化有关。测量基准的密闭腔需要严格密封，防止液体渗漏造成基准压力值变小。另一方面，要从振弦的材质和固定等工艺上解决长期工作状态下的松弛滑移等影响测量结果偏大的问题。

此外，要避免气体进入空腔影响测量结果，解决的方法有以下3种：

1)尽量采用开放式孔隙水压力计，比如Casagrande立管式，气体可以自由排出避免影响测量值。

2)需要采用更致密透水石(高空气穿透限值)来迟滞气体进入充水空腔。透水石的空气穿透限值就是透水石中的水被气体挤走时的ua-uw值，一般可采用0.1 MPa，最高可以采用0.5 MPa。如果使用透水石，则开始的读数就是ua，不同空气穿透值的透水石的影响见图10[8]。

图10 透水石的空气穿透值大小的影响

图10表明，在5年长期测量时间内，采用高空气穿透限值透水石的测头气体集聚慢，对孔隙水压力测量结果影响较小。采用低空气穿透限值透水石时，空气集聚较快，对测量结果影响很大，必须进行定期的循环水冲洗来排出气体。

3)对于封闭式测头加入循坏水流消除空气系统，能够定期冲洗更换空腔内的水。国外应用较为普遍的电测式测头为Ridley-type可冲刷测头，见图11。

图11 可冲洗的电测式孔隙水压力计测头

通过设置2根循环无气蒸馏水管来消除气体，关闭水流阀门后，可以采用电测式测量隔膜的变形表征孔隙水压力值。

4 结论

1)振弦式孔隙水压力计的长期工作性能受透水石的饱和状态和制作加工工艺影响较大。去掉滤水石后可以在纯真空状态下稳定工作，但由于线性系数和零点频率都可能在长期工作过程中发生变化，其长期工作下测量孔隙水压力准确性存疑。

2)提高长期工作性能的措施，主要有改进加工工艺、防止钢弦松弛和滑移等，保证线性系数和零点频率不发生变化。另一方面，需要消除空气进入空腔的影响。比如采用致密的饱和透水石，或者采用Ridley-type可冲刷测头。