適應土體密度變化的分層沉降環(huán)

朱克亮， 邵先鋒

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設分公司, 湖北合肥 230022)

1 概述

分層沉降觀測是測定土體內(nèi)部各分層土的沉降量、沉降速率以及壓縮層厚度的有效方法，通常可采用分層沉降儀(分層沉降計)對土體進行分層沉降觀測[1-2]。分層沉降儀的測量系統(tǒng)主要由對磁性材料敏感的探頭、帶刻度的標尺、電感探測裝置以及埋設于土層中的沉降磁環(huán)和沉降管組成。其中，沉降管一般由柔性塑料管制成，沉降管外每隔一定距離套設一個沉降磁環(huán)，地層沉降時帶動沉降磁環(huán)同步下沉。當探頭從鉆孔中緩慢下放遇到預埋在鉆孔中的沉降磁環(huán)時，電感探測裝置上的蜂鳴器就會發(fā)出叫聲，這時根據(jù)標尺在孔口的刻度，就可以計算沉降磁環(huán)所在位置與孔口的距離。通過對比隨時間變化各沉降磁環(huán)所在位置的變化，得出各地層隨時間的位移變化情況。

安裝沉降磁環(huán)時，首先需要鉆孔，鉆孔完成后一般需要對孔底進行清洗，將套接有沉降磁環(huán)的沉降管放入鉆孔中，沉降管可逐節(jié)連接至略深于預設監(jiān)測點的深度處，沉降磁環(huán)一般置于地層分界處，利用紙線將沉降磁環(huán)固定在沉降管上，待紙線在鉆孔中遇水后崩斷，沉降磁環(huán)的錨固鐵片彈開嵌入土體中后，用中粗砂填充沉降管外壁與鉆孔內(nèi)壁的間隙，然后固定沉降管管口，沉降磁環(huán)安裝即可完成，后續(xù)可基于各沉降磁環(huán)進行分層沉降觀測[3-4]。

沉降磁環(huán)是沉降測量系統(tǒng)中的關鍵部件，外殼注塑成形，內(nèi)安裝磁性材料，與沉降儀的探頭性能相配合。常見的沉降磁環(huán)如圖1所示，其外殼體積固定，整體密度為定值，在后續(xù)使用過程中起總體密度無法發(fā)生改變。而分層沉降儀使用的環(huán)境千變?nèi)f化，不同工程中沉降磁環(huán)周邊土體的密度差別較大。如在灘涂圍填工程中，土體通常為強度低、含水量大、滲透性差以及壓縮性高的淤泥和淤泥質(zhì)粘土，土體密度較小，沉降磁環(huán)埋設在該環(huán)境中進行沉降監(jiān)測時，沉降磁環(huán)的密度往往大于周邊土體的密度，即土體未發(fā)生沉降時沉降磁環(huán)也能由于自重而發(fā)生下沉，進而引起監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確；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環(huán)的密度，沉降磁環(huán)的下沉與土體的下沉往往不同步。可見，傳統(tǒng)沉降磁環(huán)總體密度固定不變的設計方法，難以有效適應各類場地環(huán)境，有可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)存在一定的誤差[5- 6]。

圖1 常用沉降環(huán)實物

可見，有必要發(fā)展一種總密度可按需調(diào)整的分層沉降磁環(huán)。

2 總密度可按需調(diào)整的沉降磁環(huán)

本文擬提供一種總密度可按需調(diào)整的分層沉降磁環(huán)，其結構簡單、組裝方便，可按需調(diào)整沉降磁環(huán)的總體密度，以便適應各類場地環(huán)境。

一種總密度可按需調(diào)整的分層沉降磁環(huán)(圖2～圖5)，包括剛性外殼與彈性外殼；剛性外殼呈軸對稱狀態(tài)，中部設圓柱形孔洞供沉降管穿越，剛性外殼上均勻、對稱的設置多個錨固鐵片，磁性材料安裝在剛性外殼的內(nèi)部；剛性外殼沿外側(cè)環(huán)向設置環(huán)狀凹槽，彈性外殼能正好嵌入該環(huán)狀凹槽內(nèi)；彈性外殼由彈性材料制成，內(nèi)部中空，彈性外殼上設置一個可打開與封閉的連接口，通過連接口可向彈性外殼的內(nèi)部填入不同密度的散體材料；彈性外殼通過張拉發(fā)生彈性變形可套入剛性外殼的環(huán)狀凹槽內(nèi)、或從剛性外殼的環(huán)狀凹槽內(nèi)取出；彈性外殼嵌入剛性外殼的環(huán)狀凹槽后，在沉降監(jiān)測工作過程中彈性外殼無法從剛性外殼上自行脫落。

圖2 新型沉降環(huán)三維結構示意

圖3 沉降環(huán)的剛性外殼結構示意

圖4 沉降環(huán)的彈性外殼結構示意

圖5 沉降環(huán)剖面

彈性外殼嵌入剛性外殼的凹槽后，彈性外殼與剛性外殼之間相互接觸緊密，整體外輪廓呈連續(xù)、渾圓分布狀，彈性外殼與剛性外殼之間無明顯間隙。彈性外殼內(nèi)按需裝入不同重量的散體材料后，可使各沉降磁環(huán)的總體密度與其工作狀態(tài)時周邊土體的密度相等。

彈性外殼內(nèi)按需裝入不同重量的散體材料后，可使各沉降磁環(huán)的總體密度與其工作狀態(tài)時周邊土體的密度相等。彈性外殼內(nèi)部中空，基于連接口可向彈性外殼內(nèi)部填充物質(zhì)，且填入物質(zhì)后基于連接口可進行固定與封口，使彈性外殼內(nèi)部的物質(zhì)不會外溢。如果沉降磁環(huán)的總體密度較大，可向彈性外殼內(nèi)部裝入密度較大的鐵砂顆粒；如果沉降磁環(huán)的總體密度適中，可向彈性外殼內(nèi)部裝入砂礫、沙土等；如果沉降磁環(huán)的總體密度較小，可向彈性外殼內(nèi)部裝入水、黏土等。總之，可以參照工作環(huán)境中沉降磁環(huán)周邊土體的密度，設計并配置使沉降磁環(huán)的總體密度與其周邊的土體密度相等。

進一步地，同一鉆孔中不同位置處的土體密度也不盡相同，因此，可逐個配置各沉降磁環(huán)的總體密度，使各沉降磁環(huán)的總體密度與其工作位置處的土體密度相等。即可實現(xiàn)同一套管上的各個沉降磁環(huán)的密度互不相同，這是傳統(tǒng)沉降磁環(huán)無法實現(xiàn)的。沉降磁環(huán)的總體密度與其工作狀態(tài)時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環(huán)與周邊土體重度不一致對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，提高了分層沉降的觀測精度。

通過張拉彈性外殼發(fā)生彈性變形可使其方便的套入剛性外殼或從剛性外殼上取出，便于獨立的向彈性外殼內(nèi)填充物質(zhì)，也便于工作結束后清洗各部件，操作方便，效率高。

與現(xiàn)有技術相比，該沉降環(huán)的優(yōu)點為：(1)沉降磁環(huán)的密度可按需調(diào)整，基于連接口向彈性外殼內(nèi)按需裝入不同重量的散體材料后，可使沉降磁環(huán)的總體密度與其工作狀態(tài)時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環(huán)與周邊土體重度不一致對沉降監(jiān)測的影響，提高了分層沉降的觀測精度。(2)通過張拉彈性外殼發(fā)生彈性變形可使其方便的套入剛性外殼或從剛性外殼上取出，便于獨立的向彈性外殼內(nèi)填充物質(zhì)，也便于工作結束后清洗各部件，操作方便，效率高。

3 結論

文章提出了一種總密度可按需調(diào)整的分層沉降磁環(huán)，包括剛性外殼與彈性外殼，向彈性外殼的內(nèi)部填入不同密度的散體材料，可使沉降磁環(huán)的總體密度與其工作狀態(tài)時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環(huán)與周邊土體重度不一致對沉降監(jiān)測的影響，提高了分層沉降的觀測精度。