圍堤地基固結沉降與側向變形附加沉降分析

夏超群，于 偉，陳琪林

（1.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120；2.上海航源港口工程質量檢測有限公司，上海 201208）

1 分層沉降觀測原理

分層沉降觀測[6-10]原理示意如圖1，是利用分層沉降儀測量套在分層沉降管外編號為01、02、03…N 的磁環(huán)高程來對各磁環(huán)所代表的深層土體沉降值進行觀測的一種方法。該方法采用鉆孔埋設，鉆孔垂直偏差率應越小越好，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)的布置位置按照設計圖紙要求進行。埋設完畢后等到埋設孔周圍的土體達到基本穩(wěn)定后，用水準儀來觀測得到分層管管頂高程H0，用分層沉降儀來觀測得到磁環(huán)離分層管管頂的深度h01-0、h02-0、h03-0…h(huán)N-0(當垂直偏差率較小時，各磁環(huán)到管頂的深度就是測尺的長度L，當垂直偏差率較大時應把長度值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。隨后按設計要求的觀測頻率，t1時刻，用水準儀來觀測分層管管頂高程Ht1，用分層沉降儀來觀測磁環(huán)離分層管管頂的深度h01-t1、h02-t1、h03-t1...hN-t1，觀測得到各磁環(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 時刻，觀測得到分層沉降值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 分層沉降觀測原理示意圖

2 分層沉降管的傾斜修正

分層沉降管的埋設很難埋設成鉛錘線，只能是一條與鉛垂線有夾角θ 的近似直線，同時在上部荷載的作用下深層土體通常會發(fā)生比較大的側向變形，也會使得分層沉降管發(fā)生比較大的傾斜變形。分層沉降儀的測尺沿著分層管運動，觀測到的是磁環(huán)沿分層管方向的長度變化值ΔL。在管頂標高不變的情況下，某磁環(huán)的真實沉降值ΔH=ΔL×COSθ，當θ=0 時，ΔH=ΔL×COSθ=ΔL。那么為了保證真實沉降值ΔH 與長度變化值ΔL 盡可能的接近，要求θ盡可能的小，θ 較大時采用原理如圖2 應進行豎向修正。采用測斜儀，測出整個分層管的側向位移絕對值求出各個傾斜角度θ。各個傾斜角度θ 計算表見表1。

圖2 豎向修正示意圖

表1 分層管傾斜角度θ 計算表

3 側向變形附加沉降分析方法

3.1 側向變形附加沉降分析方法

如圖3 的典型觀測斷面布置示意圖所示，通長袋和砂肋軟體排下面是原始的軟弱土層，堤身內外兩側都埋設有測斜管。假定每層土均為整體沉降，即假定兩測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，深層土體勢必由總應力大的中心位置經測斜管邊界處向總應力小的外側側向變形，不考慮向堤身軸向的側向變形，也不考慮向總應力更大的下層土體的側向變形，內外兩側測斜管為限制邊界。

圖3 典型觀測斷面布置示意圖

如圖4，分析磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的附加沉降，t1 時刻磁環(huán)N 代表土層的標高為HN-t1，t1 時刻磁環(huán)N+1 代表土層的標高為HN+1-t1，t2 時刻磁環(huán)N 代表土層的標高為HN-t2，t2 時刻磁環(huán)N+1 代表土層的標高為HN+1-t2，t1 到t2 時刻磁環(huán)N 以下土層總變形量ΔH總-N下=HN-t1-HN-t2，t1 時刻磁環(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時刻磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層現總厚度h現=HN-t2-HN+1-t2，t1 到t2 時刻磁環(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，這個量就是分層沉降直接觀測到的該土層的總的變形量。以每0.5m為一個計算單位，按公式計算梯形面積=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到外側測斜管磁環(huán)N 代表土層以下土體向外側位移總面積ΔS外-N，內側測斜管磁環(huán)N 代表土層以下土體向內側位移總面積ΔS內-N，磁環(huán)N 下土體向兩側位移總面積Δ 總=ΔS外-N+ΔS內-N，磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間土層向兩側位移總面積ΔS側向-本層=ΔS總-N-ΔS總-N+1，這個增大的面積可以認為是磁環(huán)N 與磁環(huán)N+1 之間的土層最上端的S側向-本層-原流動和固結所致。兩測斜管間距為L，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，而土層現總面積S總-本層-現=L×h現，磁環(huán)N與磁環(huán)N+1 之間的土層固結比例m=S總-本層-原/S總-本層-現，那么可以得到S側向-本層-原=ΔS本層-側向×m，側向變形附加沉降值ΔH變附加=S總-本層-原/L，而S固結-原1=ΔH總-N 下×L-S側向-本層-原，S固結-后2=ΔH總-N+1下×L，則磁環(huán)N與磁環(huán)N+1 之間的土層固結沉降量ΔH固結=((S固結-原1+S固結-原2)-(S固結-后1+S固結-后2))/L=(S固結-原1-S固結-后2)/L=(ΔH總-N下×L -S側向-本層-原-ΔH下總-N+1×L)/L=(ΔH下總-N-ΔH下總-N+1)-S側向-本層-原/L=ΔH總-本層-S側向-本層-原/L。

圖4 附加沉降分析方法原理圖

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

3.2 沉降計算經驗系數校核初探

綜上所述，相鄰兩磁環(huán)間的土層總的變形量ΔH總-本層，除以固結沉降量ΔH固結，就是該土層的沉降計算經驗系數值MS=ΔH總-本層/ΔH固結?？梢酝ㄟ^兩側埋設測斜管，同時進行分層沉降觀測和測斜位移觀測，獲取數據進行分析校核，而且每層土質不一樣，沉降計算經驗系數值應該是不一樣的。

4 工程案例分析

舟山某圍堤[1-5]項目，采用拋石成堤技術，堤身最低潮位露出水面后，在典型斷面0+700 堤身中心埋設了一個分層沉降觀測點，共布置9 個磁環(huán)，磁環(huán)09 的埋設標高為-31.299 m。堤內外側埋設各有一根測斜管，管子底部標高都約在-46.78 m。分層、堤內測斜、堤外測斜等3 個觀測點的數據都從第1年01 月22 日開始，統(tǒng)計到第2 年03 月27 日。

測斜位移觀測：每0.5 m 測一次測斜位移值，以朝向海的一側為位移正方向，按公式每0.5 m 的位移量=(高的輪朝向海時的電位值-高的輪朝向岸時的電位值)/2×0.02(mm)，向上累加，以橫坐標X表示水平位移量，縱坐標Y 表示埋設標高，得到兩次觀測時間下測斜管代表的各深層土體與鉛垂線的絕對位移量如圖5。以第1 年01 月22 日為相對零點，得到第2 年03 月27 日的相對位移量如圖6。

圖5 0+700 內外側測斜與鉛垂線的絕對位移量

圖6 0+700 內外側測斜相對位移量

由圖5 代表圍堤內側測斜管第1 年01 月22 日絕對位移量的左側藍色近似直線和代表圍堤外側測斜管第1 年01 月22 日絕對位移量的綠色近似直線可以看出，埋設的測斜管很難埋設成鉛錘線，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 日的內側測斜管絕對位移量直線擬合后，得到的 Tanθ=23.957 mm/1 m=0.023957，θ=1.37237 度，第1 年01 月22 日的外側測斜管絕對位移量直線擬合后，得到的Tanθ=39.294 mm/1 m=0.039294，θ=2.25022 度。

第2 年03 月27 日的相對第1 年01 月22 日的位移量，以每0.5 m 為一個計算單位，按公式計算梯形面積=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到磁環(huán)01 初始標高以下對應的所有土層在外側測斜管處偏出的面積ΔS外-01(mm×m)，如圖6 藍色區(qū)域所示，得到磁環(huán)01 初始標高以下對應的所有土層在內側測斜管處偏出的面積ΔS內-01(mm×m)，如圖6 綠色區(qū)域所示，分別計算其他編號磁環(huán)對應的面積值，假設土體水平位移造成土體非固結沉降在兩測斜管之間的距離(33.369 m)范圍內是均勻的，斷面0+700 分層沉降觀測過程線如圖7。

圖7 斷面0+700 分層沉降觀測過程線

根據斷面0+700 側向變形附加沉降計算結果可知，側向變形導致的附加沉降占比在5.27～31.68 %，推算的沉降計算經驗系數在1.06-1.46 之間。

5 結語

1）鉆孔埋設時要盡量保證鉆桿的垂直度，當測斜位移觀測發(fā)現分層管傾斜角θ 較大時，應對每次的分層沉降值進行豎向修正，即實際沉降值ΔH=ΔL×COSθ；

2）在圍堤施工觀測中，因為圍堤施工的特殊性，堤身下及其影響范圍內的深層土體在受到上部荷載的作用時，深層土體會朝兩側側向變形而造成土體沉降，觀測得到的分層沉降包含側向變形附加沉降和地基固結沉降等；

3）當堤身下及其影響范圍內的深層土體側向變形較大時，側向變形附加沉降占的比例會較大，可考慮按附加沉降分析方法對分層沉降值進行適當修正，才能更好的進行地基處理效果的分析；

4）沉降計算經驗系數值，因每層土質不一樣，取值是不一樣的，按土質不同分開取值更合理。