孔隙水压力计埋设过程中的问题研究.doc

孔隙水压力计埋设过程中的问题研究SeriesNo.372June2007金属矿山METALMINE总第 372 期2007 年第 6 期?地质与测量?孔隙水压力计埋设过程中的问题研究冰赵秀绍孙瑞民杨凤灵(1.华东交通大学;2.华北水利水电学院)摘要孔隙水压力计在实际使用过程中,通常不能按照规范那样进行现场标定,现场常采用无套管钻孔埋设孔隙水压力计,从而可能会影响孔隙水压力计精度,且在实际使用过程中量程选择也是一个难题.针对这种情形,通过分析常压标定方式误差,量程选择问题及无套管埋设孔隙水压力计,得出采用的现场常压标定及无套管埋设是可行的.关键词标定孔隙水压力计安装埋设StudyonProbleminEmbeddedInstallationofPoreWaterPressureGaugeZhaoXiushaoSunRuiminYangFengling(1.EastChinaJiaotongUniversity;2.NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower)AbstractInthepracticalapplication,porewaterpressuregaugegenerallycannotbecalibratedonsiteinaccordancewiththerules.Itisofteninstalledbytubelessdrilling—embedding,whichmayaffectitsaccuracy.Inaddition,theselectionofitsmeasurementrangeisalsoadifficultproblem.Itisconcluded.throughtheanalysisoftheerrorofthecalibrationatnormalpressure,themeasurementrangeselectionandthetubelessembeddingoftheporewaterpressuregauge,thattheon—sitethecalibrationatnormalpressureandtubelessembeddedInstallastionarefeasible.KeywordsCalibration,Porewater,Pressuregauge,EmbeddedinstallationCFG 桩在郑州地区饱和粉土施工中,往往引起地面拉裂.CFG 桩施工对桩周土体的扰动,必反映 到施工时钻孔周围土体中.孔隙水压力是多孔多相松散介质一个主要的应力特征.土介质力学特性的研究必须以孔隙水压力物理力学效应的真实揭示为基础 J.目前关于孔隙水压力计的使用不成熟,还没有正式规范,只是由上海岩土工程勘察设计研究院编制了孔隙水压力测试规程 CECS55:93.多数论文 4.大部分对监测过程数据论述详细,而对于现场标定,量程选择及具体钻孔时是否采用套管的具体使用过程论述粗略引,且对误差没有进行分析.1 试验所用孔压计的工作原理及现场标定方法1.1 仪器概述经过经济与实用性的综合比较,本次试验选用了丹东市北方传感器厂生产的 GSY 一 58 型孔隙水压力计及与其配套使用的 PZX 一 1 型振弦频率检测仪,见图 1.1.2 工作原理钢弦式孔隙水压力仪在测头承压膜上承受压力图 1 实际购买的孔隙水压力计及频率计使膜变形后,使固定于膜上的钢弦也变形松弛,从而改变弦的自振频率,应用 PZX 一 1 型振弦频率检测仪接收其自振频率,其自振频率与作用压力(孔隙水压力)有如下关系:“=后一厂),(1)式中,”为 i 时刻的孔隙水压力,MPa 为零压力(大气压力) 下钢弦的自振频率,Hz 为在孔隙水压力”作用下的钢弦自振频率;k 为常数,称为传感河南省科技攻关项目(编号 :0524450008).赵秀绍(1978 一),男,华东交通大学土建学院铁道工程教研室 ,博士研究生,330013 江西省南昌市.总第 372 期金畿矽 2007 年第 6 期器系数,其数值与承压膜和钢弦的尺寸及材料性质有关,由室内标定给出,10MPa/Hz.通过测读不同时刻的钢弦自振频率,便可求出相应时刻的孔隙水压力.1.3 仪器的出厂标定与现场标定本次所购买的 GSY 一 58 型孔隙水压力计在出厂时作了严格的标定.由于现场只用了 0.6MPa 量程的孔隙水压力计,所以此处只列出 0.6MPa 量程的标定值,见表 1,0.8MPa 的厂家标定值在本文中不列出.表 1GSY 一 58 型孔隙水压力计标定(标定时间 2005.12.16,温度 12℃,量程 0.6MPa)医力/MPa818283848586 0232323o423092320237323320.062258224122462262231622720.1221912175218222O4225922110.182121210721172145220o21490.242o48203720502084213920850.301972196419802021207620190.361893188819071956201019500.421811180918311889194218780.481726172617521819187218030.541637163916701745179917250.60154515471584166717231643譬篙善 z.0oz.o6z.zz.,z.zz.所有的仪器都经过厂家标定,但由于温度及大气压强的不同,零压初值与出厂初值标定还是有一定差值,但经现场零点标定,差距一般不会超过 5Hz,5Hz 到底会给压力测定带来多大的差距,会不会影响孔隙水压力计的精度,可以用下面的计算来验证.以 81 孔隙水压力计为例:(1)0～0.06MPa 之间的差距 (最小差距).厂家标定计算:u006=2.O0×10×(2323 一2258)=595530×10(MPa);平移 5Hz 计算:u00.06=2.O0×10 一×(2328 一 2263)=596830×10(MPa);误差计算:Au=(596830×10～一595530×10 一)/595530×10 一×100%=0.218%.(2)0～0.60MPa 之间的差距计算 (量程,最大差距).厂家标定计算:u.60=2.O0×10×(2323 一 1545)=6018608×10(MPa);平移 5Hz 计算:u0060=2.00×10 一 ×(2328～1550)=6034168×10(MPa);误差计算:Au2=(6034168×10 一’一 6018608×10 一)/6018608×.48.10 一×100%=0.258%.通过上述误差分析,如果初值测定在 5Hz 范围内,误差一般控制在 0.3%之内 .例如 u=1.556kPa,绝对误差 Au=0.258%,低于液压式孔隙水压力计 2kPa 的误差【2J,可见通过频率数据平移,不会带来很大的误差.另外出厂标定时间距实际试验时间较近,故根据现场试验条件的限制,只在初始状态下作零点频率的校正,其余数据仍采用实测值,见表 2.表 2 孔隙水压力计的现场初值测试及与厂家初值的对比传感哭编号 818283848586 埋设时的初值 222123072312232123762331厂家标定值 232323042309232023732332茎堕::通过埋设前的初值测定,表 2 中的值与厂家的标定值相差最大只有 3Hz,说明按照厂家说明书的附件标定中的标定来计算不会引起过大的误差.2 现场孔压计埋设方案与具体埋设2.1 试验的难点分析(1)如何利用有限的试验方案数,达到预期的试验目的,这是试验成功的基础,在方案设计中需要重点考虑.(2)保证预埋的数个观测元件在施工,测试阶段的正常工作.有两点需注意,一是埋设后要保护好电缆线不被无故破坏;二是 CFG 桩机移位时,可能测试仪器的电缆线被桩机压断.(3)埋设孔隙水压力计是为了观测埋设点处的渗透水位,因此除了采用可靠的孔隙水压力计,正确的埋设方法外,还必须取得准确的基准值,仪器安装高程,后者是引起测值系统误差的主要原因之一.2.2 量程选定如果埋置深度为 15m,此时的孔隙水压力量程估算如下:(1)静止孔隙水压力计算.钻孔深度是 15m,假设此时的地下水面在地表,则该处的孔隙水水压为P=研 H=(1 一 sin4,)yH=150kPa.(1)(2)动水压力计算.假设土体完全液化,即超孔隙水压力达到围压或上覆土重时,此时的超隙水压力为P=KoyH=(1 一 sin+)yH,(2)式中,按最大值 1 取,根据郑州地区饱和粉土现在勘探资料表明,y 一般在 19～20kN/m, 所以 p的最大值为 20×15=300kPa.即当土体液化时,超赵秀绍等:孔隙水压力计埋设过程中的问题研究 2007 年第 6 期孔隙水压力达到周围土体围压,此时静止水压力+超孔隙水压力不会超过 450MPa.根据文献[2],为保证孔隙水压力计精度的要求,选择的量程不宜过大,上限值大于静水压力值与预估的超孔隙水压力值之和宜为 100～200kPa.考虑到 GSY 一 58 型孔隙水压力计的量程规格,450kPa 是极限情况,而且地下水面在地表一般要采取降水措施,建议埋到 15m 深钻孔中的孔隙水压力计量程为 0.6MPa. 2.3 孔隙水压力计的埋设孔隙水压力计的埋设剖面图见图 2,埋设步骤见图 3.孔隙水压力计的透水石采用抽气罐抽气饱和后连抽气水装桶一并送到现场备用.在孔隙水压力计埋设前要读出其初读数,初读数值见表 2..::::’卅.钻出土:.‘:::/::封孔泥球::gi/引出电缆 g誊 ii/一:一::;: 孔隙水压力计|;t≥v 埋设高程誊.f■中粗砂—暑 1:::/2j01t..:.西 130mm 钻孔图 2 子 L 隙水压力计的纵向埋设图 3 孑 L 隙水压力计埋设步骤由于在郑州目前多数钻探车已经不再配置套管,所以采孔时采用无套管钻进.钻孔完成后,先投人 50cm 厚的粗砂,结果粉土受扰动后,钻孔迅速缩小孔径,孔隙水压力计下到 3m 深被卡住.后不得不采用泥浆护壁钻进,且在投人 10cm 砂后,迅速把孔隙水压力计下到设计位置,然后再往钻孔中灌粗砂.孔隙水压力计采用细绳吊着法下人钻孔中,见图 4,需预先用卷尺量得下入的深度,并在孔压计配带电缆上标记好位置,这样保证孔隙水压力计下到预先设计的深度.图 4 现场把子 L 压计下入钻孔中上面工作完成后,要加 100cm 厚的粘土球封孔,以防各层水压相互干扰.粘土球直径 5～15mm左右,由于传感器厂没有粘土球产品,现场采用山东高扬生产的 200 目膨润土自制粘土球,见图 5.首先要把做成的粘土球风干,只有风干的粘土球才能起到封孔的目的,见图 6.未风干的粘土球短时间内不能崩解达不到封孔的效果,见图 7.回填时应缓慢将泥球投人钻孔内,防止架空,回填的膨润土在孔隙水压力计以上至少 1m 深,然后等待 10min,使泥球崩解膨胀.上面钻孔部分用砂子填满(由于现场土容易结块,回填时易卡住钻孔,使钻孔架空, CFG 桩施工过程中容易造成窜孔,实测的孔隙水压力不能反应实际的孔隙水压力的变化).图 5 自制粘土球为了减少钻孔工作量,原本设计采用 1 个钻孔埋设 2 个孔隙水压力计的方案,但由于钻孔后缩孔严重(泥浆护壁后清孔后缩孔仍很严重 ,采用多次顺孔,迅速下人孔压计才下到预定深度),不得不采用 1 个孔埋设 1 个孔隙水压力计的方案.埋设完每一个孔隙水压力计后,利用频谱仪记录孔隙水压力的变化,特别是 CFG 桩施工时的孔隙总第 372 期金砥矽山 2007 年第 6 期图 6 干粘土 4min 完全崩解图 7 湿粘土球 4h 未完成崩解水压力的变化,为 CFG 桩施工对桩周土体的扰动分析奠定基础.孔隙水压力消散记录,见图 8.可见从埋设好后经过。