工程测量变形观测技术在现场码头护岸淤泥地基固结工程中的应用与分析

肖作铭

（闽武长城建设发展有限公司，福建福州 350600）

0 引言

工程测量监测技术在工程建设施工中应用较广泛，是指导和保障各类构筑物现场施工安全、分析评价施工质量的重要手段。学者们针对此项技术的应用研究成果较多，例如沈新中［1］采用真空联合堆载预压技术处理福建罗源湾工业区某钢厂软土地基的沉降变形并进行现场监测，评价真空联合堆载预压排水固结法的处置效果；柯磊等［2］分析软土—基岩条件下对地铁车站施工间歇期结构变形的监测与评价中存在的不足，将布拉格光纤光栅传感技术应用于深圳某地铁车站施工间歇期的结构变形监测中，通过远程自动化获取结构在施工间歇期的变形信息；蔡勇［3］结合某水运工程的软土地质特征，分析水运工程建设中软土地基的施工监测及检测方法以及软土地基施工监测检测中的重点和难点。张诗升［4］、刘君［5］、骆锴等［6］、盛文治［7］依托不同的工程类型和特点对塑料排水板处理软土地基的沉降变形特点、地基固结状态等进行现场监测与分析评价。总体而言，在天然软土地基工程施工建设中开展工程测量与监测工作不算困难，获取的数据质量较好，因此易于整理和分析评价。

福建东南沿海滩涂广泛分布着厚度大、含水率高、强度低、渗透性差的淤泥软土，在这样的区域场地建设港口工程，需要对淤泥软土地基进行处理，确保地基上部各类构建物的安全性和稳定性。护岸通常采用插设竖向排水板的方式处理深厚淤泥的地基，抛石填筑堆载预压的地基处理和施工方案工艺成熟可靠、造价经济合理，但受施工期淤泥地基的固结变形和稳定性影响，需要开展现场施工变形观测并评价地基处理效果，保障护岸结构与地基稳定。对于沿海吹填港口工程建设而言，复杂的地质条件、天气状况和施工环境给现场施工变形观测工作造成较大的困难，特别是在仪器的埋设与日常维护方面，需要在前人研究的基础上，根据实际工程情况，遵循因地制宜的原则，科学合理地制订切实可行的变形观测方案，确保变形观测仪器的埋设质量、长期存活率及变形观测数据等满足设计要求，从而准确掌握软土地基的固结变形过程，科学指导现场施工和管理。

本文以福州某新建码头的抛石护岸工程为研究对象，通过详细整理、分析现场施工变形观测数据，揭示采用插设竖向排水板处理后的滩涂深厚淤泥地基在抛石填筑荷载作用下沉降、水平位移、孔隙水压力的变化过程及规律，计算、推求地基平均固结度，分析和评价地基排水固结状态及变形稳定性。

1 工程概况

福州某港区泊位工程位于罗源湾，陆域形成区及码头平台区地形呈由北向南缓倾的趋势，为潮间带海积漫滩及近岸浅海地貌，场地标高基本在2～7 m。地勘资料显示土层分布自上而下为淤泥、淤泥质土、含泥中砂、黏土、粉土、含泥粗砂、圆砾、卵石、全风化凝灰熔岩、强风化凝灰熔岩等。其中，软弱层厚度在30 m 左右，主要软土层包括以下部分：①淤泥：呈深灰色，流塑，饱和；含少量贝壳及腐殖质，略有臭味；捻面光滑，有光泽，干强度和韧性中等，摇振反应慢；场地均有分布，厚度为8.20～24.80 m，层顶高程为-2.03～-2.50 m。②淤泥质土：呈深灰色，流塑或软塑，饱和；含有少量贝壳碎片及腐殖质，略有臭味；捻面光滑，有光泽，干强度和韧性中等，摇振反应慢；场地均有分布，厚度为2.00～21.80 m，层顶埋深为13.30～37.90 m，层顶高程为-12.5～-21.49 m。

2 护岸结构设计及地基变形观测方案

2.1 护岸结构及软基处理方案

本工程需建造东护岸、南护岸和西护岸。其中，南护岸为永久护岸，长257.2 m；东、西护岸为临时护岸，总长1 604 m。护岸采用“竖向排水板+分层抛石压载”结构，护岸堤身结构由护肩、肩台、护脚3 个部分组成。

2.2 护岸施工变形观测方案

南护岸的施工变形观测平面布置图如图1所示，变形观测方案主要包括以下几个方面。

（1）表层沉降观测。沉降板应在插排水板前埋设并记录原始标高；根据实测沉降值计算固结度，预测沉降趋势。

（2）孔隙水压力变形观测。采用振弦式孔隙水压力计按深度方向每向下3 m 埋设1 个传感器，埋设深度根据淤泥厚度而定，各层深度传感器均需满足不同深度量程的需要，各深度位置的传感器宜分孔埋设。根据实测的孔隙水压力的增长和消散过程控制加荷速率，并计算土体固结度和强度的增长情况。

（3）深层（分层）沉降变形观测。用于测量不同深度的土层在加固过程中的沉降过程曲线，了解各土层的压缩情况，判断加固达到的有效深度及各个深度土层的固结程度，为沉降的研究及结构设计提供验证资料。采用沉降尺及沉降环进行变形观测，按深度方向每向下3 m 埋设一个磁环；采用钻孔埋设，埋设完毕后应对不同深度的磁环按次序编号，待孔侧的土回淤稳定后测量其初始标高。

（4）深层位移观测。钻孔埋设测斜管，测斜管底部需埋入加固地基后的不变形土层3 m以上。根据观测成果分析各土层的侧向压缩方向及数量、堆载期间土体侧向变化规律及侧向影响范围。

（5）变形观测控制标准。地表沉降速率≤15 mm/d；水平位移速率≤5 mm/d；孔隙水压力∑△U/∑△P≤0.5。对于因工程施工引起的裂缝，发现后即做报警处理，并随时变形观测。

3 护岸淤泥地基固结变形的变形观测分析

3.1 表面沉降变形观测过程分析

在南护岸3 个平台的地基表面埋设19 个沉降板，其中布设在顶平台的测点共5 个，布设在中平台的测点共7个，布设在底平台的测点共7个。图2为平台地基各测点表面沉降量平均值的变化曲线。

南护岸于2014年9月14日铺设0.3 m 厚度的垫碎石，9月21日加载1 m 厚度的堤心石，11月20日加载1.2 m厚度的堤心石，最后一次于2015年1月10日加载0.8 m 厚度的压脚块石。现场变形观测表明，各测点的沉降变化随上部填筑加载而变化，平台的填筑厚度不同，作用于地基表面的荷载量即不同，地基产生的累计沉降量也随之不同。开始填筑时，3 个平台的填筑进度和荷载比较接近，测点的沉降差异较小。随着填筑施工的进行，底平台的填筑最先达到设计标高，随之为中平台、顶平台。随着平台加载过程和加载量的变化，3个平台的累计沉降量产生了较大的差异。荷载越大，测点的累计沉降量越大，顶平台测点累计沉降量平均值最大，其次为中平台和底平台。同一平台的测点，其累计沉降量也存在一定的差异，主要原因是南护岸的淤泥分布情况不同，淤泥深度由东往西逐渐变大，当荷载量基本一致时，西侧的沉降量相对较大。填筑施工完成后，作用于平台地基表面的荷载基本恒定，沉降逐渐趋于稳定收敛，连续10 d沉降速率均在1.5 mm/d的设计范围内。实测最大沉降量为3 441.12 mm（顶平台的S15 测点），最小沉降量为1 892.84 mm（底平台的S11测点）。

3.2 分层沉降变形观测过程分析

用于深层土体沉降变形观测的沉降管共7根，埋设在南护岸的中平台，现以T3 沉降管分析淤泥地基土体深层沉降的变化规律。该沉降管共埋设8个磁环，分别埋于泥面以下-2.5 m、-6.5 m、-8.5 m、-12.5 m、-14.5 m、-16.5 m、-18.5 m 、-20.5 m 处。现场变形观测数据表明，淤泥地基土体深层沉降随着上部加载而发生的变化与加载的厚度相关性较大。浅部土层磁环的沉降变形对施工加载的反应较好，深部土层的压缩随加载的增大和排水固结历时的增长而逐渐增大。土体的沉降变形主要发生在泥面以下厚度20 m 左右的软土层，与填筑荷载的大小及引起的附加应力对下卧淤泥的影响深度相关。实测T3 沉降管的1#磁环累计沉降量为1 983 mm，与中平台邻近的沉降板测值结果基本吻合。随着护岸加载结束，地基土体分层沉降曲线逐渐趋于稳定。

3.3 边桩水平位移变形观测过程分析

用于地表浅层水平位移变形观测的边桩共7根，埋设在南护岸的底平台，其中B1 边桩在施工过程中被破坏，受现场条件限制无法补埋。现场变形观测表明，受填筑加载的水平挤压作用，边桩均产生向海侧方向的水平位移，实测最大累计位移量为268.5 mm（B6 边桩）。加载施工过程中，边桩位移变化明显，当填筑达到设计标高、荷载基本恒定后，边桩位移基本趋于稳定，日位移量很小，基本为0～0.5 mm/d。可见，南护岸地基已处于比较稳定的状态。

3.4 深层水平位移变形观测过程分析

用于深层土体水平位移变形观测的测斜管共7根，埋设在南护岸的中平台，选择D3、D5 测斜管分析淤泥地基土体深层水平位移的变化规律。现场变形观测表明，受填筑加载的水平挤压作用，淤泥地基土体均产生向海侧方向的水平位移，深层水平位移最大值发生在地表，水平位移量随着深度的增大而呈现减少的趋势，测斜管布设深度范围内的土体均产生了水平位移，其中主要的水平位移发生在20 m 深度范围内，与荷载大小及引起的附加应力对下卧淤泥的影响相关。D3测斜管位于护岸偏东位置，实测最大累计位移量为434 mm；D5 测斜管位于护岸偏西位置，实测最大累计位移量为464 mm。D5 测斜管的最大累计位移量大于D3 测斜管，这与南护岸淤泥厚度由东往西逐步变大的分布情况相吻合。加载施工过程中深层土体水平位移变化明显，当填筑达到设计标高、荷载基本恒定后，水平位移基本趋于稳定，日位移量很小，基本为0～1.0 mm/d，说明南护岸地基已处于比较稳定的状态。

3.5 孔隙水压力变形观测过程分析

为了解护岸填筑加载引起的淤泥地基孔隙水压力增长消散的变化情况，分别在顶平台、中平台和底平台埋设19 组孔隙水压力计，每组按-4.0 m、-7.0 m、-10.0 m、-13.0 m、-16.0 m、-19.0 m、-22.0 m、-25.0 m 的深度位置埋设8 只孔压计。选择顶平台的U3 测点、中平台的U10 测点和底平台的U17 测点作为代表进行分析。现场变形观测表明，孔压值的变化与上部施工加载过程、荷载量大小及测点埋深等有明显的相关性。施工加载厚度越大，荷载越大，孔压值增加越大。浅部测点的孔压增长和消散的速度快于深部测点，深部测点的孔压变化呈现一定的延时、累积和渐进的过程效应。护岸地基表面铺设一定厚度的中粗砂垫层及碎石垫层，下卧淤泥地基中插设竖向排水板，构成相互交织的立体排水管网系统，可发挥良好的排水消压作用。填筑加载过程中孔隙水压力增长基本控制在设计的∑△U/∑△P≤0.5 范围内，当填筑达到设计标高，上部堆载处于满载及恒载状态后，地基中的孔压逐渐消散。依据太沙基有效应力原理，随着孔压的消散，上部荷载引起的附加应力逐渐转化为土体的有效应力，有效应力可促进淤泥土体的固结和淤泥土体强度的增长。

3.6 地基平均固结度的计算分析

地基固结度反映了淤泥地基在上部堆载作用下达到的排水固结状态和程度，是分析评价地基处理效果的重要指标。本工程地基固结度的计算方法是以固结理论为依据，依据现场变形观测数据，基于三点法推求最终沉降量和平均固结度。

三点法即根据地基表面沉降的时间变化曲线（S～t），在上部荷载恒定后取时间间隔相等的3 个点（t1，S1）、（t2，S2）和（t3，S3），按公式（1）推求地基的最终沉降量：

南护岸填筑加载时间255 d，满载期为4 个月左右，计算得到顶平台地基的平均固结度为98.33%，中平台地基的平均固结度为98.38%，底平台地基的平均固结度为98.67%，南护岸地基综合平均固结度为98.46%。可见，恒载预压结束后南护岸地基的平均固结度均达到90%以上，满足设计要求。

4 结语

福建沿海滩涂淤泥地基新建码头工程通常采用插设竖向排水板处理深厚淤泥地基，通过抛石填筑堆载预压的方案构建护岸，因此淤泥地基的固结变形和稳定性是需要关注的重点。开展地基沉降、水平位移和孔隙水压力等现场变形观测对保障护岸结构与地基的稳定、评价地基处理效果具有重要意义。本文工程的变形观测数据表明，填筑施工结束后，护岸地基进入恒载预压期，地基沉降和水平位移趋于稳定，各表面沉降速率基本保持在0～1.5 mm/d，测斜管的水平位移速率为0～1.0 mm/d，荷载引起的孔压增量逐渐消散，经推算，地基平均固结度达到90%以上，护岸地基处于稳定状态，达到了设计要求的变形观测的目的。