适应土体密度变化的分层沉降环

朱克亮， 邵先锋

(国网安徽省电力有限公司建设分公司, 湖北合肥 230022)

1 概述

分层沉降观测是测定土体内部各分层土的沉降量、沉降速率以及压缩层厚度的有效方法，通常可采用分层沉降仪(分层沉降计)对土体进行分层沉降观测[1-2]。分层沉降仪的测量系统主要由对磁性材料敏感的探头、带刻度的标尺、电感探测装置以及埋设于土层中的沉降磁环和沉降管组成。其中，沉降管一般由柔性塑料管制成，沉降管外每隔一定距离套设一个沉降磁环，地层沉降时带动沉降磁环同步下沉。当探头从钻孔中缓慢下放遇到预埋在钻孔中的沉降磁环时，电感探测装置上的蜂鸣器就会发出叫声，这时根据标尺在孔口的刻度，就可以计算沉降磁环所在位置与孔口的距离。通过对比随时间变化各沉降磁环所在位置的变化，得出各地层随时间的位移变化情况。

安装沉降磁环时，首先需要钻孔，钻孔完成后一般需要对孔底进行清洗，将套接有沉降磁环的沉降管放入钻孔中，沉降管可逐节连接至略深于预设监测点的深度处，沉降磁环一般置于地层分界处，利用纸线将沉降磁环固定在沉降管上，待纸线在钻孔中遇水后崩断，沉降磁环的锚固铁片弹开嵌入土体中后，用中粗砂填充沉降管外壁与钻孔内壁的间隙，然后固定沉降管管口，沉降磁环安装即可完成，后续可基于各沉降磁环进行分层沉降观测[3-4]。

沉降磁环是沉降测量系统中的关键部件，外壳注塑成形，内安装磁性材料，与沉降仪的探头性能相配合。常见的沉降磁环如图1所示，其外壳体积固定，整体密度为定值，在后续使用过程中起总体密度无法发生改变。而分层沉降仪使用的环境千变万化，不同工程中沉降磁环周边土体的密度差别较大。如在滩涂围填工程中，土体通常为强度低、含水量大、渗透性差以及压缩性高的淤泥和淤泥质粘土，土体密度较小，沉降磁环埋设在该环境中进行沉降监测时，沉降磁环的密度往往大于周边土体的密度，即土体未发生沉降时沉降磁环也能由于自重而发生下沉，进而引起监测数据的不准确；而在一些低水位的高填方工程中，填土密度往往大于沉降磁环的密度，沉降磁环的下沉与土体的下沉往往不同步。可见，传统沉降磁环总体密度固定不变的设计方法，难以有效适应各类场地环境，有可能导致监测数据存在一定的误差[5- 6]。

图1 常用沉降环实物

可见，有必要发展一种总密度可按需调整的分层沉降磁环。

2 总密度可按需调整的沉降磁环

本文拟提供一种总密度可按需调整的分层沉降磁环，其结构简单、组装方便，可按需调整沉降磁环的总体密度，以便适应各类场地环境。

一种总密度可按需调整的分层沉降磁环(图2～图5)，包括刚性外壳与弹性外壳；刚性外壳呈轴对称状态，中部设圆柱形孔洞供沉降管穿越，刚性外壳上均匀、对称的设置多个锚固铁片，磁性材料安装在刚性外壳的内部；刚性外壳沿外侧环向设置环状凹槽，弹性外壳能正好嵌入该环状凹槽内；弹性外壳由弹性材料制成，内部中空，弹性外壳上设置一个可打开与封闭的连接口，通过连接口可向弹性外壳的内部填入不同密度的散体材料；弹性外壳通过张拉发生弹性变形可套入刚性外壳的环状凹槽内、或从刚性外壳的环状凹槽内取出；弹性外壳嵌入刚性外壳的环状凹槽后，在沉降监测工作过程中弹性外壳无法从刚性外壳上自行脱落。

图2 新型沉降环三维结构示意

图3 沉降环的刚性外壳结构示意

图4 沉降环的弹性外壳结构示意

图5 沉降环剖面

弹性外壳嵌入刚性外壳的凹槽后，弹性外壳与刚性外壳之间相互接触紧密，整体外轮廓呈连续、浑圆分布状，弹性外壳与刚性外壳之间无明显间隙。弹性外壳内按需装入不同重量的散体材料后，可使各沉降磁环的总体密度与其工作状态时周边土体的密度相等。

弹性外壳内按需装入不同重量的散体材料后，可使各沉降磁环的总体密度与其工作状态时周边土体的密度相等。弹性外壳内部中空，基于连接口可向弹性外壳内部填充物质，且填入物质后基于连接口可进行固定与封口，使弹性外壳内部的物质不会外溢。如果沉降磁环的总体密度较大，可向弹性外壳内部装入密度较大的铁砂颗粒；如果沉降磁环的总体密度适中，可向弹性外壳内部装入砂砾、沙土等；如果沉降磁环的总体密度较小，可向弹性外壳内部装入水、黏土等。总之，可以参照工作环境中沉降磁环周边土体的密度，设计并配置使沉降磁环的总体密度与其周边的土体密度相等。

进一步地，同一钻孔中不同位置处的土体密度也不尽相同，因此，可逐个配置各沉降磁环的总体密度，使各沉降磁环的总体密度与其工作位置处的土体密度相等。即可实现同一套管上的各个沉降磁环的密度互不相同，这是传统沉降磁环无法实现的。沉降磁环的总体密度与其工作状态时周边土体的密度相等，消除了沉降磁环与周边土体重度不一致对沉降监测数据的影响，提高了分层沉降的观测精度。

通过张拉弹性外壳发生弹性变形可使其方便的套入刚性外壳或从刚性外壳上取出，便于独立的向弹性外壳内填充物质，也便于工作结束后清洗各部件，操作方便，效率高。

与现有技术相比，该沉降环的优点为：(1)沉降磁环的密度可按需调整，基于连接口向弹性外壳内按需装入不同重量的散体材料后，可使沉降磁环的总体密度与其工作状态时周边土体的密度相等，消除了沉降磁环与周边土体重度不一致对沉降监测的影响，提高了分层沉降的观测精度。(2)通过张拉弹性外壳发生弹性变形可使其方便的套入刚性外壳或从刚性外壳上取出，便于独立的向弹性外壳内填充物质，也便于工作结束后清洗各部件，操作方便，效率高。

3 结论

文章提出了一种总密度可按需调整的分层沉降磁环，包括刚性外壳与弹性外壳，向弹性外壳的内部填入不同密度的散体材料，可使沉降磁环的总体密度与其工作状态时周边土体的密度相等，消除了沉降磁环与周边土体重度不一致对沉降监测的影响，提高了分层沉降的观测精度。