適應土體密度變化的分層沉降環

朱克亮， 邵先鋒

(國網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?？刹捎梅謱映两祪x(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，地層沉降時帶動沉降磁環同步下沉。當探頭從鉆孔中緩慢下放遇到預埋在鉆孔中的沉降磁環時，電感探測裝置上的蜂鳴器就會發出叫聲，這時根據標尺在孔口的刻度，就可以計算沉降磁環所在位置與孔口的距離。通過對比隨時間變化各沉降磁環所在位置的變化，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，將套接有沉降磁環的沉降管放入鉆孔中，沉降管可逐節連接至略深于預設監測點的深度處，沉降磁環一般置于地層分界處，利用紙線將沉降磁環固定在沉降管上，待紙線在鉆孔中遇水后崩斷，沉降磁環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壁的間隙，然后固定沉降管管口，沉降磁環安裝即可完成，后續可基于各沉降磁環進行分層沉降觀測[3-4]。

沉降磁環是沉降測量系統中的關鍵部件，外殼注塑成形，內安裝磁性材料，與沉降儀的探頭性能相配合。常見的沉降磁環如圖1所示，其外殼體積固定，整體密度為定值，在后續使用過程中起總體密度無法發生改變。而分層沉降儀使用的環境千變萬化，不同工程中沉降磁環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粘土，土體密度較小，沉降磁環埋設在該環境中進行沉降監測時，沉降磁環的密度往往大于周邊土體的密度，即土體未發生沉降時沉降磁環也能由于自重而發生下沉，進而引起監測數據的不準確；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的密度，沉降磁環的下沉與土體的下沉往往不同步。可見，傳統沉降磁環總體密度固定不變的設計方法，難以有效適應各類場地環境，有可能導致監測數據存在一定的誤差[5- 6]。

圖1 常用沉降環實物

可見，有必要發展一種總密度可按需調整的分層沉降磁環。

2 總密度可按需調整的沉降磁環

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

一種總密度可按需調整的分層沉降磁環(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，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部；剛性外殼沿外側環向設置環狀凹槽，彈性外殼能正好嵌入該環狀凹槽內；彈性外殼由彈性材料制成，內部中空，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部填入不同密度的散體材料；彈性外殼通過張拉發生彈性變形可套入剛性外殼的環狀凹槽內、或從剛性外殼的環狀凹槽內取出；彈性外殼嵌入剛性外殼的環狀凹槽后，在沉降監測工作過程中彈性外殼無法從剛性外殼上自行脫落。

圖2 新型沉降環三維結構示意

圖3 沉降環的剛性外殼結構示意

圖4 沉降環的彈性外殼結構示意

圖5 沉降環剖面

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、渾圓分布狀，彈性外殼與剛性外殼之間無明顯間隙。彈性外殼內按需裝入不同重量的散體材料后，可使各沉降磁環的總體密度與其工作狀態時周邊土體的密度相等。

彈性外殼內按需裝入不同重量的散體材料后，可使各沉降磁環的總體密度與其工作狀態時周邊土體的密度相等。彈性外殼內部中空，基于連接口可向彈性外殼內部填充物質，且填入物質后基于連接口可進行固定與封口，使彈性外殼內部的物質不會外溢。如果沉降磁環的總體密度較大，可向彈性外殼內部裝入密度較大的鐵砂顆粒；如果沉降磁環的總體密度適中，可向彈性外殼內部裝入砂礫、沙土等；如果沉降磁環的總體密度較小，可向彈性外殼內部裝入水、黏土等。總之，可以參照工作環境中沉降磁環周邊土體的密度，設計并配置使沉降磁環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的總體密度，使各沉降磁環的總體密度與其工作位置處的土體密度相等。即可實現同一套管上的各個沉降磁環的密度互不相同，這是傳統沉降磁環無法實現的。沉降磁環的總體密度與其工作狀態時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環與周邊土體重度不一致對沉降監測數據的影響，提高了分層沉降的觀測精度。

通過張拉彈性外殼發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填充物質，也便于工作結束后清洗各部件，操作方便，效率高。

與現有技術相比，該沉降環的優點為：(1)沉降磁環的密度可按需調整，基于連接口向彈性外殼內按需裝入不同重量的散體材料后，可使沉降磁環的總體密度與其工作狀態時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環與周邊土體重度不一致對沉降監測的影響，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填充物質，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整的分層沉降磁環，包括剛性外殼與彈性外殼，向彈性外殼的內部填入不同密度的散體材料，可使沉降磁環的總體密度與其工作狀態時周邊土體的密度相等，消除了沉降磁環與周邊土體重度不一致對沉降監測的影響，提高了分層沉降的觀測精度。