[科普中国]-深层沉降观测

简介

地基在建筑物荷载作用下都会产生沉降, 如果地基沉降, 尤其是差异沉降, 超出建筑物允许范围, 轻则影响建筑物的正常使用, 重则导致房屋开裂倾斜、路基沉陷、堤坝坍塌等。为了及时了解地基在建筑物荷载作用下的沉降以及沉降变化趋势, 以便提前采取有效措施, 防止事故的发生,很多工程都需要设置沉降观测。如果工程建在软土地基上,则要进行预压加固来消除地基沉降, 加固过程中也必须进行沉降观测, 以便及时分析地基的加固程度,确定是否达到设计要求再进行卸载。一些现场试验, 如静载试桩、复合地基载荷试验等, 也需要获得沉降观测结果, 才能根据p～ s曲线确定承载力。通过沉降观测可积累经验资料,反算地基变形参数, 为今后的工程设计计算提供依据。

沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层(分层) 沉降观测和断面沉降观测。经过多年的发展,沉降观测方法不断完善, 观测仪器类型也越来越多,但不同的观测方法和观测仪器适用于不同的工程地质条件1。

表层沉降观测很多工程只要求观测地基表层沉降或建筑物在地表以上某点的沉降,这些沉降统称为表层沉降。表层沉降观测方法按观测手段不同可分为如下3种:

几何水准观测对于实测沉降范围很小、观测精度要求较高的试验工程,例如静力试桩、地基载荷试验等,一般采用架设观测梁,利用百分表直接进行沉降观测, 精度可达0. 01mm。

对于视野开阔、测量精度要求不高的建筑物地基沉降,如软基加固、公路路基、桥墩等,可以采用设置临时基准点,利用水准仪进行观测, 观测精度为± 1. 0mm。

对于一些难以采用水准仪进行观测且对沉降精度要求较低的海上工程, 可以采用GPS全球定位系统进行沉降观测。测量精度受天气影响较大,如在相同天气情况下进行观测,精度可控制在± 5cm范围内, 然后采用曲线拟合法消除沉降的正常波动。

静力水准观测即利用连通器水平面相同的原理进行沉降观测的方法, 按观测手段的不同可分为传统法和改进法。

1. 传统法

传统的静力水准观测一般有以下3种:

(1) 目视法静力水准装置。通过读取两点的液面刻度值, 取得测点高程的变化, 再计算沉降, 观测精度可达到± 1mm;

(2) 接触法静力水准装置。仪器挂在观测点上, 接通电源, 按指挥钮, 测针向下移至水面自动停止,即可读取液面高程,再计算沉降,精度可达到± 0. 1mm;

(3) 接触法组合式静力水准遥测装置。按测高仪自动加水, 水面超过溢水口后停止加水,依次接通各测点的线路, 由测高仪读取各测点静止水面高程,即可进行多点沉降观测, 精度可达到± 0. 1mm。

传统的静力水准观测方法原理简单、浅显易懂,用于室内试验观测比较容易,用于实际工程观测时,由于现场条件复杂、天气变化异常, 实际操作比较困难, 一般较少使用。

2.改进法

为了能使静力水准观测法方便地应用于实际工程沉降观测, 目前已有3种改进的做法,一种是在连通器中安装带有弦式传感器的圆柱状浮筒。测点沉降会引起容器内液面明显的升高与降低, 液面的变化将改变悬挂钢弦的张力和共振频率, 通过测得的频率差即可推算出测点的沉降。

随着高精度压力传感器研制成功并投入使用, 另一种改进的做法是采用大量程、高精度的振弦式压力传感器测量测点相对基准液面的液体压强的变化, 从而得出测点的垂直沉降量。如美国基康生产的NA-S1型多点异高静力水准系统。该方法具有长期稳定性好、测点可随意增减、数据可遥控或自测等特点, 观测精度可达± 1mm。广泛地应用于水电站、大坝等大型建筑物的沉降观测。

除了采用压力传感器外, 还有采用孔隙水压力传感器观测防波堤沉降的。如海南三亚某防波堤沉降观测,测点处的水深达30～ 34m, 沉降是根据测点前后两次水压力变化推算的; 又如某港北大防波堤沉降是通过采用孔隙水压力传感器观测堤下海底面与堤外不动点之间的压力差推算的。

不动杆法当观测点附近设置参考点比较困难时, 沉降可采用埋入不动杆法进行观测。该方法是在观测点位置钻孔,埋入带套管的不动杆, 杆下端插入硬层( N 大于40) , 上端引出地面(或海底面) , 沉降盘及测量装置套在不动杆上, 沉降盘与不动杆的垂直位移即为沉降盘处的沉降, 垂直变位通过测量装置进行观测。根据沉降测量方法的不同, 又有目测法、滑动电阻式和磁感应式。

① 目测法

在不动杆上做好标尺, 直接读出沉降盘与标尺之间的相对垂直位移。该法精度可达± 1mm, 适合于陆上回填、堆载预压等引起的地基表层沉降。

② 滑动电阻式

该测量装置是将不动杆与沉降盘的机械变位转换成电阻值, 通过导线引出进行观测, 精度可达到± 0. 1mm。不同型号的沉降仪量程不同,选型时应估计可能出现的最大沉降。

③ 磁感应式

该测量装置是将不动杆与沉降盘的机械变位转换成磁编码, 通过导线引出进行观测, 精度可达到± 1. 0mm。滑动电阻式和磁感应式均采用导线引出进行观测, 对不便直接进入测点或不动杆引出地面后保护困难的沉降观测比较适宜。滑动电阻式精度较高,但造价昂贵, 磁感应式精度较低, 但价格便宜, 可根据工程条件选用2。

深层(分层) 沉降观测为了准确掌握地基各土层在上部荷载作用下的变形特性以及相临建筑物荷载对地基各土层的影响, 有时需要对土体深层(分层) 沉降进行观测。土体深层(分层) 沉降有3种观测方法:

深标点水准仪深标点水准仪有两种做法, 一种是采用钻机在预定位置上钻孔, 孔内放置带有小沉降盘的测杆,用套管保护引出地面, 在地面上用水准仪进行观测, 测量精度可达± 1. 0m m;另一种是采用钻机在预定位置上钻孔,钻孔内加护管保护, 防止塌陷, 孔底压入磁锤式回弹标, 观测时用毫米刻度的专用钢尺由磁铁吸住孔底回弹标, 引出地面用水准仪进行观测。

深标点水准仪适合于硬土层, 但一个钻孔只能布置一个深标点, 若干个测点则需要若干个钻孔, 如果是软基, 一般采用磁环式沉降仪。

磁环式沉降仪磁环式沉降仪由磁环、导管、测头三部分组成。根据测点高程将磁环连同爪子一起套在导管相应的位置上, 钻孔至预定高程再沉放导管, 然后打开爪子以保证磁环与土体同步变形。测孔做好后用带有长度标记的测头进行观测, 观测精度可达1～ 2mm。

目前采用的导管有两种, 一种是可压缩软管, 直径为20m m左右, 土层沉降时软管被压缩, 磁环连同软管一起沉降; 另一种是硬管, 直径为40mm左右, 磁环与爪子固定在一起但可以在管上自由滑动。磁环式沉降仪的另一种改进的做法是采用铁环代替磁环,相应的是将原来的铁测头改成磁测头,可以降低一些成本。

不动杆法目前采用该法进行土体深层(分层)沉降观测的只有滑动电阻式分层沉降仪,其原理与表层沉降类似,即在观测点位置钻孔埋入刚度较大的不动杆,杆下端插入硬层( N 大于40) , 上端引出地面(或海底面) , 所不同的是将沉降仪直接下放到钻孔预定高程, 然后通过油压装置打开爪子伸入土中, 以保证沉降仪与土同步沉降3。

断面沉降测量一些工程如公路路基、导堤等需要进行沿宽度范围内的断面沉降观测。这类观测按测点施测方式分为活动式和固定式两种。

活动式沉降仪沿断面埋设软管, 采用静力水准法利用单点沉降探头在软管内的移动进行断面沉降观测。活动式沉降仪适用于公路路基断面的沉降观测。

固定式沉降仪海上工程如防波堤断面,沉降观测点在水下,很难采用活动式沉降仪进行观测, 这时需要沿断面布置若干个测点,利用不动杆法进行各点沉降观测, 各点沉降的连线即可得到断面沉降。采用目测法, 施工过程中很容易将不动杆碰歪或撞坏; 采用日本滑动变阻式沉降仪, 费用昂贵。一种埋设定点测斜仪观测断面沉降, 可有效地解决该问题。其原理是通过一种转换装置,利用测斜仪观测沉降引起的断面斜率变化, 根据测斜仪测得的各点斜率, 从断面坡脚处理论零点开始, 逐段推算沉降增量Δi( i= 1～ n ) , 按式( 1) 便可计算出各点沉降。测点越多, 沉降精度越高。

Si = Si- 1+ Δi= Si- 1+ Li×Wi ( S0= 0, i= 1～ n ) ( 1)

式中: Si 为i点沉降, m; Wi 为i 测头实测倾斜率; Li 为两点间距, m。

这种方法已成功地应用于某工程导堤断面沉降观测。

总结(1) 应根据工程环境条件、地质条件的不同, 选用不同的观测方法和观测仪器。

(2)从实际使用情况分析, 磁环式沉降仪采用的爪子在软土中效果尚可,在硬土中效果欠佳,日本滑动电阻式沉降仪油压装置将爪子打开插入土中,效果很好,值得国内厂家借鉴。

(3) 国外的沉降观测仪器使用灵活方便, 精度较高, 但造价昂贵,一般工程难以接受,国内仪器生产厂家应尽可能研制造价低廉但性能基本相尽的观测仪器1。