一种通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法

摘要

本发明公开了一种通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法，包括以下步骤：孔隙水压力计的布置和埋设；将每个孔隙水压力计与其配套的测定设备连接；对路基开始填土加载的过程中，通过测得的孔隙水压力与时间关系绘制的孔隙水压力与时间关系的图表；在初始加载期间的孔压过程线上择取两个最高峰值点，将其连接并延长，该线即为孔隙水压力预警线；在初始加载完成后的静载预压期内对所述预警线进行修正；以修正后的预警线控制后续填土速率。本发明避免了静水压力定义的缺陷、填土增量在实际施工难予准确定量等因素对孔隙水压系数值所产生的不利影响；具有准确、直观、易于操作等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速公路建设工程，具体是指一种通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法。 

背景技术

在高速公路建设中，利用孔隙水压力计观测软土地基在外加荷载作用下软土中孔隙水压力涨消过程以控制加载速率，目前已得到一定的应用。 

孔隙水压力观测是通过孔隙水压力计来实施的。孔压计种类较多，如水管式、测压管式、差动电阻式等等、由于钢弦式孔隙水压力计具有稳定性好、灵敏度高、使用简单、方便等特点，因而得到普遍应用。钢弦式孔隙水压力计组成部份与工作原理如下：钢弦式孔隙水压力计主要构造由透水石与压力传感器两部份组成：透水石材料一般由氧化硅或不锈金属粉末制成，具有很高的透水性能。钢弦式压力传感器。由不绣钢承压膜、钢弦、支架壳体和信号传输电缆组成。其构造是将一根钢弦的一端固定在承压膜中心，另一端固定在支架上，钢弦旁边安装一电磁圈，用以激振和感应频率信号。钢弦式频率测定仪。为钢弦式孔隙水压力计的配套（仪器）设备，用其收集孔隙水压力计测头频率。 

    钢弦式孔隙水压力计在测头承压膜上承受压力使膜变形后，使得固定于膜上的钢弦变形松弛，从而改变弦的自振频率，应用钢弦频率计（测读仪）接收其自振频率，即可根据下式求得其作用力（孔隙水压力）。两者关系如下： 

u = k（f ₀ ² – f₁ ²）………………………………………..(1)

式中：u 为孔隙水压力（kPa）

 k 为常数，称为传感器系数，由室内标定给出；

f ₀  零压力（大气压力）下钢弦的自振频率（Hz）

 f₁ 为在孔隙水压力作用下，钢弦自振频率，通过钢弦式频率测定仪测读不同时刻钢弦自振频率（Hz）便可求得孔隙水压力u（kPa）。

孔压计埋没后即可进行观测。观测时，将钢弦式频率测定仪与孔压计屏蔽电缆中接头相连接，在钢弦式频率测定仪上即显示出该（孔隙水压力计）测点的自振频率（Hz）。按（1）式即可求得该点在该测次时的孔隙水压力U (kPa)，据此，可方便绘制出孔隙水压力U与时间t关系过程线。 

由于引起软基产生形变的是超孔隙水压力，因此还需对地下水位涨落情况进行观测，以便对监测所得孔隙水压力U进行修正。修正后的孔隙水压力为超孔隙水压力u ，可按上述方法绘制出超孔隙水压力过程线。 

此外，在进行孔隙水压力观测的同时还需进行荷载增量（填土厚度h）的观测，为便于比较荷载增量与超孔隙水压两者间涨落关系，可将其编绘在同一图上，即荷载、超孔隙水压力与时间关系过程线。很明显，可定性了解孔隙水压力与荷载两者之间的关系。但从定量上分析两者间的关系以用于控制填土速率则显得力不从心。 

    现阶段，采用孔隙水压力以控制填土速率的方法是“单级孔压系数”与“综合孔压系数”监控法。根据开普顿（A.W.Skempton）提出的孔隙水压力理论，孔隙水压力系数表达式为： 

B_单级=Δu/ΔP                                    （2）

综合孔隙水压力系数Ｂ_综合表达式为：

B_综合=（U_i-U₀）/ΣP_i                                                         （3）                       

上两式中: △u　——超孔隙水压力增量(kPa)；

△P  ——荷载增量(kPa)；

U_i——第ｉ测点孔隙水压力(kPa)；

U₀——初始孔隙水压力(kPa)；

∑△P_i——累计到第i级的总荷载(kPa)。

将上述资料代入（2）（3）式，即可计算出各测点在不同加载期的单级孔压系数与综合孔压系数。 

 孔压系数监控指标与监控：孔隙水压力系数监控指标多由设计院在设计图中提供：一般情况下单级孔压系数为0.6,综合孔压系数为0.4。通过上述观测与计算，其监控标准为：单级孔压系数B_单级=Δu/ΔP ≥0.6、或当综合孔压系数 B_综合=（U_i-U₀）/ΣP_i≥0.4时，停止加载。停载后路基处于静载预压状态时，随着时间的推移，孔隙水压力消散，复算得出孔压系数B_单级≤0.5、综合孔压系数 B_综合≤0.3时可恢复加载， 

    采用孔隙水压计对路基实行监控在我国是上世纪末出现的一种新技术，属于应力观测。与路基常规的形变（沉降、位移）观测相比，其灵敏度远高于后者。实践表明，当荷载施加在路基上的同时，便可测得孔隙水压力所发生的改变。显然这对于控制路基失稳是大有好处的。目前孔隙水压力计埋置工艺已趋成熟。此外，数据采集筒单且准确为该技术的一大优点。 

    从（2）（3）式可知，求解孔隙水压力系数需要获得超孔隙水压力与其增量△u，也应获得荷载与其增量△p。在常规软基观测中，通过孔隙水压力探头测到的总孔隙水压力U包括两部份：即静水压力h和由附加应力（路基上填土）所引起的超孔隙水压力u (excess pore-water pressure)。超孔隙水压力表达式为：

u=U-h                                           （4）                             

式中: u　——超孔隙水压力(kPa)；h  ——静水压力(按hγ_ω换算成kPa)；U——总孔隙水压力(kPa)；

上述三元素在高速公路观测中，因受地质地貌、现场施工条件等多因素限制，除总孔隙水压力U可很获得准确的数值外，其余两元数的获取均存有以下一些不足之处：

a、静水压力计算的定义缺陷

静水压力h，在《岩土工程基本术语标准》中定义为：“给定点与自由水位高程差引起的水压力” ^[1]。这一定义有欠准确：

当地处坡体的稳定渗流上的土体（如高速公路半挖半填段），按此定义，其静水压力u =γ_ωh（式中h为土体到坡体自由水位高程差）。 

但是，如果从该土体所处重力势与压力势分析，通过简单的几何计算，上式中土体到自由水位高程差应是该土体的等势线在该土体竖向垂直线上的投影h'(h’＜h)而不是上式中的h。设该稳定渗流流向与水平线夹角为α，其静水压力u=γ_ωhcos2α。两者差异明显。 

可见，《岩土工程基本术语标准中》静水压力定义有欠准确,将直接影响到超孔隙水压力计算的唯一性。 

静水压力观测

对于路堤两侧均地处可见自由水面路基静水压力的观测，多在路基两侧边坡设置水位观测点。根据观测结果推算出其对路基的浸润线。此后依据两测次浸润线在孔压测点垂直向定点的变化差以确定静水压力值的变化值。 

对于两侧处在与外界相通的河湖塘揠的路基，通过对其自由水位高程的观测，采用上述方法决定h是可行的。但对于路基两侧（或一侧）在没有可见的自由水位（塘、河）段，由于受到公路征地影响，不少观测者将地下水位测管设置在离路基边坡1m-3m的位置。 

地下水位管紧临路基，受路基边坡荷载影响，其水位变化有相当部份为路基边坡应力所引起，当属超孔隙水压力。以水位测管中部份超孔隙水压力作为静水压力，犯了概念上的错误。若将上述观测结果此代入（2）、（3）式计算孔隙水压力系数，其值必小，用以控制填土速率很有可能危及路基安全。 

浸润线的计算

当获得路基两侧自由水位高程后，则可进行路基浸润线计算以确定图1中 A点的水位高程变化位置以确定静水压力h。 

浸润线计算公式多且计算繁杂。各公式有各公式使用的边界条件，涉及参数也多。如：地基渗透系数、路基渗透系数、透水地基厚度、渗流线长度、路基两侧坡比与水位等等。参数越多，计算所产生的误差也就相对较大。 

荷载计量

荷载与荷载增量是计算孔隙水压力系数的参数之一。由于工程性观测多为现场临时测量或以运输计量的方法以确定荷载增量。实践表明，无论采用何种方法，其荷载增量的量测误差在土2cm～土4cm范围内是常有的事：计算结果说明了荷载增量误差在1cm范围土厚对监控结果判断所产生的影响，由此可见一斑。 

孔隙水压力计位置的改变

孔隙水压力计埋置在软土中，软土在固结过程中必会产生沉降，毫无疑问，孔隙水压力计位置也会随之发生改变，其下沉量如何量测？下沉速率如何？孔隙水压力计下沉对孔隙水压力值的影响等问题至今仍未见相关文献资料报导。其下沉对孔压系数的影响未可得知。

发明内容

为了克服上述之不足，本发明的目的在于提供一种更接近真实、简便易行、可操作性强的通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 

通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法，包括以下步骤：

A、孔隙水压力计的布置和埋设：在路基的每个布置点钻孔，将孔隙水压力计埋设其中；在路基的不同性质的土层至少布置一只孔压计；同质软土层较厚，则可等距布置多个孔压计。

B、将每个孔隙水压力计与其配套的测定设备连接，测定设备用以接收孔隙水压力计传送的压力参数，通过该压力参数得到孔隙水压力值。 

C、对路基开始填土加载的过程中，通过测得的孔隙水压力与时间关系绘制孔隙水压力与时间关系的图表，将图表中的不同时间的各孔隙水压力的位置点相连接形成孔压过程线； 

D、在初始加载期间的孔压过程线上择取两个最高峰值点，将其连接并延长，该线即为孔隙水压力预警线；

E、在初始加载完成后的静载预压期内：对于孔隙水压力呈平稳消散的，取其总预压时间中间值作为修正预警线起点，以此点作上述预警线的平行线即为修正预警线；对于孔隙水压力呈非平稳消散的，取各测次所得孔隙水压力的算术平均值所在点作为修正预警线起点，以此点作上述预警线的平行线即为修正预警线；

F、以修正后的预警线控制后续填土速率：当对路基继续填土加载时，将在各个时间检测点测得的孔隙水压力值绘在孔压过程线的图表上，每测到一个孔隙水压力值，立即绘出该值在图表的位置，当孔隙水压力值的位置在修正预警线下方时，可继续填土加载；当孔隙水压力值接近修正预警线，则放缓填土加载速率；当孔隙水压力值的位置达到或超过修正预警线，则停止填土加载。

步骤A中，所述钻孔采用干钻的方式，所述孔隙水压力计布置点之间的间距为2m～3m。 

步骤B中，所述孔隙水压力计为钢弦式孔隙水压力计，其配套的测定设备为钢弦式频率测定仪，钢弦式频率测定仪与钢弦式孔隙水压力计上的屏蔽电缆接头相连接，所述钢 

弦式频率测定仪接收在孔隙水压力计传送的测点的自振频率（Hz），利用以下公式即可求得该点在次时的孔隙水压力：u = k（f ₀ ² – f₁ ²），式中：u 为孔隙水压力（kPa）；k 为常数，称为传感器系数，由室内标定给出；f ₀  零压力（大气压力）下钢弦的自振频率（Hz）；f₁ 为在孔隙水压力作用下，钢弦自振频率，通过钢弦式频率测定仪测读不同时刻钢弦自振频率（Hz）便可求得孔隙水压力u（kPa）。

所述初始加载期间为10～15天。 

    本发明的有益效果在于：a、采用孔隙水压力图解法，继承了现有技术的全部优点。因而，现有技术中孔隙水压力计的布置、埋置方法与观测方法均未发生改变。b、利用观测到的孔隙水压力值U与时间t在电脑上绘制“孔隙水压力过程线”，由于采集到的孔隙水压力U准确，因而所绘制出的孔隙水压力过程线可达到“千人一图”的效果。c、在孔隙水压力过程线上绘制“预警线”以控制加载速率，具有准确、直观、易于操作等特点。d、孔隙水压力过程线上绘制“预警线”以控制加载速率，其中“预警线”产生与应用是“从实践中来又回到实践中去”一次成功实践，其精髓在于“具体问题具体分析”。e、由于影响软土地基变形的不定因素太多，与采用双曲线法推求最终沉降量一样，确定一条质量优良的预警线也“需要一定的（实践）经验与技巧”。这是本方法的不足之处。但对一个工程来说，设计孔隙水压力观测点位少则十几只，多则几十只。只要按本方法对最初的几只孔压计加载作好设计，并按设计组织施工，均能获得质优的“预警线”。以后则就轻车熟路了。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明： 

图1为本发明孔隙水压力与时间关系绘制的孔隙水压力与时间关系的曲线图。

具体实施方式

通过观测孔隙水压力以控制路基加载速率的方法，包括以下步骤： 

A、孔隙水压力计的布置和埋设：在路基的每个布置点钻孔，将孔隙水压力计埋设其中；在路基的不同性质的土层至少布置一只孔压计；同质软土层较厚，则可等距布置多个孔压计。一般情况孔隙水压力计以布置在路基中轴线处，也可视地质情况与设计要求调整布设位置。不同性质的土层至少布置一只孔压计；如同质软土层较厚，则可等距布置多个孔压计，其距离以1只/2m-3m为宜；软土处理边界面下非软土层也可布置一只孔压计。孔隙水压力计埋置采用钻孔埋设，钻孔以干钻法为宜。首先在现场量测孔隙水压力计进行编号测定各孔压计的初始频率后，将煮沸的透水石在水中装在孔隙水压力计上，同时使之在不脱离水的情况下移到已注满清水的孔洞内，下压至设计要求高程+30cm后将电缆外迁到边坡观测箱内。此外，为防此“串孔”，以“一孔一计”（即一个钻孔埋置一只孔压计）为宜。

B、将每个孔隙水压力计与其配套的测定设备连接，测定设备用以接收孔隙水压力计传送的压力参数，通过该压力参数得到孔隙水压力值。该步骤的具体方案为：所述孔隙水压力计为钢弦式孔隙水压力计，其配套的测定设备为钢弦式频率测定仪，钢弦式频率测定仪与钢弦式孔隙水压力计上的屏蔽电缆接头相连接，所述钢弦式频率测定仪接收在孔隙水压力计传送的测点的自振频率（Hz），利用以下公式即可求得该点在次时的孔隙水压力：u = k（f ₀ ² – f₁ ²），式中：u 为孔隙水压力（kPa）；k 为常数，称为传感器系数，由室内标定给出；f ₀  零压力（大气压力）下钢弦的自振频率（Hz）；f₁ 为在孔隙水压力作用下，钢弦自振频率，通过钢弦式频率测定仪测读不同时刻钢弦自振频率（Hz）便可求得孔隙水压力u（kPa）。 

C、如图1所示，对路基开始填土加载的过程中，通过测得的孔隙水压力与时间关系绘制的孔隙水压力与时间关系的示意图，将图中的不同时间的各孔隙水压力的位置点相连接形成孔压过程线；孔隙水压力观测图解法是在现有技术其础上，排除上述静水压力在观测、计算上的复杂性与多义性，荷载增量量测误差等因素的影响，直接利用观测得到的准确的孔隙水压力值U与时间t，在电脑上绘制孔隙水压力与时间关系过程线（即U～t曲线）。在初始加载期间（也称第一级加载期间）显得尤为重要。通过兴宁～畲江高速公路、广州～梧州高速公路、云浮～罗定高速公路的实践得出：第一级加载期间以10～15天为宜。在初始加载期间（也称第一级加载期间），填土厚度多在“路基极限填土高程”以内，因此可进行快速连续加载，加载土厚按设计要求以25cm/层。荷载增加导致孔隙水压力上升，孔隙水压力上升导致软土中孔隙水排出，软土中孔隙水排出软弱土体发生固结导致地基承载力提高为常理。由于孔隙水排出导致土体固结需要一定的时间才能完，即所谓“时间效应”，因此，在完成第一级加载后，要求停载预压一周左右时间再进行下一道加载工序，以提高地基的“极限填土高层”，为下级加载做准备。 

D、在初始加载期间的孔压过程线上择取两个最高峰值点，将其连接并延长，该线即为孔隙水压力预警线，图1中，作为实线的直线为孔隙水压力预警线； 

实际操作中，利用电脑可很方便获得孔隙水压力与时间关系过程线，审视孔隙压力过程线，取两个峰值点将其连接并延长到X，则AX线即为该测点的孔隙水压力预警线。

E、在初始加载完成后的静载预压期内：对于孔隙水压力呈平稳消散的，取其总预压时间中间值作为修正预警线起点，以此点作上述预警线的平行线即为修正预警线；对于孔隙水压力呈非平稳消散的，取各测次所得孔隙水压力的算术平均值所在点作为修正预警线起点，以此点作上述预警线的平行线即为修正预警线，图1中，作为虚线的直线为孔隙水压力的修正预警线。 

孔隙水压力预警线是第一级加载实践的产物，其线斜率如实地反映出在该级加载过程中荷载增加与地承载力的提高是相互适应的。毫无疑问，这种相互适应的关系对即将发生的第二级加载定能起到一定的指导作用。但存在着数量上大小的变化。为慎重起见，有必要对孔隙水压力预警线加以修正。 

孔隙水压力预警线的修正方法：取第一级加载停载后所测得的孔隙水压加U₁至第二级加载前观测所得U₂的算术平均值作为修正预警线的起点O，计算式为（U₁+U₂）/2，以O为起点作射线OY//AX即可，所作OY线即为被修正后的预警线。以此作为后续一级加载的孔隙水压力预警线。在实际施工中，由于受到天气、料场、机械调配、工期等诸多因素影响，停载期间也往往出现零星、间断型的加载。这种加载导致孔压增长与消散反映在孔压过程曲线图上呈锯齿型状上过波动。但只要这种曲线总体呈水平状或下降趋势，均可采用此法来修正所述的预警线。 

F、以修正后的预警线控制后续填土速率：当对路基继续填土加载时，将在各个时间检测点测得的孔隙水压力值绘在孔压过程线的图表上，每测到一个孔隙水压力值，立即绘出该值在图表的位置，当孔隙水压力值的位置在修正预警线下方时，可继续填土加载，倘若两者间距较大，则可以适度增大填土速率以促工期；当孔隙水压力值接近修正预警线，则放缓填土加载速率；当孔隙水压力值的位置达到或超过修正预警线，则停止填土加载，当停止加载后，在正常情况下孔隙水压力U会逐渐消散，当其下降到“预警线”下方时，则可恢复加载；反之，在停载静置期间孔隙水压力值U不降反升的反常情况。此时，可与同一断面设置的其它观测点（如沉降、位移）的资料进行系统分析，以决定是否“减载反压”以策安全。 

工程实例： 

广梧高速公路18合同段k118+250～k118+360段左侧为山体，右侧为软土地基，属典型半挖半填路段，该段采用3块沉降板、2根位移边桩与2只孔隙水压力对路基加载进行监控。设计要求监控指标为：单级孔压系数＜0.6、综合孔压系数＜0.4、沉降每天＜10mm、水平位移每天＜5mm时方可进行加载。

本实施例中，从孔压曲线图中可看出3月18日，两孔测点孔隙水压力均超过了预警线。本应下达停载通知，为慎重计，同时也为了为检验“预警线”的可靠性，于是对当天沉降速率与孔压系数进行计算，其结果见表1与表2。 

表1 指令停载期沉降观测资料汇总表

 

表2指令停载期单级孔隙水压力系数计算表

                                                   

从表中可以看出：3月18日沉降速率为7.0mm/d，单级孔压系数为0.579,综合孔压系数为0.149。均小于设计要求的监控指标，故未下达停载通知。施工队按常规在当晚又填筑了一层土。

3月19日观测孔隙水压力值仍超过“预警线”，沉降速率接近设计要求监控指标10mm/d达到9.0mm/d，单级孔压系数超过设计要求监控指0.60达到了0.697，仅综合孔压系数一项为0.159在监控指标0.4以内。按常规下达了“停载通知”。 

3月23日发现该段路基边沟内壁产生裂缝，边沟底部凸起（事后报设计院变进行更采取了反压护道等工程措施）。说明此次“停载通知“下达是及时的，同时也说明应力观测的灵敏度高于行变观测、“预警线”对加载速率进行监控的可行性。 

本段后期加载因受工程变更影响长时间未能进行，当反压护道修筑完成后恢复加载（属第六期加载）时，为赶工期，施工队采取了快速加载法，从8月4日到9日，六天内加载1.58m。此时段内，所测得沉降速率从8月6日的11.0mm/d起一直上升到13.5mm/d，单级孔隙水压力系数也从8月7号起均超过0.6，最大时达到0.84。上述观测值均超过设计孔隙水压力监控指标0.6。按常规应下达“停载通知”。但是，孔隙水压力曲线图上反映出各测点孔压峰值均离“预警线”甚远，其间最大孔隙水压力值与第一级加载时a点的最大孔隙水压力值几乎处在同一水平线上。故未下达“停载通知”。不仅为路基增加了预压历时，也为日后路基卸载、修筑路面赢得了时间。通车后一年多的观测结果表明，此次快速加载对路基并未产生任何病害， 表明本工程采用孔隙水压力图解法控制路基加载的实践是成功的。 

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。