孔隙水压力计

    12.3.6　孔隙水压力计

    1）孔隙水压力计基本要求

    （1）必须有足够的强度和耐久性，其要求与土压力计相同；

    （2）要求测头处的孔隙水体积不改变或改变不大，亦即测量的延滞时间要短；

    （3）读数稳定，这对长期观测的仪器特别重要；

    （4）测头体积要小，外形平整光滑，以便在压入埋设时尽可能地减小对土体的扰动和原有应力的改变；

    （5）测量方便，设备费用低廉。

    仪器反映孔隙水压力变化所需的时间，称为反映时间或时间延滞。估算时间延滞可用下式：

    

    式中：u_i——仪器所反映的孔隙水压力（kPa）；

    u_s——土体中实际孔隙水压力（kPa）；

    k——土的渗透系数（cm／s）；

    A——仪器的进水面积（cm²）；

    H——仪器的体积因数（cm³／kPa）；

    ρ_w——水的密度（g／cm³）；

    t——时间（s）。

    从上式看出，为了很快地反映土体中的实际孔隙水压力，体积因数要小，进水面积要大。

    2）孔隙水压力计的主要类型

    孔隙水压力计的类型有：液压式、电气式（包括黏着型电阻式、电感式及差动电阻式各种）、钢弦式及气压平衡式等。其中差动电阻式及钢弦式的工作原理及操作与土压力计一样。黏着型电阻式及电感式国内很少应用，故本节仅简要介绍液压式及气压平衡式两类。

    （1）液压式孔隙水压力计

    液压式孔隙水压力计常用的为封闭双管式，其结构示意如图12.13所示。它由测头、传压导管及测量系统组成。当测头埋入土体中，孔隙水压力通过透水石及传导管至零位指示器，使水银面发生变化，用活塞调压筒调节压力使水银面回到起始位置，则压力表上所示的压力值就是测读的孔隙水压力值（需经位置校正），经计算可得地基中的孔隙水压力值。

    

    

    图12.13　液压式孔隙水压力计示意图

    

    1—测量部分；2—进水连接器；3—出水连接器；4—测头；5—手压水泵；6—零位指示器；7—活塞调压筒；8—压力表；9—真空表；10—塑料瓶；11—指示器螺钉；12—导管（塑料管）

    为了使一个测量系统带几个测头，可采用连接器。

    整个系统应保证密封，测量系统一般在正压800～900kPa作用下不漏气；在负压约98kPa（一个大气压）下不进气。测量范围为－4.0～600kPa，估计误差为±2kPa。

    （2）气压平衡式孔隙水压力计

    该仪器的结构如图12.14所示。其工作原理是：土体中孔隙水压力作用于薄膜上，薄膜向上变形与接触钮接触，于是电路接通，灯泡发亮（或用电位计指示）。此时，从进气口通入压缩空气压回薄膜，灯泡熄灭。膜内的压力与孔隙水压力平衡，压力表指示的压力即为孔隙水压力。

    

    

    图12.14　气压平衡式孔隙水压力计

    该种孔隙水压力计的主要技术指标为，测量范围：0～900kPa；灵敏度：2kPa，主要取决于薄膜的刚度；误差：10kPa；体积因数：1× 10^－2cm³／kPa。

    该种孔隙水压力计的主要问题是由于土体中温度较低，通入的压缩空气形成水汽，凝聚成水雾而附在薄膜上，影响测读。针对这种情况，近年来用一阀门代替接触钮而加以改进。

    3）埋设要点

    一般采用以下三种方法埋设：

    （1）钻孔埋设法

    在埋设地点用钻探机具钻孔，达到要求的深度或标高后，先在孔底填入部分干净砂，将测头放入，再在测头周围填砂，最后，用膨胀性黏土将上部钻孔全部封好。

    （2）压入法

    如果土质较软，可将测头缓缓压入埋设标高。若有困难时，可先成孔至埋设标高以上1m处，再将测头压入。上部也全部严密封好。

    （3）设置法

    此法适用于填土工程，在填土过程中随时埋入。

    采用钻孔法时，土体的原有孔隙水压力降至零。同时测头周围填砂，不可能达到原有土的密度。因此，测头周围土体产生变形，这就大大地影响了孔隙水压力测量精度。而压入法，土体的局部扰动相当大，所引起的超孔隙水压力也很大。不论哪一种方法，都不可避免地要改变土体中的孔隙水压力。因此，最好在施工前较早地埋好仪器。

    4）观测和资料整理

    （1）差动电阻式和钢弦式孔隙水压力的观测与土压力计观测相同。

    （2）液压封闭双管式孔隙水压力计，观测前，先用无气水充水排气。为了避免气泡溶于水中，可在压力库中放一球胆，充水时将气压入球胆内。充水压力不宜过大，否则会对测头附近的土产生冲刷。在连续观测中，若有气泡产生，也要适当地排除。

    应用连接器时，要采用合理的操作方法。首先，参考上次的读数，估计预测的压力进行预调，并给以一定的平衡时间，这样才能得出准确的数据。

    测点处孔隙水压力计算公式如下：

    

    式中：u——土体中的孔隙水压力（kPa）；

    p——压力表读数（kPa）；

    h——测点至压力表基准面高（cm）；

    γ_w——水的容重（kN／m³）。

    （3）气压式孔隙水压力计的计算方法如下：

    

    式中：p_a——气压，用压力表量出（kPa）；

    C、α——标定常数。

    （4）将观测的成果及时记入记录表内，并随时计算、校核、整理和分析，提出对设计、施工、运用的意见和建议。

    （5）根据校核的资料，一般绘制下列曲线：

    ①孔隙水压力与荷载关系曲线。该图用于判明施工期的孔隙水压力变化，作为施工控制的依据。图12.15为某工程粉喷桩加固软土地基路堤填筑期超静孔隙水压力变化曲线。

    ②孔隙水压力随时间消散曲线。以孔隙水压力为纵坐标，时间为横坐标绘制。该图用于判明施工期的孔隙水压力消散，作为施工控制的依据。图12.16为粉喷桩施工过程及施工后桩周土体中孔隙水压力变化曲线。

    ③孔隙水压力等值线。将各点的孔隙压力用绘等高线的方法绘制等值线图，据以判明孔隙水压力的分布状态，作为稳定计算的依据。

    

    

    图12.15　粉喷桩加固软土地基路堤填筑期超静孔隙水压力变化图

    

    

    图12.16　粉喷桩施工过程及施工后桩周土体中孔隙水压力变化曲线