工程測量變形觀測技術(shù)在現(xiàn)場碼頭護(hù)岸淤泥地基固結(jié)工程中的應(yīng)用與分析

肖作銘

（閩武長城建設(shè)發(fā)展有限公司，福建福州 350600）

0 引言

工程測量監(jiān)測技術(shù)在工程建設(shè)施工中應(yīng)用較廣泛，是指導(dǎo)和保障各類構(gòu)筑物現(xiàn)場施工安全、分析評價施工質(zhì)量的重要手段。學(xué)者們針對此項技術(shù)的應(yīng)用研究成果較多，例如沈新中［1］采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)處理福建羅源灣工業(yè)區(qū)某鋼廠軟土地基的沉降變形并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，評價真空聯(lián)合堆載預(yù)壓排水固結(jié)法的處置效果；柯磊等［2］分析軟土—基巖條件下對地鐵車站施工間歇期結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測與評價中存在的不足，將布拉格光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于深圳某地鐵車站施工間歇期的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中，通過遠(yuǎn)程自動化獲取結(jié)構(gòu)在施工間歇期的變形信息；蔡勇［3］結(jié)合某水運(yùn)工程的軟土地質(zhì)特征，分析水運(yùn)工程建設(shè)中軟土地基的施工監(jiān)測及檢測方法以及軟土地基施工監(jiān)測檢測中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。張詩升［4］、劉君［5］、駱鍇等［6］、盛文治［7］依托不同的工程類型和特點(diǎn)對塑料排水板處理軟土地基的沉降變形特點(diǎn)、地基固結(jié)狀態(tài)等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與分析評價?？傮w而言，在天然軟土地基工程施工建設(shè)中開展工程測量與監(jiān)測工作不算困難，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，因此易于整理和分析評價。

福建東南沿海灘涂廣泛分布著厚度大、含水率高、強(qiáng)度低、滲透性差的淤泥軟土，在這樣的區(qū)域場地建設(shè)港口工程，需要對淤泥軟土地基進(jìn)行處理，確保地基上部各類構(gòu)建物的安全性和穩(wěn)定性。護(hù)岸通常采用插設(shè)豎向排水板的方式處理深厚淤泥的地基，拋石填筑堆載預(yù)壓的地基處理和施工方案工藝成熟可靠、造價經(jīng)濟(jì)合理，但受施工期淤泥地基的固結(jié)變形和穩(wěn)定性影響，需要開展現(xiàn)場施工變形觀測并評價地基處理效果，保障護(hù)岸結(jié)構(gòu)與地基穩(wěn)定。對于沿海吹填港口工程建設(shè)而言，復(fù)雜的地質(zhì)條件、天氣狀況和施工環(huán)境給現(xiàn)場施工變形觀測工作造成較大的困難，特別是在儀器的埋設(shè)與日常維護(hù)方面，需要在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工程情況，遵循因地制宜的原則，科學(xué)合理地制訂切實(shí)可行的變形觀測方案，確保變形觀測儀器的埋設(shè)質(zhì)量、長期存活率及變形觀測數(shù)據(jù)等滿足設(shè)計要求，從而準(zhǔn)確掌握軟土地基的固結(jié)變形過程，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場施工和管理。

本文以福州某新建碼頭的拋石護(hù)岸工程為研究對象，通過詳細(xì)整理、分析現(xiàn)場施工變形觀測數(shù)據(jù)，揭示采用插設(shè)豎向排水板處理后的灘涂深厚淤泥地基在拋石填筑荷載作用下沉降、水平位移、孔隙水壓力的變化過程及規(guī)律，計算、推求地基平均固結(jié)度，分析和評價地基排水固結(jié)狀態(tài)及變形穩(wěn)定性。

1 工程概況

福州某港區(qū)泊位工程位于羅源灣，陸域形成區(qū)及碼頭平臺區(qū)地形呈由北向南緩傾的趨勢，為潮間帶海積漫灘及近岸淺海地貌，場地標(biāo)高基本在2～7 m。地勘資料顯示土層分布自上而下為淤泥、淤泥質(zhì)土、含泥中砂、黏土、粉土、含泥粗砂、圓礫、卵石、全風(fēng)化凝灰熔巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖等。其中，軟弱層厚度在30 m 左右，主要軟土層包括以下部分：①淤泥：呈深灰色，流塑，飽和；含少量貝殼及腐殖質(zhì)，略有臭味；捻面光滑，有光澤，干強(qiáng)度和韌性中等，搖振反應(yīng)慢；場地均有分布，厚度為8.20～24.80 m，層頂高程為-2.03～-2.50 m。②淤泥質(zhì)土：呈深灰色，流塑或軟塑，飽和；含有少量貝殼碎片及腐殖質(zhì)，略有臭味；捻面光滑，有光澤，干強(qiáng)度和韌性中等，搖振反應(yīng)慢；場地均有分布，厚度為2.00～21.80 m，層頂埋深為13.30～37.90 m，層頂高程為-12.5～-21.49 m。

2 護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計及地基變形觀測方案

2.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)及軟基處理方案

本工程需建造東護(hù)岸、南護(hù)岸和西護(hù)岸。其中，南護(hù)岸為永久護(hù)岸，長257.2 m；東、西護(hù)岸為臨時護(hù)岸，總長1 604 m。護(hù)岸采用“豎向排水板+分層拋石壓載”結(jié)構(gòu)，護(hù)岸堤身結(jié)構(gòu)由護(hù)肩、肩臺、護(hù)腳3 個部分組成。

2.2 護(hù)岸施工變形觀測方案

南護(hù)岸的施工變形觀測平面布置圖如圖1所示，變形觀測方案主要包括以下幾個方面。

（1）表層沉降觀測。沉降板應(yīng)在插排水板前埋設(shè)并記錄原始標(biāo)高；根據(jù)實(shí)測沉降值計算固結(jié)度，預(yù)測沉降趨勢。

（2）孔隙水壓力變形觀測。采用振弦式孔隙水壓力計按深度方向每向下3 m 埋設(shè)1 個傳感器，埋設(shè)深度根據(jù)淤泥厚度而定，各層深度傳感器均需滿足不同深度量程的需要，各深度位置的傳感器宜分孔埋設(shè)。根據(jù)實(shí)測的孔隙水壓力的增長和消散過程控制加荷速率，并計算土體固結(jié)度和強(qiáng)度的增長情況。

（3）深層（分層）沉降變形觀測。用于測量不同深度的土層在加固過程中的沉降過程曲線，了解各土層的壓縮情況，判斷加固達(dá)到的有效深度及各個深度土層的固結(jié)程度，為沉降的研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供驗證資料。采用沉降尺及沉降環(huán)進(jìn)行變形觀測，按深度方向每向下3 m 埋設(shè)一個磁環(huán)；采用鉆孔埋設(shè)，埋設(shè)完畢后應(yīng)對不同深度的磁環(huán)按次序編號，待孔側(cè)的土回淤穩(wěn)定后測量其初始標(biāo)高。

（4）深層位移觀測。鉆孔埋設(shè)測斜管，測斜管底部需埋入加固地基后的不變形土層3 m以上。根據(jù)觀測成果分析各土層的側(cè)向壓縮方向及數(shù)量、堆載期間土體側(cè)向變化規(guī)律及側(cè)向影響范圍。

（5）變形觀測控制標(biāo)準(zhǔn)。地表沉降速率≤15 mm/d；水平位移速率≤5 mm/d；孔隙水壓力∑△U/∑△P≤0.5。對于因工程施工引起的裂縫，發(fā)現(xiàn)后即做報警處理，并隨時變形觀測。

3 護(hù)岸淤泥地基固結(jié)變形的變形觀測分析

3.1 表面沉降變形觀測過程分析

在南護(hù)岸3 個平臺的地基表面埋設(shè)19 個沉降板，其中布設(shè)在頂平臺的測點(diǎn)共5 個，布設(shè)在中平臺的測點(diǎn)共7個，布設(shè)在底平臺的測點(diǎn)共7個。圖2為平臺地基各測點(diǎn)表面沉降量平均值的變化曲線。

南護(hù)岸于2014年9月14日鋪設(shè)0.3 m 厚度的墊碎石，9月21日加載1 m 厚度的堤心石，11月20日加載1.2 m厚度的堤心石，最后一次于2015年1月10日加載0.8 m 厚度的壓腳塊石。現(xiàn)場變形觀測表明，各測點(diǎn)的沉降變化隨上部填筑加載而變化，平臺的填筑厚度不同，作用于地基表面的荷載量即不同，地基產(chǎn)生的累計沉降量也隨之不同。開始填筑時，3 個平臺的填筑進(jìn)度和荷載比較接近，測點(diǎn)的沉降差異較小。隨著填筑施工的進(jìn)行，底平臺的填筑最先達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，隨之為中平臺、頂平臺。隨著平臺加載過程和加載量的變化，3個平臺的累計沉降量產(chǎn)生了較大的差異。荷載越大，測點(diǎn)的累計沉降量越大，頂平臺測點(diǎn)累計沉降量平均值最大，其次為中平臺和底平臺。同一平臺的測點(diǎn)，其累計沉降量也存在一定的差異，主要原因是南護(hù)岸的淤泥分布情況不同，淤泥深度由東往西逐漸變大，當(dāng)荷載量基本一致時，西側(cè)的沉降量相對較大。填筑施工完成后，作用于平臺地基表面的荷載基本恒定，沉降逐漸趨于穩(wěn)定收斂，連續(xù)10 d沉降速率均在1.5 mm/d的設(shè)計范圍內(nèi)。實(shí)測最大沉降量為3 441.12 mm（頂平臺的S15 測點(diǎn)），最小沉降量為1 892.84 mm（底平臺的S11測點(diǎn)）。

3.2 分層沉降變形觀測過程分析

用于深層土體沉降變形觀測的沉降管共7根，埋設(shè)在南護(hù)岸的中平臺，現(xiàn)以T3 沉降管分析淤泥地基土體深層沉降的變化規(guī)律。該沉降管共埋設(shè)8個磁環(huán)，分別埋于泥面以下-2.5 m、-6.5 m、-8.5 m、-12.5 m、-14.5 m、-16.5 m、-18.5 m 、-20.5 m 處?，F(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)表明，淤泥地基土體深層沉降隨著上部加載而發(fā)生的變化與加載的厚度相關(guān)性較大。淺部土層磁環(huán)的沉降變形對施工加載的反應(yīng)較好，深部土層的壓縮隨加載的增大和排水固結(jié)歷時的增長而逐漸增大。土體的沉降變形主要發(fā)生在泥面以下厚度20 m 左右的軟土層，與填筑荷載的大小及引起的附加應(yīng)力對下臥淤泥的影響深度相關(guān)。實(shí)測T3 沉降管的1#磁環(huán)累計沉降量為1 983 mm，與中平臺鄰近的沉降板測值結(jié)果基本吻合。隨著護(hù)岸加載結(jié)束，地基土體分層沉降曲線逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 邊樁水平位移變形觀測過程分析

用于地表淺層水平位移變形觀測的邊樁共7根，埋設(shè)在南護(hù)岸的底平臺，其中B1 邊樁在施工過程中被破壞，受現(xiàn)場條件限制無法補(bǔ)埋。現(xiàn)場變形觀測表明，受填筑加載的水平擠壓作用，邊樁均產(chǎn)生向海側(cè)方向的水平位移，實(shí)測最大累計位移量為268.5 mm（B6 邊樁）。加載施工過程中，邊樁位移變化明顯，當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高、荷載基本恒定后，邊樁位移基本趨于穩(wěn)定，日位移量很小，基本為0～0.5 mm/d。可見，南護(hù)岸地基已處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.4 深層水平位移變形觀測過程分析

用于深層土體水平位移變形觀測的測斜管共7根，埋設(shè)在南護(hù)岸的中平臺，選擇D3、D5 測斜管分析淤泥地基土體深層水平位移的變化規(guī)律。現(xiàn)場變形觀測表明，受填筑加載的水平擠壓作用，淤泥地基土體均產(chǎn)生向海側(cè)方向的水平位移，深層水平位移最大值發(fā)生在地表，水平位移量隨著深度的增大而呈現(xiàn)減少的趨勢，測斜管布設(shè)深度范圍內(nèi)的土體均產(chǎn)生了水平位移，其中主要的水平位移發(fā)生在20 m 深度范圍內(nèi)，與荷載大小及引起的附加應(yīng)力對下臥淤泥的影響相關(guān)。D3測斜管位于護(hù)岸偏東位置，實(shí)測最大累計位移量為434 mm；D5 測斜管位于護(hù)岸偏西位置，實(shí)測最大累計位移量為464 mm。D5 測斜管的最大累計位移量大于D3 測斜管，這與南護(hù)岸淤泥厚度由東往西逐步變大的分布情況相吻合。加載施工過程中深層土體水平位移變化明顯，當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高、荷載基本恒定后，水平位移基本趨于穩(wěn)定，日位移量很小，基本為0～1.0 mm/d，說明南護(hù)岸地基已處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.5 孔隙水壓力變形觀測過程分析

為了解護(hù)岸填筑加載引起的淤泥地基孔隙水壓力增長消散的變化情況，分別在頂平臺、中平臺和底平臺埋設(shè)19 組孔隙水壓力計，每組按-4.0 m、-7.0 m、-10.0 m、-13.0 m、-16.0 m、-19.0 m、-22.0 m、-25.0 m 的深度位置埋設(shè)8 只孔壓計。選擇頂平臺的U3 測點(diǎn)、中平臺的U10 測點(diǎn)和底平臺的U17 測點(diǎn)作為代表進(jìn)行分析。現(xiàn)場變形觀測表明，孔壓值的變化與上部施工加載過程、荷載量大小及測點(diǎn)埋深等有明顯的相關(guān)性。施工加載厚度越大，荷載越大，孔壓值增加越大。淺部測點(diǎn)的孔壓增長和消散的速度快于深部測點(diǎn)，深部測點(diǎn)的孔壓變化呈現(xiàn)一定的延時、累積和漸進(jìn)的過程效應(yīng)。護(hù)岸地基表面鋪設(shè)一定厚度的中粗砂墊層及碎石墊層，下臥淤泥地基中插設(shè)豎向排水板，構(gòu)成相互交織的立體排水管網(wǎng)系統(tǒng)，可發(fā)揮良好的排水消壓作用。填筑加載過程中孔隙水壓力增長基本控制在設(shè)計的∑△U/∑△P≤0.5 范圍內(nèi)，當(dāng)填筑達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，上部堆載處于滿載及恒載狀態(tài)后，地基中的孔壓逐漸消散。依據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，隨著孔壓的消散，上部荷載引起的附加應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力，有效應(yīng)力可促進(jìn)淤泥土體的固結(jié)和淤泥土體強(qiáng)度的增長。

3.6 地基平均固結(jié)度的計算分析

地基固結(jié)度反映了淤泥地基在上部堆載作用下達(dá)到的排水固結(jié)狀態(tài)和程度，是分析評價地基處理效果的重要指標(biāo)。本工程地基固結(jié)度的計算方法是以固結(jié)理論為依據(jù)，依據(jù)現(xiàn)場變形觀測數(shù)據(jù)，基于三點(diǎn)法推求最終沉降量和平均固結(jié)度。

三點(diǎn)法即根據(jù)地基表面沉降的時間變化曲線（S～t），在上部荷載恒定后取時間間隔相等的3 個點(diǎn)（t1，S1）、（t2，S2）和（t3，S3），按公式（1）推求地基的最終沉降量：

南護(hù)岸填筑加載時間255 d，滿載期為4 個月左右，計算得到頂平臺地基的平均固結(jié)度為98.33%，中平臺地基的平均固結(jié)度為98.38%，底平臺地基的平均固結(jié)度為98.67%，南護(hù)岸地基綜合平均固結(jié)度為98.46%?？梢姡爿d預(yù)壓結(jié)束后南護(hù)岸地基的平均固結(jié)度均達(dá)到90%以上，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

福建沿海灘涂淤泥地基新建碼頭工程通常采用插設(shè)豎向排水板處理深厚淤泥地基，通過拋石填筑堆載預(yù)壓的方案構(gòu)建護(hù)岸，因此淤泥地基的固結(jié)變形和穩(wěn)定性是需要關(guān)注的重點(diǎn)。開展地基沉降、水平位移和孔隙水壓力等現(xiàn)場變形觀測對保障護(hù)岸結(jié)構(gòu)與地基的穩(wěn)定、評價地基處理效果具有重要意義。本文工程的變形觀測數(shù)據(jù)表明，填筑施工結(jié)束后，護(hù)岸地基進(jìn)入恒載預(yù)壓期，地基沉降和水平位移趨于穩(wěn)定，各表面沉降速率基本保持在0～1.5 mm/d，測斜管的水平位移速率為0～1.0 mm/d，荷載引起的孔壓增量逐漸消散，經(jīng)推算，地基平均固結(jié)度達(dá)到90%以上，護(hù)岸地基處于穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到了設(shè)計要求的變形觀測的目的。