2010年12月
第12期总第448期水运工程
Port &Waterway Engineering Dec. 2010
No. 12Serial No. 448
·地基与基础·
真空预压软基处理分层沉降监测
凌柏平，龚永康，张建跃
（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）
摘要：介绍真空预压软基处理工程中的沉降产生机理，特别是分层沉降的监测。浅层及深层软基处理过程中，分层沉降管会发生弯曲，弯曲导致管口发生一定的沉降，分析这种弯曲产生的沉降对分层沉降数据处理的影响，并研究了相应的解决方法。讨论了分层沉降管的刺入沉降问题，发现刺入沉降对数据处理无影响。结合工程实例进行了数据处理与分析，发现剔除分层沉降管的弯曲变形导致的磁环被动沉降量后，数据更加真实可信，这种处理问题的方法在工程中有广泛的现实意义。
关键词：真空预压软基处理；分层沉降；数据处理中图分类号：TU 447
文献标志码：A
文章编号：1002-4972（2010）12-0129-06
Layered settlement monitoring of soft foundation treatment by vacuum preloading method
LING Bai-ping ，GONG Yong-kang ，ZHANG Jian-yue (ShanghaiInstitute of Waterways, Shanghai 200120, China)
Abstract:The settlement generating mechanism of vacuum preloading soft foundation treatment is
introduced. In the process of soft foundation treatment, the layered settlement pile will bend and thus induce some settlement. The effect of pile bending on data processing and its solution are analyzed. Meanwhile, the punching settlement of the pile is also discussed, and the conclusion is drawn that it has no influence on data processing. Data processing is analyzed combining with an engineering example, which comes into the conclusion that after rejecting the passive settlement of magnetic ring caused by the bending of layered settlement pile, the data is more true and reliable, so this method shall be widely used.
Key words:soft foundation treatment by vacuum preloading; layered settlement; data processing
软土广泛分布于我国的沿海和内陆地区，多为淤泥、淤泥质黏土等，具有强度低、含水量大、渗透性差、高压缩性等特点。常用的软基处理方法有许多种，而真空预压法便是其中的一种。真空预压法加固地基最早是由瑞典皇家地质学院杰尔曼（W Kjellman ）教授在1952年提出的[1]，随后在美国、日本、芬兰、法国等得到了运用，我国自1980年交通部一航局科研所在塘沽新港进行几次现场试验解决一些施工工艺后才在工程方面获得成功[2]。真空预压法，首先是在原地基表面铺设砂垫层，作为水平排水体，然后在土体中打入塑料排水板或袋装砂井，作为竖向排水体，接着布
收稿日期：2010-06-30
设主次滤管等，最后用不透气薄膜密封砂垫层，薄膜四周密封到土中。通过抽真空装置产生负压，借助于砂垫层及主次滤管将薄膜下土体中的空气抽出，继而将塑料排水板或者袋装砂井中的空气抽出，使土体与排水板或砂井间形成压力差，这时孔隙水流入排水板或砂井被排出，地下水位降低，地基土体由此被固结。
在真空预压过程中，软基发生了很大的沉降量，土体被压缩固结。而且，地基土上部压缩量大，下部压缩量小。分层沉降观测便是掌握不同深度土层压缩量的最好的办法。通过观测土层内
部不同部位的沉降大小，可以掌握各土层的变形
作者简介：凌柏平（1980—），男，工程师，主要从事地基、材料、结构检测等方面研究。
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水运工程2010年
特性及有效压缩层厚度，了解软基处理施工及运行期间的固结状况，判断其稳定性，作为控制施工进度、改进施工方法及确保工程安全的依据[3]。结合真空预压软基处理分层沉降观测的工程实例，对分层沉降观测及研究中出现的问题进行剖析，以达到优化分层沉降观测与计算方法、真实掌握土层压缩变化趋势的目的。1
真空预压软基处理沉降产生机理
从土的三相组成来看，土体压缩变形的原因可以分为以下3种：土颗粒本身的压缩变形；土孔隙中的水和空气的压缩；水和空气从孔隙中被挤出，孔隙本身的收缩。而一般工程所遇到的100~600kPa 的应力范围内，土颗粒和水本身的压缩变形都很小，可以忽略不计，故土体的压缩变形主要是由于孔隙的减小引起的[4]。
当抽真空时，如图1，大气压力为P a ，真空压力为P v ，因此在砂垫层、垂直排水通道先后形成超静孔隙水压力(P a -P v ) ，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体压缩固结，与此同时，土体产生沉降。软土地基的总沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降3部分。瞬时沉降指在荷载作用下由于土体的剪切变形所引起的，并在荷载作用下立即发生。固结沉降是由于孔隙水排出而引起土体积减小所造成的。次固结沉降则是由于超孔隙水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。软土地基沉降主要是固结沉降[5-6]。
图1
真空预压法负压固结孔压与有效应力关系
一般而言，土体的沉降计算往往采用分层总和法。分层总和法是建立在一维压缩的基础上的，
设每层土的厚度为H i ，在竖向应力从p 1变为p 2的情况下，相应的孔隙比也从e 1i 变为e 2i 。则该层土的沉降量S i 为：
S i =1+e H i
（1）
1i
则最终沉降量S 的分层总和法计算公式为：n
n
n
n
S =ΣS i =ΣH i =i =1i =11+e 1i ΣH i =i =11+e ΣH i
1i i =1E si
（2）
为了与计算值进行验证，进行了分层沉降的监测与研究。
2分层沉降监测原理及应用2.1
分层沉降监测原理
分层沉降监测是通过在不同深度与层位的土层处布置分层沉降磁环，让分层沉降磁环随着所在的土层的压缩变形而变化其位置，由其位置的变化来确定分层沉降磁环所在土层土体的压缩固结量。
分层沉降监测的整个系统由电磁式分层沉降观测沉降仪、分层沉降管、分层沉降磁环及其它配套设备构成。电磁式分层沉降观测仪的主要元件是内部带有磁感应器的探测器的测量探头，它遇到土中的分层沉降磁环的磁性后电流将会发生变化，引起蜂鸣器发出声响。分层沉降观测仪还有一个重要的元件便是受温度变形很小的钢卷尺，长度一般为50~100m ，其连接在测量探头端部随同探头一起进入分层沉降管中，测量每个分层沉降磁环的深度数据[7]。2.2
分层沉降监测的计算及应用
分层沉降测量时，设每个分层沉降磁环的初始读数为L 0i （即分层沉降磁环距管口的距离），历次测量时每个分层沉降磁环的读数为L i ，分层沉降管管口的初始高程为H 0，每个分层沉降磁环的初始高程为H 0-L 0i ，历次测量时每个分层沉降磁环的高程为H 0-L i ，则通过下式可计算出历次测量时每个分层沉降磁环的沉降量[8]s i ：
s i =(H 0-L 0i ) -(H 0-L i )
（3）
由每次分层沉降磁环的沉降量，可以推知每
个分层沉降磁环所处土层的压缩量为：
第12期凌柏平，等：真空预压软基处理分层沉降监测
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S i =s i -1-s i i =2,3,4,…
（4）将每个土层的压缩量叠加，即为整个土层的
压缩总量：
n
n
S =ΣS i =Σ(s i -1-s i )
（5）
i =2
i =2
3分层沉降监测常见问题及解决方法3.1
分层沉降管弯曲变形
3.1.1
管子弯曲产生的磁环被动沉降量
在真空预压软基处理过程中，分层沉降管一
般埋设于处理场地的中心位置或具有代表性的位置，以获取各个土层的最具代表性的压缩变化量。管口一般伸出密封膜外，出口处的密封膜必须扎紧，否则将会漏气，影响施工效果。在抽真空过程中，密封膜将对分层沉降管产生一定的向下的拉力，导致分层沉降管发生弯曲变形，如图2所示。
图2真空预压地基处理中分层沉降管弯曲变形过程现假设分层沉降管的初始长度为L 0（分层沉降管弯曲前的原始长度），沉降管弯曲后管顶的沉降量为ΔL （
该沉降量仅由弯曲引起），第i 只磁环到管顶的初始长度为L i （分层沉降管未发生弯曲时），管顶初始高程为H 0，每一个磁环上下无位移，管底不发生刺入沉降，如图3所示。初始时第i 只磁环的高程则为H 0-L i 。分层沉降管发生弯曲变形后，管顶高程下降了ΔL ，则此时管顶高程为H 0-ΔL 。此时，第i 只磁环到管顶的距离是多少呢？分层沉降管发生弯曲变形后，采用分层沉降测量仪测量每个磁环到管顶的距离，测量使用软尺，故可以认为管子长度不变，仍然为L 0，假设磁环不发生上下位移，则此时第i 只磁环到管顶的垂直距离（不是测量距离）为L i -ΔL ，管顶到管底的垂直距离为L 0-ΔL ，不考虑分层沉降管的弯曲变形方向，为简化计算，通过每只磁环到管顶的距离在垂直方向上占管子总长度的比例来计算第i 只磁环到管顶的距离，为L -ΔL L -ΔL ×L 0。分层沉降管发生弯曲
0变形后，第i 只磁环的高程则为：
（H 0-ΔL ）-L -ΔL L -ΔL
×L 0
（6）
0假设磁环不发生上下位移，管底不发生刺入沉降，仅由于管子发生弯曲变形，管口沉降了ΔL ，进而使得第i 只磁环在监测意义上发生了被动沉降ΔS 。该ΔS 为：
ΔS =[（H 0-ΔL ）-L i -ΔL ΔL （Δ×L 0]-（H 0-L ）i =
L -L ）i
（7
）00图3真空预压地基处理分层沉降管弯曲变形量
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水运工程2010年
该磁环被动沉降ΔS 可以认为是由于管子发生弯曲变形而附加到沉降监测上的，故应对其进行修正、扣除。3.1.2
管子弯曲产生的管口沉降量
分层沉降管的弯曲导致的管顶沉降量ΔL 可以由管子的弯曲度来确定。假设分层沉降管埋设之初是垂直于水平面的，考虑一维弯曲问题，如图4所示，分层沉降管弯曲后，管子中部纵轴线与垂直线的夹角为α，顶部往下每米管子与垂直线的夹角为αi ，则每米管子导致的管顶沉降量可以通过余弦定理简化计算获得：
Δi =l -l cos αi
（8）
则整个管子的管顶沉降可以通过每米管子导致的管顶沉降量的叠加获得：
L
L
ΔL =ΣΔi =Σ(l -l cos αi )
（9）
i =1
i =1
若不考虑每米管子的倾斜变化，只测量管子中部的弯曲角度α，则管顶沉降量ΔL 为：
ΔL =2×(L -L cos α) =L -L cos α
（10）
图4真空预压地基处理分层沉降管弯曲变形角度
3.2分层沉降管的刺入沉降
在真空预压地基处理过程中，由于地基土中
孔隙水的不断排出，土颗粒的不断重整、密实，故土层被逐步压缩固结。分层沉降管埋设在土层中，管口伸出密封膜外，在土层被压缩固结的过程中，地基土发生了很大的变形，土层会带动分层沉降管一起运动，分层沉降管将被刺入到土体下部；与此同时，密封膜绑扎在分层沉降管上，
因真空压力的作用，密封膜作用在分层沉降管上一个很大的向下的牵引力，故分层沉降管在密封膜的带动下也将被刺入到土层中。这两部分作用力共同导致了分层沉降管的刺入沉降。分层沉降管的刺入沉降量Δl 是随着时间的变化而不断改变的。
在分层沉降的监测过程中，应该经常校核分层沉降管顶高程的变化。假设在测量过程中测得的管顶高程为H i ，则管顶高程变化量为ΔH =H 0-H i 。管顶高程变化量ΔH 应该包括两个部分，即管子弯曲变形导致的管顶沉降量ΔL 与管子刺入沉降导致的管顶沉降量Δl ，则刺入沉降导致的管顶沉降量为：
Δl =ΔH-ΔL =H 0-H i -ΔL =H 0-H i -L +L cos α
（11）
以上的刺入沉降导致的管顶沉降量Δl ，一般不会影响分层沉降数据的处理和分析。假设分层沉降管不发生弯曲，仅发生刺入沉降，磁环不下降，初始时第i 个磁环的高程为H 0-L i ，则发生了管顶沉降Δl 后，第i 个磁环的高程为：
(H 0-Δl )-(L i -Δl ) =H 0-L i
（12）
前后两次第i 个磁环的高程相同，可见刺入沉降量对分层沉降的后期计算与分析没有影响。
但是，也存在例外的情况。当分层沉降管在埋设时，分层沉降磁环与分层沉降固定环之间的距离控制的过小时（如磁环与固定环之间的距离小于50cm
），则在刺入沉降的作用下，假设磁环不动，管子在下沉，则达到一定的刺入量，固定环便会带动分层沉降磁环向下移动，产生被动沉降量。故在埋设分层沉降管时，应该控制好分层沉降磁环与固定环之间的距离，根据经验，每个分层沉降磁环与其上部的固定环之间的距离至少应该控制在50cm 以上。
由以上所知，在分层沉降观测的后期数据处理过程中，如果每次都测量管顶高程，则只需要将管子弯曲所带来的被动沉降量从计算所得的磁环沉降量中剔除，则为每个分层沉降磁环所测得的沉降量的真实值。4工程实例4.1
工程概况
本工程位于浙江某沿海港口，地基为天然原始地基上覆盖吹填淤泥，地质条件为：①
吹填淤
第12期凌柏平，等：真空预压软基处理分层沉降监测
-133-
泥，层厚约6m ；②淤泥质黏土，层厚约5m ；③黏土，层厚约8m ；④淤泥质粉质黏土，层厚约
土样名称淤泥淤泥淤泥淤泥质黏土
取土深度/m
-1.5-3.0-4.5-6.0
w/%107.898.888.978.4
ρ/(t/m3) 1.371.411.391.42
w L /%43.444.246.545.4
6m ；⑤黏土，层厚约5m 。上覆吹填淤泥的物理性质参数如表1。
w P /%22.624.525.826.3
I P /%20.819.720.719.1
直径大于0.075mm 颗粒含量/%
1.62.43.23.7
表1吹填淤泥层的物理性质参数
吹填淤泥上覆80cm 厚砂垫层，排水板打设深度25m ，间距0.8m ，后布设滤管与主管等管路系统并覆盖3层密封膜，边界处密封膜踩入淤泥中，踩入深度1.5m 。排水板打设完毕后，密封膜铺设前，埋设分层沉降管，每隔4m 布置1个分层沉降磁环，共布设6个分层沉降磁环，编号自上往下依次为磁环01、磁环02、磁环03直至磁环06，深度从砂垫层底部算起，往下24m 。每个分层沉降磁环与其上部固定环的距离为1.5m ，以剔除刺入沉降对磁环的影响。真空预压设计加载要求为膜下真空度≥85kPa 。4.2
分层沉降数据处理实例
通过分层沉降监测，获取自上而下的6个分层沉降磁环的累计沉降量。分层沉降磁环原始数据见表2，表中负号表示沉降，正号为反弹。
表2各分层沉降磁环累计沉降量实测值
10-2210-2510-2710-2910-3111-0211-0411-0611-0811-1011-1211-1411-1611-1811-2111-2311-2511-2711-30
0-26-44-64-100-143-171-221-270-311-345-360-392-436-476-511-535-549-560
0-21-33-46-71-102-126-159-195-222-238-254-286-311-342-368-384-393-406
0-17-26-55-51-74-90-115-143-159-166-178-198-215-248-265-277-284-295
0-13-26-29-39-53-61-77-97-102-105-109-129-142-161-171-175-184-191
0-7-11-14-22-35-41-54-71-67-66-65-76-91-101-105-105-108-113
从表2及图5可以看出，分层沉降磁环05和06的累计沉降量几乎相同，即管子下部的2个磁环的沉降量几乎相同，这与事实是不符合的。事实上，上一层土体的累计沉降量包含了下一层土体的累计沉降量。而分层沉降管同时发生了弯曲变形与刺入沉降。实测得10月22日初始管口高程为3.802m ，11月30日管口高程为3.671m ，管口发生了沉降。管子初始长度为24m 。
mm
0-10-13-15-22-34-41-53-68-65-65-62-75-85-98-102-102-105-110
观测日期磁环01磁环02磁环03磁环04磁环05磁环06
图5各分层沉降磁环累计沉降量实测值
通过运用式（4）～（7）对分层沉降管的弯曲变形进行被动沉降量的修正，得到了表3所示的各分层沉降磁环累计沉降量修正值。并且绘制各分层沉降磁环累计沉降量修正曲线，如图6所示。修正曲线图中，磁环06基本无累计沉降量，实际上磁环06位于最底部的土层，真空预压对最下部土层的压缩作用非常小，这与实际比较吻合；而磁环05至01的累计沉降量依次稳定增加，这与实际情况一致。
综上，运用文章所述的分层沉降弯曲变形及刺入沉降产生的管口沉降导致的磁环被动沉降的
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水运工程2010年
图6各分层沉降磁环累计沉降量修正值表3各分层沉降磁环累计沉降量修正值
mm
观测日期磁环01磁环02磁环03磁环04磁环05磁环0610-2200000010-25-22-15-10-43010-27-40-27-18-152010-29-60-39-45-162110-31-96-63-38-220011-02-141-93-57-29-4-311-04-168-114-70-32-4-411-06-217-144-89-40-6-511-08-267-177-110-50-9-611-10-310-207-131-60-11-911-12-343-223-137-63-10-911-14-360-240-151-68-11-811-16-387-265-161-77-8-711-18-436-292-178-86-16-1011-21-472-318-203-95-14-1111-23-506-341-216-101-13-1011-25-529-356-227-104-12-911-27-543-365-234-111-13-1011-30
-554
-377
-243
-115
-14
-11
修正方法，可以有效地解决分层沉降监测数据处理问题，使得测量值与实际值相吻合，更好地为工程实际服务。
5结语
1）讨论了真空预压软基处理沉降产生机理。沉降计算一般采用分层总和法。分层沉降观测便是用来达到该目的的一种方法，讨论了分层沉降监测的原理及计算。
2）提出了分层沉降的观测过程中常见的两个问题，分别是分层沉降管的弯曲变形和刺入沉降，这都导致了分层沉降管口的沉降。研究发现，仅管子的弯曲变形产生的管口沉降会给分层沉降磁环带来被动沉降量，而刺入沉降一般情况下不影响分层沉降监测的计算与分析。对该磁环的被动
沉降量进行了计算和分析。
3）结合工程实例进行了计算和分析，成功解决了管子弯曲带来的分层沉降数据处理问题。这对岩土工程、水利工程、港口工程等真空预压法软基处理过程中的分层沉降问题具有很好的借鉴作用。参考文献：
[1]
Kjellman W. Consolidation of clay soils by means of atmospheric pressure[C].MIT. Boston:Pro. Conference on Soil Stabilization, 1952:258-263. [2]
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[3]苏国祥, 王简年. 真空预压软基处理工程监测[J].港工技术,
2009(s1):116-119.
[4]丁金粟, 李锦坤. 土力学及基础工程[M].北京:地震出版
社, 1992.
[5]吴起星, 胡辉. 基于Gompertz 成长曲线的真空预压软土沉降
规律分析[J].岩石力学与工程学报, 2006
（10）:3600-3606. [6]于向吉. 真空预压的机理与应用研究[D].天津:天津大学,
2007.
[7]滕俊常, 林弘, 孙志鸿. 分层沉降观测技术的应用[J].黑
龙江交通科技, 2001（2）:13-14. [8]
刘金利, 王骅, 林敏. 分层沉降试验在工程实践中的运用与分析[J].内蒙古公路与运输, 2004（1）:19-22.
（本文编辑武亚庆）
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（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）
摘要：介绍真空预压软基处理工程中的沉降产生机理，特别是分层沉降的监测。浅层及深层软基处理过程中，分层沉降管会发生弯曲，弯曲导致管口发生一定的沉降，分析这种弯曲产生的沉降对分层沉降数据处理的影响，并研究了相应的解决方法。讨论了分层沉降管的刺入沉降问题，发现刺入沉降对数据处理无影响。结合工程实例进行了数据处理与分析，发现剔除分层沉降管的弯曲变形导致的磁环被动沉降量后，数据更加真实可信，这种处理问题的方法在工程中有广泛的现实意义。
关键词：真空预压软基处理；分层沉降；数据处理中图分类号：TU 447
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LING Bai-ping ，GONG Yong-kang ，ZHANG Jian-yue (ShanghaiInstitute of Waterways, Shanghai 200120, China)
Abstract:The settlement generating mechanism of vacuum preloading soft foundation treatment is
introduced. In the process of soft foundation treatment, the layered settlement pile will bend and thus induce some settlement. The effect of pile bending on data processing and its solution are analyzed. Meanwhile, the punching settlement of the pile is also discussed, and the conclusion is drawn that it has no influence on data processing. Data processing is analyzed combining with an engineering example, which comes into the conclusion that after rejecting the passive settlement of magnetic ring caused by the bending of layered settlement pile, the data is more true and reliable, so this method shall be widely used.
Key words:soft foundation treatment by vacuum preloading; layered settlement; data processing
软土广泛分布于我国的沿海和内陆地区，多为淤泥、淤泥质黏土等，具有强度低、含水量大、渗透性差、高压缩性等特点。常用的软基处理方法有许多种，而真空预压法便是其中的一种。真空预压法加固地基最早是由瑞典皇家地质学院杰尔曼（W Kjellman ）教授在1952年提出的[1]，随后在美国、日本、芬兰、法国等得到了运用，我国自1980年交通部一航局科研所在塘沽新港进行几次现场试验解决一些施工工艺后才在工程方面获得成功[2]。真空预压法，首先是在原地基表面铺设砂垫层，作为水平排水体，然后在土体中打入塑料排水板或袋装砂井，作为竖向排水体，接着布
收稿日期：2010-06-30
设主次滤管等，最后用不透气薄膜密封砂垫层，薄膜四周密封到土中。通过抽真空装置产生负压，借助于砂垫层及主次滤管将薄膜下土体中的空气抽出，继而将塑料排水板或者袋装砂井中的空气抽出，使土体与排水板或砂井间形成压力差，这时孔隙水流入排水板或砂井被排出，地下水位降低，地基土体由此被固结。
在真空预压过程中，软基发生了很大的沉降量，土体被压缩固结。而且，地基土上部压缩量大，下部压缩量小。分层沉降观测便是掌握不同深度土层压缩量的最好的办法。通过观测土层内
部不同部位的沉降大小，可以掌握各土层的变形
作者简介：凌柏平（1980—），男，工程师，主要从事地基、材料、结构检测等方面研究。
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特性及有效压缩层厚度，了解软基处理施工及运行期间的固结状况，判断其稳定性，作为控制施工进度、改进施工方法及确保工程安全的依据[3]。结合真空预压软基处理分层沉降观测的工程实例，对分层沉降观测及研究中出现的问题进行剖析，以达到优化分层沉降观测与计算方法、真实掌握土层压缩变化趋势的目的。1
真空预压软基处理沉降产生机理
从土的三相组成来看，土体压缩变形的原因可以分为以下3种：土颗粒本身的压缩变形；土孔隙中的水和空气的压缩；水和空气从孔隙中被挤出，孔隙本身的收缩。而一般工程所遇到的100~600kPa 的应力范围内，土颗粒和水本身的压缩变形都很小，可以忽略不计，故土体的压缩变形主要是由于孔隙的减小引起的[4]。
当抽真空时，如图1，大气压力为P a ，真空压力为P v ，因此在砂垫层、垂直排水通道先后形成超静孔隙水压力(P a -P v ) ，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体压缩固结，与此同时，土体产生沉降。软土地基的总沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降3部分。瞬时沉降指在荷载作用下由于土体的剪切变形所引起的，并在荷载作用下立即发生。固结沉降是由于孔隙水排出而引起土体积减小所造成的。次固结沉降则是由于超孔隙水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。软土地基沉降主要是固结沉降[5-6]。
图1
真空预压法负压固结孔压与有效应力关系
一般而言，土体的沉降计算往往采用分层总和法。分层总和法是建立在一维压缩的基础上的，
设每层土的厚度为H i ，在竖向应力从p 1变为p 2的情况下，相应的孔隙比也从e 1i 变为e 2i 。则该层土的沉降量S i 为：
S i =1+e H i
（1）
1i
则最终沉降量S 的分层总和法计算公式为：n
n
n
n
S =ΣS i =ΣH i =i =1i =11+e 1i ΣH i =i =11+e ΣH i
1i i =1E si
（2）
为了与计算值进行验证，进行了分层沉降的监测与研究。
2分层沉降监测原理及应用2.1
分层沉降监测原理
分层沉降监测是通过在不同深度与层位的土层处布置分层沉降磁环，让分层沉降磁环随着所在的土层的压缩变形而变化其位置，由其位置的变化来确定分层沉降磁环所在土层土体的压缩固结量。
分层沉降监测的整个系统由电磁式分层沉降观测沉降仪、分层沉降管、分层沉降磁环及其它配套设备构成。电磁式分层沉降观测仪的主要元件是内部带有磁感应器的探测器的测量探头，它遇到土中的分层沉降磁环的磁性后电流将会发生变化，引起蜂鸣器发出声响。分层沉降观测仪还有一个重要的元件便是受温度变形很小的钢卷尺，长度一般为50~100m ，其连接在测量探头端部随同探头一起进入分层沉降管中，测量每个分层沉降磁环的深度数据[7]。2.2
分层沉降监测的计算及应用
分层沉降测量时，设每个分层沉降磁环的初始读数为L 0i （即分层沉降磁环距管口的距离），历次测量时每个分层沉降磁环的读数为L i ，分层沉降管管口的初始高程为H 0，每个分层沉降磁环的初始高程为H 0-L 0i ，历次测量时每个分层沉降磁环的高程为H 0-L i ，则通过下式可计算出历次测量时每个分层沉降磁环的沉降量[8]s i ：
s i =(H 0-L 0i ) -(H 0-L i )
（3）
由每次分层沉降磁环的沉降量，可以推知每
个分层沉降磁环所处土层的压缩量为：
第12期凌柏平，等：真空预压软基处理分层沉降监测
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S i =s i -1-s i i =2,3,4,…
（4）将每个土层的压缩量叠加，即为整个土层的
压缩总量：
n
n
S =ΣS i =Σ(s i -1-s i )
（5）
i =2
i =2
3分层沉降监测常见问题及解决方法3.1
分层沉降管弯曲变形
3.1.1
管子弯曲产生的磁环被动沉降量
在真空预压软基处理过程中，分层沉降管一
般埋设于处理场地的中心位置或具有代表性的位置，以获取各个土层的最具代表性的压缩变化量。管口一般伸出密封膜外，出口处的密封膜必须扎紧，否则将会漏气，影响施工效果。在抽真空过程中，密封膜将对分层沉降管产生一定的向下的拉力，导致分层沉降管发生弯曲变形，如图2所示。
图2真空预压地基处理中分层沉降管弯曲变形过程现假设分层沉降管的初始长度为L 0（分层沉降管弯曲前的原始长度），沉降管弯曲后管顶的沉降量为ΔL （
该沉降量仅由弯曲引起），第i 只磁环到管顶的初始长度为L i （分层沉降管未发生弯曲时），管顶初始高程为H 0，每一个磁环上下无位移，管底不发生刺入沉降，如图3所示。初始时第i 只磁环的高程则为H 0-L i 。分层沉降管发生弯曲变形后，管顶高程下降了ΔL ，则此时管顶高程为H 0-ΔL 。此时，第i 只磁环到管顶的距离是多少呢？分层沉降管发生弯曲变形后，采用分层沉降测量仪测量每个磁环到管顶的距离，测量使用软尺，故可以认为管子长度不变，仍然为L 0，假设磁环不发生上下位移，则此时第i 只磁环到管顶的垂直距离（不是测量距离）为L i -ΔL ，管顶到管底的垂直距离为L 0-ΔL ，不考虑分层沉降管的弯曲变形方向，为简化计算，通过每只磁环到管顶的距离在垂直方向上占管子总长度的比例来计算第i 只磁环到管顶的距离，为L -ΔL L -ΔL ×L 0。分层沉降管发生弯曲
0变形后，第i 只磁环的高程则为：
（H 0-ΔL ）-L -ΔL L -ΔL
×L 0
（6）
0假设磁环不发生上下位移，管底不发生刺入沉降，仅由于管子发生弯曲变形，管口沉降了ΔL ，进而使得第i 只磁环在监测意义上发生了被动沉降ΔS 。该ΔS 为：
ΔS =[（H 0-ΔL ）-L i -ΔL ΔL （Δ×L 0]-（H 0-L ）i =
L -L ）i
（7
）00图3真空预压地基处理分层沉降管弯曲变形量
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水运工程2010年
该磁环被动沉降ΔS 可以认为是由于管子发生弯曲变形而附加到沉降监测上的，故应对其进行修正、扣除。3.1.2
管子弯曲产生的管口沉降量
分层沉降管的弯曲导致的管顶沉降量ΔL 可以由管子的弯曲度来确定。假设分层沉降管埋设之初是垂直于水平面的，考虑一维弯曲问题，如图4所示，分层沉降管弯曲后，管子中部纵轴线与垂直线的夹角为α，顶部往下每米管子与垂直线的夹角为αi ，则每米管子导致的管顶沉降量可以通过余弦定理简化计算获得：
Δi =l -l cos αi
（8）
则整个管子的管顶沉降可以通过每米管子导致的管顶沉降量的叠加获得：
L
L
ΔL =ΣΔi =Σ(l -l cos αi )
（9）
i =1
i =1
若不考虑每米管子的倾斜变化，只测量管子中部的弯曲角度α，则管顶沉降量ΔL 为：
ΔL =2×(L -L cos α) =L -L cos α
（10）
图4真空预压地基处理分层沉降管弯曲变形角度
3.2分层沉降管的刺入沉降
在真空预压地基处理过程中，由于地基土中
孔隙水的不断排出，土颗粒的不断重整、密实，故土层被逐步压缩固结。分层沉降管埋设在土层中，管口伸出密封膜外，在土层被压缩固结的过程中，地基土发生了很大的变形，土层会带动分层沉降管一起运动，分层沉降管将被刺入到土体下部；与此同时，密封膜绑扎在分层沉降管上，
因真空压力的作用，密封膜作用在分层沉降管上一个很大的向下的牵引力，故分层沉降管在密封膜的带动下也将被刺入到土层中。这两部分作用力共同导致了分层沉降管的刺入沉降。分层沉降管的刺入沉降量Δl 是随着时间的变化而不断改变的。
在分层沉降的监测过程中，应该经常校核分层沉降管顶高程的变化。假设在测量过程中测得的管顶高程为H i ，则管顶高程变化量为ΔH =H 0-H i 。管顶高程变化量ΔH 应该包括两个部分，即管子弯曲变形导致的管顶沉降量ΔL 与管子刺入沉降导致的管顶沉降量Δl ，则刺入沉降导致的管顶沉降量为：
Δl =ΔH-ΔL =H 0-H i -ΔL =H 0-H i -L +L cos α
（11）
以上的刺入沉降导致的管顶沉降量Δl ，一般不会影响分层沉降数据的处理和分析。假设分层沉降管不发生弯曲，仅发生刺入沉降，磁环不下降，初始时第i 个磁环的高程为H 0-L i ，则发生了管顶沉降Δl 后，第i 个磁环的高程为：
(H 0-Δl )-(L i -Δl ) =H 0-L i
（12）
前后两次第i 个磁环的高程相同，可见刺入沉降量对分层沉降的后期计算与分析没有影响。
但是，也存在例外的情况。当分层沉降管在埋设时，分层沉降磁环与分层沉降固定环之间的距离控制的过小时（如磁环与固定环之间的距离小于50cm
），则在刺入沉降的作用下，假设磁环不动，管子在下沉，则达到一定的刺入量，固定环便会带动分层沉降磁环向下移动，产生被动沉降量。故在埋设分层沉降管时，应该控制好分层沉降磁环与固定环之间的距离，根据经验，每个分层沉降磁环与其上部的固定环之间的距离至少应该控制在50cm 以上。
由以上所知，在分层沉降观测的后期数据处理过程中，如果每次都测量管顶高程，则只需要将管子弯曲所带来的被动沉降量从计算所得的磁环沉降量中剔除，则为每个分层沉降磁环所测得的沉降量的真实值。4工程实例4.1
工程概况
本工程位于浙江某沿海港口，地基为天然原始地基上覆盖吹填淤泥，地质条件为：①
吹填淤
第12期凌柏平，等：真空预压软基处理分层沉降监测
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泥，层厚约6m ；②淤泥质黏土，层厚约5m ；③黏土，层厚约8m ；④淤泥质粉质黏土，层厚约
土样名称淤泥淤泥淤泥淤泥质黏土
取土深度/m
-1.5-3.0-4.5-6.0
w/%107.898.888.978.4
ρ/(t/m3) 1.371.411.391.42
w L /%43.444.246.545.4
6m ；⑤黏土，层厚约5m 。上覆吹填淤泥的物理性质参数如表1。
w P /%22.624.525.826.3
I P /%20.819.720.719.1
直径大于0.075mm 颗粒含量/%
1.62.43.23.7
表1吹填淤泥层的物理性质参数
吹填淤泥上覆80cm 厚砂垫层，排水板打设深度25m ，间距0.8m ，后布设滤管与主管等管路系统并覆盖3层密封膜，边界处密封膜踩入淤泥中，踩入深度1.5m 。排水板打设完毕后，密封膜铺设前，埋设分层沉降管，每隔4m 布置1个分层沉降磁环，共布设6个分层沉降磁环，编号自上往下依次为磁环01、磁环02、磁环03直至磁环06，深度从砂垫层底部算起，往下24m 。每个分层沉降磁环与其上部固定环的距离为1.5m ，以剔除刺入沉降对磁环的影响。真空预压设计加载要求为膜下真空度≥85kPa 。4.2
分层沉降数据处理实例
通过分层沉降监测，获取自上而下的6个分层沉降磁环的累计沉降量。分层沉降磁环原始数据见表2，表中负号表示沉降，正号为反弹。
表2各分层沉降磁环累计沉降量实测值
10-2210-2510-2710-2910-3111-0211-0411-0611-0811-1011-1211-1411-1611-1811-2111-2311-2511-2711-30
0-26-44-64-100-143-171-221-270-311-345-360-392-436-476-511-535-549-560
0-21-33-46-71-102-126-159-195-222-238-254-286-311-342-368-384-393-406
0-17-26-55-51-74-90-115-143-159-166-178-198-215-248-265-277-284-295
0-13-26-29-39-53-61-77-97-102-105-109-129-142-161-171-175-184-191
0-7-11-14-22-35-41-54-71-67-66-65-76-91-101-105-105-108-113
从表2及图5可以看出，分层沉降磁环05和06的累计沉降量几乎相同，即管子下部的2个磁环的沉降量几乎相同，这与事实是不符合的。事实上，上一层土体的累计沉降量包含了下一层土体的累计沉降量。而分层沉降管同时发生了弯曲变形与刺入沉降。实测得10月22日初始管口高程为3.802m ，11月30日管口高程为3.671m ，管口发生了沉降。管子初始长度为24m 。
mm
0-10-13-15-22-34-41-53-68-65-65-62-75-85-98-102-102-105-110
观测日期磁环01磁环02磁环03磁环04磁环05磁环06
图5各分层沉降磁环累计沉降量实测值
通过运用式（4）～（7）对分层沉降管的弯曲变形进行被动沉降量的修正，得到了表3所示的各分层沉降磁环累计沉降量修正值。并且绘制各分层沉降磁环累计沉降量修正曲线，如图6所示。修正曲线图中，磁环06基本无累计沉降量，实际上磁环06位于最底部的土层，真空预压对最下部土层的压缩作用非常小，这与实际比较吻合；而磁环05至01的累计沉降量依次稳定增加，这与实际情况一致。
综上，运用文章所述的分层沉降弯曲变形及刺入沉降产生的管口沉降导致的磁环被动沉降的
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水运工程2010年
图6各分层沉降磁环累计沉降量修正值表3各分层沉降磁环累计沉降量修正值
mm
观测日期磁环01磁环02磁环03磁环04磁环05磁环0610-2200000010-25-22-15-10-43010-27-40-27-18-152010-29-60-39-45-162110-31-96-63-38-220011-02-141-93-57-29-4-311-04-168-114-70-32-4-411-06-217-144-89-40-6-511-08-267-177-110-50-9-611-10-310-207-131-60-11-911-12-343-223-137-63-10-911-14-360-240-151-68-11-811-16-387-265-161-77-8-711-18-436-292-178-86-16-1011-21-472-318-203-95-14-1111-23-506-341-216-101-13-1011-25-529-356-227-104-12-911-27-543-365-234-111-13-1011-30
-554
-377
-243
-115
-14
-11
修正方法，可以有效地解决分层沉降监测数据处理问题，使得测量值与实际值相吻合，更好地为工程实际服务。
5结语
1）讨论了真空预压软基处理沉降产生机理。沉降计算一般采用分层总和法。分层沉降观测便是用来达到该目的的一种方法，讨论了分层沉降监测的原理及计算。
2）提出了分层沉降的观测过程中常见的两个问题，分别是分层沉降管的弯曲变形和刺入沉降，这都导致了分层沉降管口的沉降。研究发现，仅管子的弯曲变形产生的管口沉降会给分层沉降磁环带来被动沉降量，而刺入沉降一般情况下不影响分层沉降监测的计算与分析。对该磁环的被动
沉降量进行了计算和分析。
3）结合工程实例进行了计算和分析，成功解决了管子弯曲带来的分层沉降数据处理问题。这对岩土工程、水利工程、港口工程等真空预压法软基处理过程中的分层沉降问题具有很好的借鉴作用。参考文献：
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（本文编辑武亚庆）