围堤地基固结沉降与侧向变形附加沉降分析

夏超群，于 伟，陈琪林

（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.上海航源港口工程质量检测有限公司，上海 201208）

1 分层沉降观测原理

分层沉降观测[6-10]原理示意如图1，是利用分层沉降仪测量套在分层沉降管外编号为01、02、03…N 的磁环高程来对各磁环所代表的深层土体沉降值进行观测的一种方法。该方法采用钻孔埋设，钻孔垂直偏差率应越小越好，成孔后清孔，将外套磁环的分层沉降管放置于钻孔中，磁环的布置位置按照设计图纸要求进行。埋设完毕后等到埋设孔周围的土体达到基本稳定后，用水准仪来观测得到分层管管顶高程H0，用分层沉降仪来观测得到磁环离分层管管顶的深度h01-0、h02-0、h03-0…hN-0(当垂直偏差率较小时，各磁环到管顶的深度就是测尺的长度L，当垂直偏差率较大时应把长度值L 换算成深度值h)，按公式高程HN-0=H0-hN-0，换算出各磁环的初始高程H01-0、H02-0、H03-0…HN-0。随后按设计要求的观测频率，t1时刻，用水准仪来观测分层管管顶高程Ht1，用分层沉降仪来观测磁环离分层管管顶的深度h01-t1、h02-t1、h03-t1...hN-t1，观测得到各磁环的高程值H01-t1、H02-t1、H03-t1…HN-t1，按公式分层沉降值SN-t1=H0-HN-t1，求出变化量，得到各磁环所代表的各土层的分层沉降值S01-t1、S02-t1、S03-t1…SN-t1；t2 时刻，观测得到分层沉降值S01-t2、S02-t2、S03-t2…SN-t2，按公式分层沉降速率VN-t1-t2=(SN-t1-SN-t2)/(t2-t1)，求出各磁环的分层沉降速率V01-t1-t2、V02-t1-t2、V03-t1-t2…VN-t1-t2。

图1 分层沉降观测原理示意图

2 分层沉降管的倾斜修正

分层沉降管的埋设很难埋设成铅锤线，只能是一条与铅垂线有夹角θ 的近似直线，同时在上部荷载的作用下深层土体通常会发生比较大的侧向变形，也会使得分层沉降管发生比较大的倾斜变形。分层沉降仪的测尺沿着分层管运动，观测到的是磁环沿分层管方向的长度变化值ΔL。在管顶标高不变的情况下，某磁环的真实沉降值ΔH=ΔL×COSθ，当θ=0 时，ΔH=ΔL×COSθ=ΔL。那么为了保证真实沉降值ΔH 与长度变化值ΔL 尽可能的接近，要求θ尽可能的小，θ 较大时采用原理如图2 应进行竖向修正。采用测斜仪，测出整个分层管的侧向位移绝对值求出各个倾斜角度θ。各个倾斜角度θ 计算表见表1。

图2 竖向修正示意图

表1 分层管倾斜角度θ 计算表

3 侧向变形附加沉降分析方法

3.1 侧向变形附加沉降分析方法

如图3 的典型观测断面布置示意图所示，通长袋和砂肋软体排下面是原始的软弱土层，堤身内外两侧都埋设有测斜管。假定每层土均为整体沉降，即假定两测斜管间的每层土体沉降速率一致。随着抛石等上部荷载的施加，深层土体势必由总应力大的中心位置经测斜管边界处向总应力小的外侧侧向变形，不考虑向堤身轴向的侧向变形，也不考虑向总应力更大的下层土体的侧向变形，内外两侧测斜管为限制边界。

图3 典型观测断面布置示意图

如图4，分析磁环N 与磁环N+1 之间的附加沉降，t1 时刻磁环N 代表土层的标高为HN-t1，t1 时刻磁环N+1 代表土层的标高为HN+1-t1，t2 时刻磁环N 代表土层的标高为HN-t2，t2 时刻磁环N+1 代表土层的标高为HN+1-t2，t1 到t2 时刻磁环N 以下土层总变形量ΔH总-N下=HN-t1-HN-t2，t1 时刻磁环N 与磁环N+1 之间的土层原总厚度h原=HN-t1-HN+1-t1，t2时刻磁环N 与磁环N+1 之间的土层现总厚度h现=HN-t2-HN+1-t2，t1 到t2 时刻磁环N 与磁环N+1 之间的土层总变形量ΔH总-本层=h原-h现，这个量就是分层沉降直接观测到的该土层的总的变形量。以每0.5m为一个计算单位，按公式计算梯形面积=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到外侧测斜管磁环N 代表土层以下土体向外侧位移总面积ΔS外-N，内侧测斜管磁环N 代表土层以下土体向内侧位移总面积ΔS内-N，磁环N 下土体向两侧位移总面积Δ 总=ΔS外-N+ΔS内-N，磁环N 与磁环N+1 之间土层向两侧位移总面积ΔS侧向-本层=ΔS总-N-ΔS总-N+1，这个增大的面积可以认为是磁环N 与磁环N+1 之间的土层最上端的S侧向-本层-原流动和固结所致。两测斜管间距为L，磁环N 与磁环N+1 之间的土层原来总面积S总-本层-原=L×h原，而土层现总面积S总-本层-现=L×h现，磁环N与磁环N+1 之间的土层固结比例m=S总-本层-原/S总-本层-现，那么可以得到S侧向-本层-原=ΔS本层-侧向×m，侧向变形附加沉降值ΔH变附加=S总-本层-原/L，而S固结-原1=ΔH总-N 下×L-S侧向-本层-原，S固结-后2=ΔH总-N+1下×L，则磁环N与磁环N+1 之间的土层固结沉降量ΔH固结=((S固结-原1+S固结-原2)-(S固结-后1+S固结-后2))/L=(S固结-原1-S固结-后2)/L=(ΔH总-N下×L -S侧向-本层-原-ΔH下总-N+1×L)/L=(ΔH下总-N-ΔH下总-N+1)-S侧向-本层-原/L=ΔH总-本层-S侧向-本层-原/L。

图4 附加沉降分析方法原理图

综上所述，两侧埋设测斜管后，相邻两磁环间的土层的侧向变形附加沉降等于相邻两磁环间的土层两测斜管之间土体向两侧变形的面积，乘以土层固结比例，除以两测斜管的间距。

3.2 沉降计算经验系数校核初探

综上所述，相邻两磁环间的土层总的变形量ΔH总-本层，除以固结沉降量ΔH固结，就是该土层的沉降计算经验系数值MS=ΔH总-本层/ΔH固结。可以通过两侧埋设测斜管，同时进行分层沉降观测和测斜位移观测，获取数据进行分析校核，而且每层土质不一样，沉降计算经验系数值应该是不一样的。

4 工程案例分析

舟山某围堤[1-5]项目，采用抛石成堤技术，堤身最低潮位露出水面后，在典型断面0+700 堤身中心埋设了一个分层沉降观测点，共布置9 个磁环，磁环09 的埋设标高为-31.299 m。堤内外侧埋设各有一根测斜管，管子底部标高都约在-46.78 m。分层、堤内测斜、堤外测斜等3 个观测点的数据都从第1年01 月22 日开始，统计到第2 年03 月27 日。

测斜位移观测：每0.5 m 测一次测斜位移值，以朝向海的一侧为位移正方向，按公式每0.5 m 的位移量=(高的轮朝向海时的电位值-高的轮朝向岸时的电位值)/2×0.02(mm)，向上累加，以横坐标X表示水平位移量，纵坐标Y 表示埋设标高，得到两次观测时间下测斜管代表的各深层土体与铅垂线的绝对位移量如图5。以第1 年01 月22 日为相对零点，得到第2 年03 月27 日的相对位移量如图6。

图5 0+700 内外侧测斜与铅垂线的绝对位移量

图6 0+700 内外侧测斜相对位移量

由图5 代表围堤内侧测斜管第1 年01 月22 日绝对位移量的左侧蓝色近似直线和代表围堤外侧测斜管第1 年01 月22 日绝对位移量的绿色近似直线可以看出，埋设的测斜管很难埋设成铅锤线，只能是一条与铅垂线有夹角 θ 的近似直线，Tanθ=ΔX/ΔY，即为拟合方程的斜率。那么，第1年01 月22 日的内侧测斜管绝对位移量直线拟合后，得到的 Tanθ=23.957 mm/1 m=0.023957，θ=1.37237 度，第1 年01 月22 日的外侧测斜管绝对位移量直线拟合后，得到的Tanθ=39.294 mm/1 m=0.039294，θ=2.25022 度。

第2 年03 月27 日的相对第1 年01 月22 日的位移量，以每0.5 m 为一个计算单位，按公式计算梯形面积=(上底+下底)×高/2，向上累加，得到磁环01 初始标高以下对应的所有土层在外侧测斜管处偏出的面积ΔS外-01(mm×m)，如图6 蓝色区域所示，得到磁环01 初始标高以下对应的所有土层在内侧测斜管处偏出的面积ΔS内-01(mm×m)，如图6 绿色区域所示，分别计算其他编号磁环对应的面积值，假设土体水平位移造成土体非固结沉降在两测斜管之间的距离(33.369 m)范围内是均匀的，断面0+700 分层沉降观测过程线如图7。

图7 断面0+700 分层沉降观测过程线

根据断面0+700 侧向变形附加沉降计算结果可知，侧向变形导致的附加沉降占比在5.27～31.68 %，推算的沉降计算经验系数在1.06-1.46 之间。

5 结语

1）钻孔埋设时要尽量保证钻杆的垂直度，当测斜位移观测发现分层管倾斜角θ 较大时，应对每次的分层沉降值进行竖向修正，即实际沉降值ΔH=ΔL×COSθ；

2）在围堤施工观测中，因为围堤施工的特殊性，堤身下及其影响范围内的深层土体在受到上部荷载的作用时，深层土体会朝两侧侧向变形而造成土体沉降，观测得到的分层沉降包含侧向变形附加沉降和地基固结沉降等；

3）当堤身下及其影响范围内的深层土体侧向变形较大时，侧向变形附加沉降占的比例会较大，可考虑按附加沉降分析方法对分层沉降值进行适当修正，才能更好的进行地基处理效果的分析；

4）沉降计算经验系数值，因每层土质不一样，取值是不一样的，按土质不同分开取值更合理。