工程測量變形觀測技術在現場碼頭護岸淤泥地基固結工程中的應用與分析

肖作銘

（閩武長城建設發展有限公司，福建福州 350600）

0 引言

工程測量監測技術在工程建設施工中應用較廣泛，是指導和保障各類構筑物現場施工安全、分析評價施工質量的重要手段。學者們針對此項技術的應用研究成果較多，例如沈新中［1］采用真空聯合堆載預壓技術處理福建羅源灣工業區某鋼廠軟土地基的沉降變形并進行現場監測，評價真空聯合堆載預壓排水固結法的處置效果；柯磊等［2］分析軟土—基巖條件下對地鐵車站施工間歇期結構變形的監測與評價中存在的不足，將布拉格光纖光柵傳感技術應用于深圳某地鐵車站施工間歇期的結構變形監測中，通過遠程自動化獲取結構在施工間歇期的變形信息；蔡勇［3］結合某水運工程的軟土地質特征，分析水運工程建設中軟土地基的施工監測及檢測方法以及軟土地基施工監測檢測中的重點和難點。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對塑料排水板處理軟土地基的沉降變形特點、地基固結狀態等進行現場監測與分析評價?？傮w而言，在天然軟土地基工程施工建設中開展工程測量與監測工作不算困難，獲取的數據質量較好，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、強度低、滲透性差的淤泥軟土，在這樣的區域場地建設港口工程，需要對淤泥軟土地基進行處理，確保地基上部各類構建物的安全性和穩定性。護岸通常采用插設豎向排水板的方式處理深厚淤泥的地基，拋石填筑堆載預壓的地基處理和施工方案工藝成熟可靠、造價經濟合理，但受施工期淤泥地基的固結變形和穩定性影響，需要開展現場施工變形觀測并評價地基處理效果，保障護岸結構與地基穩定。對于沿海吹填港口工程建設而言，復雜的地質條件、天氣狀況和施工環境給現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與日常維護方面，需要在前人研究的基礎上，根據實際工程情況，遵循因地制宜的原則，科學合理地制訂切實可行的變形觀測方案，確保變形觀測儀器的埋設質量、長期存活率及變形觀測數據等滿足設計要求，從而準確掌握軟土地基的固結變形過程，科學指導現場施工和管理。

本文以福州某新建碼頭的拋石護岸工程為研究對象，通過詳細整理、分析現場施工變形觀測數據，揭示采用插設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律，計算、推求地基平均固結度，分析和評價地基排水固結狀態及變形穩定性。

1 工程概況

福州某港區泊位工程位于羅源灣，陸域形成區及碼頭平臺區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、淤泥質土、含泥中砂、黏土、粉土、含泥粗砂、圓礫、卵石、全風化凝灰熔巖、強風化凝灰熔巖等。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，略有臭味；捻面光滑，有光澤，干強度和韌性中等，搖振反應慢；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淤泥質土：呈深灰色，流塑或軟塑，飽和；含有少量貝殼碎片及腐殖質，略有臭味；捻面光滑，有光澤，干強度和韌性中等，搖振反應慢；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 護岸結構設計及地基變形觀測方案

2.1 護岸結構及軟基處理方案

本工程需建造東護岸、南護岸和西護岸。其中，南護岸為永久護岸，長257.2 m；東、西護岸為臨時護岸，總長1 604 m。護岸采用“豎向排水板+分層拋石壓載”結構，護岸堤身結構由護肩、肩臺、護腳3 個部分組成。

2.2 護岸施工變形觀測方案

南護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。沉降板應在插排水板前埋設并記錄原始標高；根據實測沉降值計算固結度，預測沉降趨勢。

（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1 個傳感器，埋設深度根據淤泥厚度而定，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。根據實測的孔隙水壓力的增長和消散過程控制加荷速率，并計算土體固結度和強度的增長情況。

（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，判斷加固達到的有效深度及各個深度土層的固結程度，為沉降的研究及結構設計提供驗證資料。采用沉降尺及沉降環進行變形觀測，按深度方向每向下3 m 埋設一個磁環；采用鉆孔埋設，埋設完畢后應對不同深度的磁環按次序編號，待孔側的土回淤穩定后測量其初始標高。

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

（5）變形觀測控制標準。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，發現后即做報警處理，并隨時變形觀測。

3 護岸淤泥地基固結變形的變形觀測分析

3.1 表面沉降變形觀測過程分析

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

南護岸于2014年9月14日鋪設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?，F場變形觀測表明，各測點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 個平臺的填筑進度和荷載比較接近，測點的沉降差異較小。隨著填筑施工的進行，底平臺的填筑最先達到設計標高，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生了較大的差異。荷載越大，測點的累計沉降量越大，頂平臺測點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，其累計沉降量也存在一定的差異，主要原因是南護岸的淤泥分布情況不同，淤泥深度由東往西逐漸變大，當荷載量基本一致時，西側的沉降量相對較大。填筑施工完成后，作用于平臺地基表面的荷載基本恒定，沉降逐漸趨于穩定收斂，連續10 d沉降速率均在1.5 mm/d的設計范圍內。實測最大沉降量為3 441.12 mm（頂平臺的S15 測點），最小沉降量為1 892.84 mm（底平臺的S11測點）。

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，埋設在南護岸的中平臺，現以T3 沉降管分析淤泥地基土體深層沉降的變化規律。該沉降管共埋設8個磁環，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。現場變形觀測數據表明，淤泥地基土體深層沉降隨著上部加載而發生的變化與加載的厚度相關性較大。淺部土層磁環的沉降變形對施工加載的反應較好，深部土層的壓縮隨加載的增大和排水固結歷時的增長而逐漸增大。土體的沉降變形主要發生在泥面以下厚度20 m 左右的軟土層，與填筑荷載的大小及引起的附加應力對下臥淤泥的影響深度相關。實測T3 沉降管的1#磁環累計沉降量為1 983 mm，與中平臺鄰近的沉降板測值結果基本吻合。隨著護岸加載結束，地基土體分層沉降曲線逐漸趨于穩定。

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，埋設在南護岸的底平臺，其中B1 邊樁在施工過程中被破壞，受現場條件限制無法補埋。現場變形觀測表明，受填筑加載的水平擠壓作用，邊樁均產生向海側方向的水平位移，實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，當填筑達到設計標高、荷載基本恒定后，邊樁位移基本趨于穩定，日位移量很小，基本為0～0.5 mm/d。可見，南護岸地基已處于比較穩定的狀態。

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，埋設在南護岸的中平臺，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律?，F場變形觀測表明，受填筑加載的水平擠壓作用，淤泥地基土體均產生向海側方向的水平位移，深層水平位移最大值發生在地表，水平位移量隨著深度的增大而呈現減少的趨勢，測斜管布設深度范圍內的土體均產生了水平位移，其中主要的水平位移發生在20 m 深度范圍內，與荷載大小及引起的附加應力對下臥淤泥的影響相關。D3測斜管位于護岸偏東位置，實測最大累計位移量為434 mm；D5 測斜管位于護岸偏西位置，實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，當填筑達到設計標高、荷載基本恒定后，水平位移基本趨于穩定，日位移量很小，基本為0～1.0 mm/d，說明南護岸地基已處于比較穩定的狀態。

3.5 孔隙水壓力變形觀測過程分析

為了解護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8 只孔壓計。選擇頂平臺的U3 測點、中平臺的U10 測點和底平臺的U17 測點作為代表進行分析?，F場變形觀測表明，孔壓值的變化與上部施工加載過程、荷載量大小及測點埋深等有明顯的相關性。施工加載厚度越大，荷載越大，孔壓值增加越大。淺部測點的孔壓增長和消散的速度快于深部測點，深部測點的孔壓變化呈現一定的延時、累積和漸進的過程效應。護岸地基表面鋪設一定厚度的中粗砂墊層及碎石墊層，下臥淤泥地基中插設豎向排水板，構成相互交織的立體排水管網系統，可發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計的∑△U/∑△P≤0.5 范圍內，當填筑達到設計標高，上部堆載處于滿載及恒載狀態后，地基中的孔壓逐漸消散。依據太沙基有效應力原理，隨著孔壓的消散，上部荷載引起的附加應力逐漸轉化為土體的有效應力，有效應力可促進淤泥土體的固結和淤泥土體強度的增長。

3.6 地基平均固結度的計算分析

地基固結度反映了淤泥地基在上部堆載作用下達到的排水固結狀態和程度，是分析評價地基處理效果的重要指標。本工程地基固結度的計算方法是以固結理論為依據，依據現場變形觀測數據，基于三點法推求最終沉降量和平均固結度。

三點法即根據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（t1，S1）、（t2，S2）和（t3，S3），按公式（1）推求地基的最終沉降量：

南護岸填筑加載時間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度為98.33%，中平臺地基的平均固結度為98.38%，底平臺地基的平均固結度為98.67%，南護岸地基綜合平均固結度為98.46%。可見，恒載預壓結束后南護岸地基的平均固結度均達到90%以上，滿足設計要求。

4 結語

福建沿海灘涂淤泥地基新建碼頭工程通常采用插設豎向排水板處理深厚淤泥地基，通過拋石填筑堆載預壓的方案構建護岸，因此淤泥地基的固結變形和穩定性是需要關注的重點。開展地基沉降、水平位移和孔隙水壓力等現場變形觀測對保障護岸結構與地基的穩定、評價地基處理效果具有重要意義。本文工程的變形觀測數據表明，填筑施工結束后，護岸地基進入恒載預壓期，地基沉降和水平位移趨于穩定，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，經推算，地基平均固結度達到90%以上，護岸地基處于穩定狀態，達到了設計要求的變形觀測的目的。