CN106884442A - 一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，包括沟谷状高填方地基内部变形场、应力场、水分场等监测系统的总体布置实施方法、高填方地基表面变形场的布置实施方法、高填方施工参数、环境变化参数的获取实施方法、基于大量监测数据提出的工后沉降多因素回归分析方法及土方增量估算方法等。本发明一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，系统的解决了高填方地基多场耦合原位监测系统的布置实施方法和工后沉降多因素回归预测分析方法、土方增加量的预估等问题。

Description

一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法

技术领域

本发明属于高填方工程信息化施工技术领域，具体涉及一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法。

背景技术

近年来，由于交通和基础设施需求突增，尤其是机场、高铁、“填沟造地、上山建城”等工程的大规模建设，在沟壑纵横的山区多采用高填方施工，其施工期安全性和工后长期稳定性是工程成败的关键，也是我国岩土工程领域研究的重点课题。然而，山区高填方存在诸多岩土工程问题，如：场区内地形地质条件复杂、地基的水敏性及处理问题、填方与挖方交接面的处理问题、暗穴的处理问题、坡面防水及处理问题、工后沉降及差异沉降的预测问题、信息化施工等问题。因此，高填方工程地质条件的复杂性和区域差异性，整个场地施工不是一点一处试验所能完全解决的，另外考虑到目前地基变形理论计算与实际的差异以及地质勘察所掌握的工程地质信息的局限性，对工程段进行多场耦合监测加之快速分析，对于实现高填方信息化施工，动态修改、完善设计和施工方案，是保证工程经济、安全、可靠、顺利完成的重要保证。

目前，针对高填方地基中存在的上述岩土工程问题，多采用原位监测方法来达到信息化施工的目的。然而，对于高填方地基稳定性分析方法存在以下问题：

(1)由于地层岩性的复杂性，高填方体的变形规律远非一种土体本构模型所能描述，室内“微元体”岩土力学试验、大尺度模型试验、离心模型试验等均难以模拟现场的复杂工程地质及水文地质条件，难以准确获取土体的本构参数，且与实际相差甚远；

(2)大量的理论分析的边界条件和假定与实际不符，“沟谷状”山区高填方广泛存在“拱效应”，填土体的实际“应力场”与弹性半无限空间假定存在极大差异；

(3)以往的原位监测忽略了施工期间的加载过程、边界条件的动态变化的分析，实际上，施工期加载速率、填料的初始饱和度(含水率和压实度的函数)、碾压施工方法等对高填方的工后变形起着决定性作用；

(4)高填方施工区改变了原有的地形地貌，地表径流和地下水渗流路径，也必将对研究区域的“水”环境产生影响，而以往的关于路基或地基中“水分场”的监测及其演化过程对地基稳定性的影响被忽略或粗略估计，往往导致工程事故发生；

(5)大多数工程无经验积累，基本停留在宏观变形规律随时间变化的一维分析上，严重缺乏对高填方地基变形稳定性的细观形成机制分析和时空规律多维度、多场耦合的分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，其基于原位监测，辅助相应的检测手段，全面掌握动态施工信息和土-水环境变化规律。

本发明所采用的技术方案是，一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：基于高填方施工图设计与详细勘察资料，根据沟谷形态、地形地貌特征、水文地质特征，制定总体监测方案，初步确定控制点和监测点的位置，确定填筑体内部、原地基内部的多场耦合监测系统组数、布设位置、测点安装和保护方式；

步骤2：采用测量设备进一步确认监测点的布设方位、监测线路通视情况和控制点的受干扰程度，并修改初步监测设计方案；

步骤3：根据最终监测设计方案，在不受施工和后期建设干扰区域布设二等水准控制点；

步骤4：清除高填方原地基与设计填方交界面处的杂物，钻孔至原地面以下稳定的地基中，沿沟谷横跨方向即X方向、纵向即Y方向和竖直方向即Z方向至少布设3组多场耦合监测系统，并进行初测，校准测量结果；

步骤5：施工前，在坡脚原地基内布设1孔以上的测斜管，随着土方填筑高度达到预定高程后，立刻在高填方坡体中部和坡顶以下的填方和原地基中分别布设深层水平位移监测孔，用于监测坡体内部的水平位移发展规律；

步骤6：填方施工期间和填方间歇停工期间，在填方顶部和坡面上按照方格网布设地表沉降水准监测点，并进行初测，获取各监测点的初始高程，用于后期长期监测地表的沉降时空规律；

步骤7：监测过程中，如果发现局部出现地基开裂、渗水、滑移或明显的不稳定现象，应及时提出预警报告，并按照步骤2-步骤6加密布点，严密观测局部不稳定区域的稳定性；

步骤8：基于实测资料，整理监测点的变形场-应力场-水分场参数随时间、填土速率、填土荷载、填土高度的变化规律，分析填方体内部变形、压实度、含水率的时空变化规律，然后基于非饱和土力学、土力学、材料力学、双电层等理论体系，分析高填方地基的宏观变形规律和细观形成机制，再基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，用于预测高填方长期变形稳定性；

步骤9：根据上述的预测公式，预测一段时间之后高填方的多场变量演化规律，之后继续开展上述监测内容，将实测结果与预测结果进行对比，逐步修正预测公式。

本发明的特点还在于：

步骤1中在高填方建设之前，针对所有检测设备进行标定，主要标定的监测设备包括：全站仪、电子水准仪、测斜仪、分层沉降仪、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试仪、土压力计。

步骤4-步骤6中每次开展所有监测点监测之前，测量填方区填土高度、填土碾压遍数、碾压机具、现场检测所在填方高程上填土体的压实度、含水率，计算填土速率，测量当天的温度、记录降雨量情况，用于了解填方体的施工工艺、施工质量、环境变化等因素对高填方地基稳定性的影响。

步骤8中基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，具体为：

根据高填方施工填筑时间t，填方厚度H，平均填土速率υ＝H/t，平均压实度k，工后沉降经历时间D，建立如下式的高填方工后沉降多因素回归方程：

上式中：a、b、c、d、e、f、g均为拟合参数，需要根据大量的监测和检测数据及研究区域的施工过程、填方压实程度、填土速率、填土厚度综合指标进行回归分析。

本发明的有益效果是：本发明一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，系统的解决了高填方地基多场耦合原位监测系统的布置实施方法和工后沉降多因素回归预测分析方法、土方增加量的预估等问题。

附图说明

图1是沟谷状高填方地基表面位移场监测系统示意图；

图2是沟谷状高填方内部多场耦合监测系统示意图；

图3是图1中的剖面2的主视图；

图4是图1中的剖面1的主视图；

图5是图1中的剖面1的俯视图；

图6是多场耦合监测系统及光缆线布置方法示意图；

图7是高填方增量估算方法简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：基于高填方施工图设计与详细勘察资料，根据沟谷形态、地形地貌特征、水文地质特征，制定总体监测方案，初步确定控制点和监测点的位置，确定填筑体内部、原地基内部的多场耦合监测系统组数、布设位置、测点安装和保护方式；同时在高填方建设之前，针对所有监测设备进行标定，主要标定的监测设备包括：全站仪、电子水准仪、测斜仪、分层沉降仪、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试仪、土压力计等。

步骤2：现场踏勘，采用全站仪测量设备进一步确认监测点的布设方位、监测线路通视情况和控制点的受干扰程度，并修改初步监测设计方案；

步骤3：根据最终监测设计方案，在不受施工和后期建设干扰区域布设二等水准控制点(可参考相应的行业规范执行)；

步骤4：清除高填方原地基与设计填方交界面处的杂物，钻孔至原地面以下稳定的地基中，沿沟谷横跨方向(X方向)、纵向(Y方向)和竖直(Z方向)方向至少布设3组多场耦合监测系统，并进行初测，校准测量结果。该监测系统用于深入了解原地基体和填方体内部的分层沉降、土压力、基质吸力、含水率等变化过程，为高填方地基的细观变形机理分析提供参数；

步骤5：施工前，在坡脚原地基内布设1孔以上的测斜管，随着土方填筑高度达到预定高程后，立刻在高填方坡体中部和坡顶以下的填方和原地基中分别布设深层水平位移监测孔，用于监测坡体内部的水平位移发展规律；

步骤6：填方施工期间和填方间歇停工期间，在填方顶部和坡面上按照方格网布设地表沉降水准监测点，并进行初测，获取各监测点的初始高程，用于后期长期监测地表的沉降时空规律；

步骤4-步骤6的整个测点布设和监测过程中，每次开展所有监测点监测之前，测量填方区填土高度、填土碾压遍数、碾压机具、现场检测所在填方高程上填土体的压实度、含水率，计算填土速率，测量当天的温度、记录降雨量情况；用于了解填方体的施工工艺、施工质量、环境变化等因素对高填方地基稳定性的影响。

步骤7：监测过程中，如果发现局部出现地基开裂、渗水、滑移或明显的不稳定现象，应及时提出预警报告，并按照步骤2-步骤6加密布点，严密观测局部不稳定区域的稳定性；

步骤8：基于实测资料，整理监测点的变形场(边坡深层水平位移、地基沉降)-应力场(土压力、基质吸力)-水分场(含水率)等参数随时间、填土速率、填土荷载、填土高度的变化规律，分析填方体内部变形、压实度、含水率的时空变化规律，然后基于非饱和土力学、土力学、材料力学、双电层等理论体系，分析高填方地基的宏观变形规律和细观形成机制，再基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，用于预测高填方长期变形稳定性。

基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，具体为：

根据高填方施工填筑时间t，填方厚度H，平均填土速率υ＝H/t，平均压实度k，工后沉降经历时间D，建立如下式的高填方工后沉降多因素回归方程：

上式中：a、b、c、d、e、f、g均为拟合参数，需要根据大量的监测和检测数据及研究区域的施工过程、填方压实程度、填土速率、填土厚度综合指标进行回归分析。

步骤9：根据上述的预测公式，预测一段时间之后高填方的多场变量演化规律，之后继续开展上述监测内容，将实测结果与预测结果进行对比，逐步修正预测公式，应用于由于工后沉降引起的高填方顶部增加的土方量估算，此外，还可应用于高填方地基基础总沉降量、不均匀沉降及最终稳定时间的预测。

如图1所示为沟谷状高填方地基表面位移场监测系统示意图，图2所示为沟谷状高填方土体内部多场耦合监测系统示意图，该监测系统的实施方法具体为：

基于高填方施工图设计与详细勘察资料，根据沟谷形态、地形地貌特征、水文地质特征，制定总体监测方案，初步确定高填方地基表面的水准控制点和监测点的位置，确定填筑体内部、原地基内部的多场耦合监测系统组数、布设位置、测点安装和保护方式，并对水准控制点进行布设和联测；另外，在高填方建设之前，针对所有检测设备进行标定，主要标定的监测设备包括：全站仪、电子水准仪、测斜仪、分层沉降仪、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试仪、土压力计，目的在于保证监测设备在研究区域的“水-土-气”环境中能够正常使用、反应灵敏、测量结果稳定可靠。

如图3是沟谷状高填方地基与沟谷走向正交的监测系统布置横剖面图即图1中的剖面2的主视图，图4是沟谷状高填方地基沿沟谷走向的监测系统布置纵剖面图即图1中的剖面1的主视图，在填方施工之前，根据预先制定的监测方案，在原地基内部(至少原地基以下3～5m)布设多场耦合监测系统，包括深层沉降板、土压力计、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试探头，当填方达到一定高程后，在相同的高程上继续布设多场耦合监测系统和坡面沉降水准监测点，并同时在边坡坡脚、坡体中部和坡顶以下进行钻孔，布设边坡水平位移测斜管，当地基比较均匀，无明显地层分界面情况下，测斜管的埋置深度至少在原地基以下3～5m，如果勘探结果显示有古滑坡或已知的滑裂面，测斜管底部稳定点应至少穿过滑裂面以下3～5m；除此之外，还应在距离测斜管周围约1～2m处应布设多场耦合监测系统，以便同时了解其周围土体的应力场-水分场变化规律。

如图5为沟谷状高填方地基表面变形监测点的俯视图即图1中的剖面1的俯视图，当高填方最终填至预订设计高程时，应根据方格网(根据工程面积大小，当监测线长度超过100m以上时，每间隔20m以上布设1个监测点)迅速布设填方地表的沉降水准监测点，并进行初测各监测点的初始高程，根据相应的监测规范执行监测频次。监测过程中，如果发现局部出现地基开裂、渗水、滑移或明显的不稳定现象，应及时提出预警报告，并进行加密布点，严密观测局部不稳定区域的稳定性。

如图6所示，为了保证施工期间高填方地基施工碾压、强夯对监测设备及光缆线不产生破坏，导致监测设备安装失效，需要对光缆线进行适当的保护，应将光缆线集中在预先开凿的深度约0.5m深度的壕沟中，将土压力计、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试探头的光缆线集中埋置于壕沟中，然后用填土夯实，并在上部采用1/4圆弧的PVC管紧扣光缆线夯土顶部，保证光缆线不被碾压开裂失效。

如表1所示，在开展监测之前，应先对测量当天的填土高度、填土速率、碾压机具、碾压遍数、填土体的压实度、含水率、温度、降雨量等参数进行严格记录和收集，便于了解填方体的施工工艺、施工质量、环境变化等因素对高填方地基稳定性的影响；根据前期的大量监测数据和施工记录数据，整理监测点的变形场-应力场-水分场等参数随时间、填土速率、填土荷载、填土高度的变化规律，分析填方体内部变形、压实度、含水率的时空变化规律，再基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的预测公式，用于预测高填方长期变形稳定性。具体可以采取如下方式进行：根据高填方施工填筑时间t，填方厚度H，平均填土速率υ＝H/t，平均压实度k，工后沉降经历时间D，可建立如下式的高填方工后沉降量S_D的多因素回归方程：

上式中：a、b、c、d、e、f、g均为拟合参数，需要根据大量的监测和检测数据及研究区域的施工过程、填方压实程度、填土速率、填土厚度等综合指标进行回归分析。表1为某具体工程的实测资料和预测结果对比。

表1工后沉降预测与现场监测的对比分析

如图7所示，假定H_D是高填方顶部设计高程，H_i是原沟谷状地基面高程，H_s是由于工后沉降导致的高填方顶部高程，高填方的填土厚度H＝H_D-H_i，工后沉降量S_Di＝H_D-H_si，则高填方地基某监测点的设计高程所对应的的三维坐标为Z_D(X_i,Y_i,H_D),原沟谷状地基面高程所对应的的三维坐标为Z₀(X_i,Y_i,H_i)，由于工后沉降导致的高填方顶部高程所对应的的三维坐标为Z_s(X_i,Y_i,H_si)，将其表达为下式：

Z_D＝F(X,Y), (2)

Z₀＝G₀(X,Y), (3)

Z_S＝G_S(X,Y). (4)

则高填方填筑体的体积为：

V₀＝∫∫[F(X,Y)-G₀(X,Y)]dxdy. (5)

由于工后沉降导致的填方增量体积为：

V_i＝∫∫[F(X,Y)-G_s(X,Y)]dxdy. (6)

上述关于填方增量体积的计算，可以采用大型有限元软件ANSYS中的ADPL语言进行简单编程，将步骤一种获取的原地基地形地貌特征和高填方设计高程作为初始参数，采用SOLID45单元建立数值模型，采用单元体积大小计算命令，可以直接计算原设计方案下填方体的总体积V₀，然后再根据高填方顶部工后沉降量预测公式(1)，预测沉降稳定后高填方顶部的沉降量，然后根据预测沉降量大小对高填方顶部施加对应竖向沉降荷载，再计算顶部发生沉降之后的填方体体积V₁，则填方顶部后期需要再增加的土方量即为：V₁-V₀。该方法简单易于操作，且可用于后期进一步高填方工后沉降预测的数值模拟分析。

本发明沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，包括：“三面两体三水”的多场耦合监测系统，指的是在高填方的原地基地与填方体交界面、填方边坡临空面、填方顶部建基面(三面)部位，在填筑体及原地基体内部(两体)不同空间上布设相应的监测设备，在地表水、地基内部水、地下水(三水)易于渗透或产生影响的高填方体内部布设相应的监测系统的实施方法，同时辅助工后沉降多因素回归分析系统和填方增量估算方法，来达到高填方信息化施工的目的。

Claims (4)

1.一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：基于高填方施工图设计与详细勘察资料，根据沟谷形态、地形地貌特征、水文地质特征，制定总体监测方案，初步确定控制点和监测点的位置，确定填筑体内部、原地基内部的多场耦合监测系统组数、布设位置、测点安装和保护方式；

步骤2：采用测量设备进一步确认监测点的布设方位、监测线路通视情况和控制点的受干扰程度，并修改初步监测设计方案；

步骤3：根据最终监测设计方案，在不受施工和后期建设干扰区域布设二等水准控制点；

步骤4：清除高填方原地基与设计填方交界面处的杂物，钻孔至原地面以下稳定的地基中，沿沟谷横跨方向即X方向、纵向即Y方向和竖直方向即Z方向至少布设3组多场耦合监测系统，并进行初测，校准测量结果；

步骤5：施工前，在坡脚原地基内布设1孔以上的测斜管，随着土方填筑高度达到预定高程后，立刻在高填方坡体中部和坡顶以下的填方和原地基中分别布设深层水平位移监测孔，用于监测坡体内部的水平位移发展规律；

步骤6：填方施工期间和填方间歇停工期间，在填方顶部和坡面上按照方格网布设地表沉降水准监测点，并进行初测，获取各监测点的初始高程，用于后期长期监测地表的沉降时空规律；

步骤7：监测过程中，如果发现局部出现地基开裂、渗水、滑移或明显的不稳定现象，应及时提出预警报告，并按照步骤2-步骤6加密布点，严密观测局部不稳定区域的稳定性；

步骤8：基于实测资料，整理监测点的变形场-应力场-水分场参数随时间、填土速率、填土荷载、填土高度的变化规律，分析填方体内部变形、压实度、含水率的时空变化规律，然后基于非饱和土力学、土力学、材料力学、双电层等理论体系，分析高填方地基的宏观变形规律和细观形成机制，再基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，用于预测高填方长期变形稳定性；

步骤9：根据上述的预测公式，预测一段时间之后高填方的多场变量演化规律，之后继续开展上述监测内容，将实测结果与预测结果进行对比，逐步修正预测公式。

2.根据权利要求1所述的一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，其特征在于，所述步骤1中在高填方建设之前，针对所有检测设备进行标定，主要标定的监测设备包括：全站仪、电子水准仪、测斜仪、分层沉降仪、吸力探头、TDR土壤水分-温度测试仪、土压力计。

3.根据权利要求1所述的一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，其特征在于，所述步骤4-步骤6中每次开展所有监测点监测之前，测量填方区填土高度、填土碾压遍数、碾压机具、现场检测所在填方高程上填土体的压实度、含水率，计算填土速率，测量当天的温度、记录降雨量情况，用于了解填方体的施工工艺、施工质量、环境变化等因素对高填方地基稳定性的影响。

4.根据权利要求1所述的一种沟谷状高填方地基多场耦合监测系统的实施方法，其特征在于，所述步骤8中基于多因素回归分析方法，建立高填方地基工后变形的经验预测公式，具体为：

根据高填方施工填筑时间t，填方厚度H，平均填土速率υ＝H/t，平均压实度k，工后沉降经历时间D，建立如下式的高填方工后沉降多因素回归方程：

$S_D=f(\mathrm{\υ},k,H,t,D...)=a\exp \left(b\mathrm{\υ}\right)+(\frac{cD}{d+eD}-fk+g)H$

上式中：a、b、c、d、e、f、g均为拟合参数，需要根据大量的监测和检测数据及研究区域的施工过程、填方压实程度、填土速率、填土厚度综合指标进行回归分析。