摘 要 原型觀測技術(shù)更多使用于建筑物填筑出水后通過鉆孔預(yù)埋設(shè)備的情況. 對于水下建筑物軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)方法的研究與應(yīng)用較少，難以解決水下建筑物軟土地基的變形問題，尤其是施工及運行期內(nèi)始終位于水下的建筑物，因此有必要開展水下監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究. 本文針對性提出水下軟基土體變形量測的無線傳輸成套技術(shù)方法并獲得了完整的加載期間的地基土變形過程，研究結(jié)果對海上構(gòu)筑物安全建造與相關(guān)工程有指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞 軟土地基；水下監(jiān)測；原位測試；沉降計算；深厚沖積地層護(hù)灘堤

中圖分類號 TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

0 引 言

軟土地基[1-2]天然含水率高、透水性差、壓縮性大、強(qiáng)度低，地基承載力及穩(wěn)定性差，因而荷載作用下軟土地基變形量較大. 然而傳統(tǒng)的軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)[3]適用于水面以上的建筑物，難以解決水下建筑物軟土地基的變形監(jiān)測問題. 因此有必要進(jìn)一步研究護(hù)灘堤的水下觀測技術(shù)[4].

護(hù)灘堤[5]處于大水深、高流速的江底，因此，在堤軸線等關(guān)鍵位置搭設(shè)觀測平臺存在施工干擾過大、儀器設(shè)備保護(hù)困難等問題. 目前對水下建筑物施工與運營期軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用中，難以準(zhǔn)確測得加載的全過程軟土地基的土體沉降過程. 以往關(guān)于海堤變形監(jiān)測的研究[6]中，運用測斜儀監(jiān)測地基實時位移狀態(tài)，但直接使用自動化程度較低，因此，在后續(xù)的監(jiān)測過程中，應(yīng)積極探索大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用. 在數(shù)據(jù)采集方面，周秘[7]采用GNSSRTK技術(shù)輔以導(dǎo)航測深軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，但只能對水下地形進(jìn)行監(jiān)測分析，難以對變形進(jìn)行有效監(jiān)測. 關(guān)于水下設(shè)備管線的保護(hù)方面，王延寧等[8]采用多種技術(shù)手段保證儀器埋設(shè)成功率，在導(dǎo)線接頭及導(dǎo)線保護(hù)方面給了很大的啟發(fā).

本研究從長江口南槽航道治理工程的深厚沖積地層護(hù)灘堤的原型觀測為依托，針對性提出水下軟基土體變形監(jiān)測的無線傳輸成套技術(shù). 在實際工程中進(jìn)行水下軟土地基變形監(jiān)測，同時，計算分析地基沉降，將計算值和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比. 結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確獲得拋石加載期地基沉降，確保施工安全穩(wěn)定.

1 工程背景

護(hù)灘堤工程[9-10]始終處于大水深、高流速的江底，在堤軸線等關(guān)鍵位置搭設(shè)觀測平臺對施工干擾過大、儀器設(shè)備保護(hù)極為困難. 目前對水下建筑物軟土地基變形監(jiān)測技術(shù)方法尤其是施工及運行期內(nèi)始終位于水下的建筑物的研究與應(yīng)用較少，難以準(zhǔn)確測得加載的全過程軟土地基的土體沉降和位移等變形過程.

1.1 工程地理位置

長江口南槽航道治理一期工程建設(shè)內(nèi)容包括整治建筑物工程. 整治建筑物工程沿江亞南沙南緣向下建設(shè)一條護(hù)灘堤，上游順接長江口深水航道分流魚嘴南線堤，總長約16 km，工程平面布置圖如圖1.

1.2 監(jiān)測斷面上部結(jié)構(gòu)

3＋850原型觀測斷面上部結(jié)構(gòu)為半圓體混合堤（如圖2），堤身較高，局部地形沖刷嚴(yán)重區(qū)域，考慮先采用拋填砂袋填平?jīng)_刷坑后再實施堤身結(jié)構(gòu). 堤頂高程＋2.0 m，為內(nèi)徑5.0 m，外徑5.5 m的半圓形構(gòu)件，下部直線段高2.5 m，壁厚0.5 m，底板厚0.8 m，底板、圓弧壁北側(cè)均設(shè)φ500 mm開孔. 兩側(cè)護(hù)肩寬4.0 m，采用 300～500 kg塊石，半圓形構(gòu)件下設(shè)10～100 kg拋石＋3層通長袋基床，堤兩側(cè)設(shè)5 m寬的100～300 kg拋石護(hù)腳棱體.

護(hù)底采用堤身砂肋軟體排＋混凝土聯(lián)鎖塊軟體余排組成的混合軟體排.

1.3 工程地質(zhì)

本工程土層分布情況如下：

（1） 灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：土質(zhì)不均，流塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾薄層狀粉砂；頂標(biāo)高-5.50 m，層厚7.70 m；標(biāo)貫實測擊數(shù)0～3擊，平均值1.4擊.

（2） 灰色淤泥質(zhì)黏土：土質(zhì)稍均，流塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾少量薄層粉砂；頂標(biāo)高-13.2 m，層厚7.30 m；標(biāo)貫實測擊數(shù)1～3擊，平均值2.1擊.

（3） 灰色黏土：土質(zhì)稍均，流塑～軟塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾粉砂團(tuán)塊，有光澤，干強(qiáng)度及韌性高；頂標(biāo)高-20.5 m，層厚8.2 m；標(biāo)貫實測擊數(shù)1～5擊，平均值3.3擊.

（4） 灰色粉質(zhì)黏土：土質(zhì)不均，軟塑狀，含云母，有機(jī)質(zhì)，夾薄層粉砂；頂標(biāo)高-28.7 m，層厚17.3 m；標(biāo)貫實測擊數(shù)4～7擊，平均值5.3擊.

2 水下軟土地基變形監(jiān)測

2.1 全斷面監(jiān)測

被測地基土體發(fā)生沉降時帶動沉降盤拉動位移計測桿，測桿拉動振弦的應(yīng)力發(fā)生變化，從而改變振弦振動頻率，電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測土體的沉降量. 采用定制的土體位移計. 連接后儲液罐傳感器如圖3.

2.2 分層沉降監(jiān)測

分層沉降測量儀選擇土體位移計監(jiān)測地基內(nèi)部垂直位移變化；土體位移計直接安裝在鉆孔里如圖4，以監(jiān)測多個土層的沉降，在下放的同時進(jìn)行傳感器測試，監(jiān)視傳感器是否正常，經(jīng)檢測合格后，將電纜進(jìn)行保護(hù)[8]，傳感器保護(hù)管如圖5.

2.3 深層土體測斜

目前最常規(guī)的監(jiān)測方式是固定式測斜儀. 采用鉆孔方式并安裝測斜管，按設(shè)計要求在測斜管內(nèi)不同高程安裝傾斜傳感器，即可獲取整治建筑物或結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同高程的水平位移狀態(tài)，這種應(yīng)用可方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測，并可準(zhǔn)確而連續(xù)地監(jiān)測整治建筑物或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部或剖面的變形情況. 當(dāng)某層土的沉降量估算大于位移計量程時采用兩個或更多個土體位移計儀串聯(lián)在一起監(jiān)測土層的沉降量. 多段式測斜儀安裝如圖6.

2.4 監(jiān)測分項布置與監(jiān)測頻率

水下軟土地基變形監(jiān)測[4]工作需與拋石施工交叉作業(yè)、避免互相干擾，電測儀器設(shè)備必須具有密封防水功能. 在3＋850斷面堤心軸線處布置1組分層沉降觀測點、航道內(nèi)側(cè)護(hù)腳處布置1組深層水平位移觀測點，在3＋850斷面堤心軸線及航道內(nèi)外側(cè)坡腳處各布置1組全斷面沉降觀測點，護(hù)灘堤水下監(jiān)測分項布置如圖7.

在施工期間每3天觀測1次，同時根據(jù)施工進(jìn)度調(diào)整. 斷面完工后前3個月每周1次，其后半年內(nèi)每1個月觀測1次，再后每3個月觀測1次，至竣工驗收為止. 使用期每半年觀測1次.

2.5 監(jiān)測流程

按規(guī)范要求布設(shè)監(jiān)測點，通過鉆孔的方式，在點位安裝相應(yīng)類型的監(jiān)測傳感器. 全斷面沉降觀測采用定制的土體位移計埋設(shè)在基床石高程面以下；分層沉降觀測采用常規(guī)土體位移計，沿測點深度按設(shè)計要求2～3 m（計劃2.3 m）間隔進(jìn)行埋設(shè)；地基深層測斜觀測采用固定式測斜儀，沿測點深度2 m間隔進(jìn)行埋設(shè). 傳感器埋設(shè)的同時，在堤腳附近搭建采集平臺，各傳感器埋設(shè)好的線纜接入采集平臺上的自動采集箱. 自動采集箱數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS或4G網(wǎng)絡(luò)等無線傳輸方式，實時、自動化傳輸至應(yīng)用數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、平臺軟件處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)變形分析，將成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布. 即將采集的數(shù)據(jù)通過4G最終傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)而再到用戶，自動監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.

2.6 檢測設(shè)備及安裝

相應(yīng)傳感器均采用水上鉆孔預(yù)埋方式，傳感器線纜經(jīng)江底引至水上觀測平臺，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)含數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽能板，通過加裝手機(jī)流量卡可實現(xiàn)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的無線傳輸. 鉆孔平臺現(xiàn)場如圖9（a）和9（b）.

鉆孔結(jié)束后應(yīng)沖洗干凈，檢查鉆孔通暢情況，測量鉆孔深度、方位、傾角. 鉆孔結(jié)束后不要立即拔出套管. 鉆進(jìn)過程中應(yīng)記錄鉆進(jìn)情況，鉆孔時應(yīng)了解地質(zhì)情況，便于準(zhǔn)確確定傳感器安裝位置. 主要儀器設(shè)備參數(shù)見表1，表2，表3.

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 全斷面表層沉降觀測數(shù)據(jù)分析

3＋850斷面（如圖2）于2019年7月2日至7月4日進(jìn)行拋石施工，拋石施工期間斷面軸線處測點表層沉降量54.2 mm，近期沉降速率0.8 mm/d；南側(cè)堤腳處測點拋石施工期間表層沉降量46.2 mm，近期沉降速率0.8 mm/d，北側(cè)堤腳處測點拋石施工期間表層沉降量59.3 mm，近期沉降速率0.9 mm/d. 根據(jù)《高填方地基技術(shù)規(guī)范》GB51254-2017第7.6條邊坡施工與質(zhì)量檢驗的要求，本工程沉降速率控制為5 mm/d，3＋850斷面軸線與堤腳測點沉降速率均小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài). 截止7月22日，3＋850斷面軸線處表層累計沉降量72.1 mm，南側(cè)堤腳處表層累計沉降量72.0 mm，北側(cè)堤腳處表層累計沉降量80.5 mm.

3.2 分層沉降觀測數(shù)據(jù)分析

截止2019年8月3日，沉降量最大土層本月沉降量30.3 mm，各測點沉降速率穩(wěn)定. 8月4日，安裝上部結(jié)構(gòu)半圓體混合堤，3＋850斷面軸線處測點本月沉降量73.9 mm，3＋850斷面軸線處分層沉降速率穩(wěn)定，無明顯異常，各測點位移如圖10所示.

3.3 深層側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3＋850斷面深層側(cè)向位移12.9 mm，近期位移速率0.28 mm/d；《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8-2016第6.4.7條：位移速率的大小應(yīng)根據(jù)具體工程情況和工程類比經(jīng)驗分析確定. 當(dāng)無法確定時，可將5 mm/d～10 mm/d作為位移速率大的參考標(biāo)準(zhǔn). 位移速率小于安全控制標(biāo)準(zhǔn)，地基處于穩(wěn)定狀態(tài).

4 理論與數(shù)值計算

4.1 理論計算

（1） 僅計算由堤身自重引起的地基沉降，不考慮因地下水位下降、地震等因素引起的沉降和堤身自身沉降量. （2） 計算水位一般采用設(shè)計低水位. （3） 沉降計算一般選取堤軸線及斷面的兩側(cè)作為計算點，本工程僅計算堤軸線沉降量. （4） 地基壓縮層計算深度，一般算到附加應(yīng)力σz等于0.2倍自重應(yīng)力σc的深度為止. 計算固結(jié)沉降量Sc時，采用分層總和法，利用土層e～p曲線計算各土層壓縮量. 計算公式如下：

式中Sc表示最終沉降量（cm）；n表示壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i表示第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i表示第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力作用下的孔隙比；hi表示第i層土厚度（cm）；Ms表示沉降經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)長江口地區(qū)工程實施經(jīng)驗，結(jié)合本工程堤身結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況，確定Ms＝1.3.

4.2 數(shù)值計算

將通用的有限元分析與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求結(jié)合，土體本構(gòu)模型采用莫爾—庫倫彈塑性模型（M-C經(jīng)典模型），邊界條件選取頂面為自由面，底面鉸接，四周為法向約束將上部結(jié)構(gòu)及拋石層簡化為外荷載. 根據(jù)地勘報告，各層土的取值按照報告中的土層物理性質(zhì)參數(shù)確定，其計算結(jié)果如圖11、圖12所示.

4.3 不同計算方法結(jié)果比較

3＋850監(jiān)測斷面理論計算所需的參數(shù)如表4所示，3＋850監(jiān)測斷面結(jié)果比較見表5.

依照比較結(jié)果，目前土體的最終沉降根據(jù)現(xiàn)場實-測數(shù)據(jù)推算值相對理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果較小，主要是由于理論計算與數(shù)值模擬均采用地勘報告中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，且受計算模型選擇、經(jīng)驗系數(shù)選取等因素的影響，計算結(jié)果偏保守.

5 結(jié)論

針對長江口護(hù)灘提，展開了監(jiān)測并用理論計算和數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行了對比，得出如下結(jié)論：

（1） 全斷面沉降觀測采用定制的土體位移計，分層沉降觀測采用常規(guī)土體位移計，地基深層測斜觀測采用固定式測斜儀，有效對堤壩進(jìn)行了監(jiān)測.

（2） 3＋850斷面軸線處表層累計沉降量72.1 mm，小于設(shè)計要求值. 沉降量最大土層本階段沉降量為30.3 mm，各土層沉降速率穩(wěn)定. 本階段深層土體位移值為12.9 mm，位移速率0.28 mm/d，處于安全控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

（3） 在后續(xù)的監(jiān)測過程中，應(yīng)積極探索將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中，及時有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)做出評判并分析可能出現(xiàn)的問題，以更好地做好預(yù)警工作，為施工管理提出合理建議.

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Prototype Monitoring Technology for Deep

Alluvial Formation Berms

WANG Yahui1， 2

（1. China Railway 14th Bureau Group Co.， LTD.， Jinan 250101， Shandong， China;

2. The Second Engineering Co.， LTD.， China Railway 14th Engineering Bureau Group， Tai'an 271000， Shandong， China.）

Abstract" Prototype observation techniques are more commonly used in cases where buildings are buried through drilling holes after filling in water. There are few research and application of technical methods for underwater building soft soil foundation deformation monitoring， and it is difficult to solve the deformation problem of soft ground foundation of underwater buildings， especially buildings that are always underwater during construction and operation. It is necessary to study underwater monitoring technology methods. In a targeted manner， a complete set of technical methods for wireless transmission of underwater soft substrate deformation measurement is proposed， and the complete soil deformation process during loading is obtained， and the research results are of guiding significance for the safe construction of offshore structures and related projects.

Keywords" soft foundations; underwater monitoring; in situ testing; settlement calculations; deep alluvial formation berms

收稿日期：2022- 06- 05

作者簡介：王亞輝（1980—），男（漢族）：山東泰安人，高級工程師. 研究方向：地基與結(jié)構(gòu)的相互作用分析.

E-mail：1398002107@qq.com