夏超群，于 偉，陳琪林

（1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.上海航源港口工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 201208）

1 分層沉降觀測(cè)原理

分層沉降觀測(cè)[6-10]原理示意如圖1，是利用分層沉降儀測(cè)量套在分層沉降管外編號(hào)為01、02、03…N 的磁環(huán)高程來對(duì)各磁環(huán)所代表的深層土體沉降值進(jìn)行觀測(cè)的一種方法。該方法采用鉆孔埋設(shè)，鉆孔垂直偏差率應(yīng)越小越好，成孔后清孔，將外套磁環(huán)的分層沉降管放置于鉆孔中，磁環(huán)的布置位置按照設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行。埋設(shè)完畢后等到埋設(shè)孔周圍的土體達(dá)到基本穩(wěn)定后，用水準(zhǔn)儀來觀測(cè)得到分層管管頂高程H0，用分層沉降儀來觀測(cè)得到磁環(huán)離分層管管頂?shù)纳疃萮01-0、h02-0、h03-0…h(huán)N-0(當(dāng)垂直偏差率較小時(shí)，各磁環(huán)到管頂?shù)纳疃染褪菧y(cè)尺的長(zhǎng)度L，當(dāng)垂直偏差率較大時(shí)應(yīng)把長(zhǎng)度值L 換算成深度值h)，按公式高程HN-0=H0-hN-0，換算出各磁環(huán)的初始高程H01-0、H02-0、H03-0…HN-0。隨后按設(shè)計(jì)要求的觀測(cè)頻率，t1時(shí)刻，用水準(zhǔn)儀來觀測(cè)分層管管頂高程Ht1，用分層沉降儀來觀測(cè)磁環(huán)離分層管管頂?shù)纳疃萮01-t1、h02-t1、h03-t1...hN-t1，觀測(cè)得到各磁環(huán)的高程值H01-t1、H02-t1、H03-t1…HN-t1，按公式分層沉降值SN-t1=H0-HN-t1，求出變化量，得到各磁環(huán)所代表的各土層的分層沉降值S01-t1、S02-t1、S03-t1…SN-t1；t2 時(shí)刻，觀測(cè)得到分層沉降值S01-t2、S02-t2、S03-t2…SN-t2，按公式分層沉降速率VN-t1-t2=(SN-t1-SN-t2)/(t2-t1)，求出各磁環(huán)的分層沉降速率V01-t1-t2、V02-t1-t2、V03-t1-t2…VN-t1-t2。

圖1 分層沉降觀測(cè)原理示意圖

2 分層沉降管的傾斜修正

分層沉降管的埋設(shè)很難埋設(shè)成鉛錘線，只能是一條與鉛垂線有夾角θ 的近似直線，同時(shí)在上部荷載的作用下深層土體通常會(huì)發(fā)生比較大的側(cè)向變形，也會(huì)使得分層沉降管發(fā)生比較大的傾斜變形。分層沉降儀的測(cè)尺沿著分層管運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)到的是磁環(huán)沿分層管方向的長(zhǎng)度變化值ΔL。在管頂標(biāo)高不變的情況下，某磁環(huán)的真實(shí)沉降值ΔH=ΔL×COSθ，當(dāng)θ=0 時(shí)，ΔH=ΔL×COSθ=ΔL。那么為了保證真實(shí)沉降值ΔH 與長(zhǎng)度變化值ΔL 盡可能的接近，要求θ盡可能的小，θ 較大時(shí)采用原理如圖2 應(yīng)進(jìn)行豎向修正。采用測(cè)斜儀，測(cè)出整個(gè)分層管的側(cè)向位移絕對(duì)值求出各個(gè)傾斜角度θ。各個(gè)傾斜角度θ 計(jì)算表見表1。

圖2 豎向修正示意圖

表1 分層管傾斜角度θ 計(jì)算表

3 側(cè)向變形附加沉降分析方法

3.1 側(cè)向變形附加沉降分析方法

如圖3 的典型觀測(cè)斷面布置示意圖所示，通長(zhǎng)袋和砂肋軟體排下面是原始的軟弱土層，堤身內(nèi)外兩側(cè)都埋設(shè)有測(cè)斜管。假定每層土均為整體沉降，即假定兩測(cè)斜管間的每層土體沉降速率一致。隨著拋石等上部荷載的施加，深層土體勢(shì)必由總應(yīng)力大的中心位置經(jīng)測(cè)斜管邊界處向總應(yīng)力小的外側(cè)側(cè)向變形，不考慮向堤身軸向的側(cè)向變形，也不考慮向總應(yīng)力更大的下層土體的側(cè)向變形，內(nèi)外兩側(cè)測(cè)斜管為限制邊界。

圖3 典型觀測(cè)斷面布置示意圖

如圖4，分析磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的附加沉降，t1 時(shí)刻磁環(huán)N 代表土層的標(biāo)高為HN-t1，t1 時(shí)刻磁環(huán)N+1 代表土層的標(biāo)高為HN+1-t1，t2 時(shí)刻磁環(huán)N 代表土層的標(biāo)高為HN-t2，t2 時(shí)刻磁環(huán)N+1 代表土層的標(biāo)高為HN+1-t2，t1 到t2 時(shí)刻磁環(huán)N 以下土層總變形量ΔH總-N下=HN-t1-HN-t2，t1 時(shí)刻磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層原總厚度h原=HN-t1-HN+1-t1，t2時(shí)刻磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層現(xiàn)總厚度h現(xiàn)=HN-t2-HN+1-t2，t1 到t2 時(shí)刻磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層總變形量ΔH總-本層=h原-h現(xiàn)，這個(gè)量就是分層沉降直接觀測(cè)到的該土層的總的變形量。以每0.5m為一個(gè)計(jì)算單位，按公式計(jì)算梯形面積=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到外側(cè)測(cè)斜管磁環(huán)N 代表土層以下土體向外側(cè)位移總面積ΔS外-N，內(nèi)側(cè)測(cè)斜管磁環(huán)N 代表土層以下土體向內(nèi)側(cè)位移總面積ΔS內(nèi)-N，磁環(huán)N 下土體向兩側(cè)位移總面積Δ 總=ΔS外-N+ΔS內(nèi)-N，磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間土層向兩側(cè)位移總面積ΔS側(cè)向-本層=ΔS總-N-ΔS總-N+1，這個(gè)增大的面積可以認(rèn)為是磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層最上端的S側(cè)向-本層-原流動(dòng)和固結(jié)所致。兩測(cè)斜管間距為L(zhǎng)，磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層原來總面積S總-本層-原=L×h原，而土層現(xiàn)總面積S總-本層-現(xiàn)=L×h現(xiàn)，磁環(huán)N與磁環(huán)N+1 之間的土層固結(jié)比例m=S總-本層-原/S總-本層-現(xiàn)，那么可以得到S側(cè)向-本層-原=ΔS本層-側(cè)向×m，側(cè)向變形附加沉降值ΔH變附加=S總-本層-原/L，而S固結(jié)-原1=ΔH總-N 下×L-S側(cè)向-本層-原，S固結(jié)-后2=ΔH總-N+1下×L，則磁環(huán)N與磁環(huán)N+1 之間的土層固結(jié)沉降量ΔH固結(jié)=((S固結(jié)-原1+S固結(jié)-原2)-(S固結(jié)-后1+S固結(jié)-后2))/L=(S固結(jié)-原1-S固結(jié)-后2)/L=(ΔH總-N下×L -S側(cè)向-本層-原-ΔH下總-N+1×L)/L=(ΔH下總-N-ΔH下總-N+1)-S側(cè)向-本層-原/L=ΔH總-本層-S側(cè)向-本層-原/L。

圖4 附加沉降分析方法原理圖

綜上所述，兩側(cè)埋設(shè)測(cè)斜管后，相鄰兩磁環(huán)間的土層的側(cè)向變形附加沉降等于相鄰兩磁環(huán)間的土層兩測(cè)斜管之間土體向兩側(cè)變形的面積，乘以土層固結(jié)比例，除以兩測(cè)斜管的間距。

3.2 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)校核初探

綜上所述，相鄰兩磁環(huán)間的土層總的變形量ΔH總-本層，除以固結(jié)沉降量ΔH固結(jié)，就是該土層的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值MS=ΔH總-本層/ΔH固結(jié)。可以通過兩側(cè)埋設(shè)測(cè)斜管，同時(shí)進(jìn)行分層沉降觀測(cè)和測(cè)斜位移觀測(cè)，獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校核，而且每層土質(zhì)不一樣，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值應(yīng)該是不一樣的。

4 工程案例分析

舟山某圍堤[1-5]項(xiàng)目，采用拋石成堤技術(shù)，堤身最低潮位露出水面后，在典型斷面0+700 堤身中心埋設(shè)了一個(gè)分層沉降觀測(cè)點(diǎn)，共布置9 個(gè)磁環(huán)，磁環(huán)09 的埋設(shè)標(biāo)高為-31.299 m。堤內(nèi)外側(cè)埋設(shè)各有一根測(cè)斜管，管子底部標(biāo)高都約在-46.78 m。分層、堤內(nèi)測(cè)斜、堤外測(cè)斜等3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都從第1年01 月22 日開始，統(tǒng)計(jì)到第2 年03 月27 日。

測(cè)斜位移觀測(cè)：每0.5 m 測(cè)一次測(cè)斜位移值，以朝向海的一側(cè)為位移正方向，按公式每0.5 m 的位移量=(高的輪朝向海時(shí)的電位值-高的輪朝向岸時(shí)的電位值)/2×0.02(mm)，向上累加，以橫坐標(biāo)X表示水平位移量，縱坐標(biāo)Y 表示埋設(shè)標(biāo)高，得到兩次觀測(cè)時(shí)間下測(cè)斜管代表的各深層土體與鉛垂線的絕對(duì)位移量如圖5。以第1 年01 月22 日為相對(duì)零點(diǎn)，得到第2 年03 月27 日的相對(duì)位移量如圖6。

圖5 0+700 內(nèi)外側(cè)測(cè)斜與鉛垂線的絕對(duì)位移量

圖6 0+700 內(nèi)外側(cè)測(cè)斜相對(duì)位移量

由圖5 代表圍堤內(nèi)側(cè)測(cè)斜管第1 年01 月22 日絕對(duì)位移量的左側(cè)藍(lán)色近似直線和代表圍堤外側(cè)測(cè)斜管第1 年01 月22 日絕對(duì)位移量的綠色近似直線可以看出，埋設(shè)的測(cè)斜管很難埋設(shè)成鉛錘線，只能是一條與鉛垂線有夾角 θ 的近似直線，Tanθ=ΔX/ΔY，即為擬合方程的斜率。那么，第1年01 月22 日的內(nèi)側(cè)測(cè)斜管絕對(duì)位移量直線擬合后，得到的 Tanθ=23.957 mm/1 m=0.023957，θ=1.37237 度，第1 年01 月22 日的外側(cè)測(cè)斜管絕對(duì)位移量直線擬合后，得到的Tanθ=39.294 mm/1 m=0.039294，θ=2.25022 度。

第2 年03 月27 日的相對(duì)第1 年01 月22 日的位移量，以每0.5 m 為一個(gè)計(jì)算單位，按公式計(jì)算梯形面積=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到磁環(huán)01 初始標(biāo)高以下對(duì)應(yīng)的所有土層在外側(cè)測(cè)斜管處偏出的面積ΔS外-01(mm×m)，如圖6 藍(lán)色區(qū)域所示，得到磁環(huán)01 初始標(biāo)高以下對(duì)應(yīng)的所有土層在內(nèi)側(cè)測(cè)斜管處偏出的面積ΔS內(nèi)-01(mm×m)，如圖6 綠色區(qū)域所示，分別計(jì)算其他編號(hào)磁環(huán)對(duì)應(yīng)的面積值，假設(shè)土體水平位移造成土體非固結(jié)沉降在兩測(cè)斜管之間的距離(33.369 m)范圍內(nèi)是均勻的，斷面0+700 分層沉降觀測(cè)過程線如圖7。

圖7 斷面0+700 分層沉降觀測(cè)過程線

根據(jù)斷面0+700 側(cè)向變形附加沉降計(jì)算結(jié)果可知，側(cè)向變形導(dǎo)致的附加沉降占比在5.27～31.68 %，推算的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在1.06-1.46 之間。

5 結(jié)語

1）鉆孔埋設(shè)時(shí)要盡量保證鉆桿的垂直度，當(dāng)測(cè)斜位移觀測(cè)發(fā)現(xiàn)分層管傾斜角θ 較大時(shí)，應(yīng)對(duì)每次的分層沉降值進(jìn)行豎向修正，即實(shí)際沉降值ΔH=ΔL×COSθ；

2）在圍堤施工觀測(cè)中，因?yàn)閲淌┕さ奶厥庑裕躺硐录捌溆绊懛秶鷥?nèi)的深層土體在受到上部荷載的作用時(shí)，深層土體會(huì)朝兩側(cè)側(cè)向變形而造成土體沉降，觀測(cè)得到的分層沉降包含側(cè)向變形附加沉降和地基固結(jié)沉降等；

3）當(dāng)?shù)躺硐录捌溆绊懛秶鷥?nèi)的深層土體側(cè)向變形較大時(shí)，側(cè)向變形附加沉降占的比例會(huì)較大，可考慮按附加沉降分析方法對(duì)分層沉降值進(jìn)行適當(dāng)修正，才能更好的進(jìn)行地基處理效果的分析；

4）沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值，因每層土質(zhì)不一樣，取值是不一樣的，按土質(zhì)不同分開取值更合理。