CN115653023B - 一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及近海区海洋工程建筑技术领域，具体提供一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，该监测方法包括：在近海区岩石基坑的建造位置处建造近海区岩石基坑的第一固定桩；在没有内支护结构的情况下挖掘近海区岩石基坑的坑体至检测深度；检测泥沙层和岩石层的力学参数；根据泥沙层和岩石层的力学参数、内支护的力学参数、第一固定桩的力学参数，计算内支护的多个预计设置位置；继续挖掘坑体，由浅至深依次至预计设置位置；检测泥沙层和岩石层的形变，修正预计位置，并依次设置内支护，直至达到近海区岩石基坑的建造深度。本申请能够准确地计算近海区岩石基坑的最大形变位置并进行加固，以保证近海区岩石基坑的结构稳定。

Description

一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法

技术领域

本申请涉及近海区海洋工程建筑技术领域，尤其涉及一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法。

背景技术

随着对海洋开发技术的日趋丰富，需要在近海区建造建筑，例如海洋隧道桥梁建筑、海港建筑、海上电站建筑、海岸堤坝建筑、海上钻井平台等，在建造前都需要在对应位置的近海区海底挖掘建造基坑，以使建筑结构稳定。近海区域海底的一大特点就是上层存在泥沙、下层存在岩石，因此会极大地增加基坑的建造难度。因此，在近海区域海洋工程建筑的建造过程中，需要检测近海区岩石基坑的形变量以及时进行加固。

然而，现有陆上建筑的岩石基坑稳定性监测方法，受限于近海区域海底的特点，不适用于近海区海洋工程建筑的岩石基坑稳定性检测。

在建造水下基坑时，通常会采用隔离排水建造或水下直接建造两种方式。水下直接建造基坑的方式可以简化建造过程。但是如果在近海区进行水下基坑建造，那么地质的结构和海流都会影响基坑的建造。近海区的海底的一种典型地质结构就是，上层为泥沙层，下层为岩石层。在建造基坑时，泥沙会流动，从而影响坑体的挖掘。因此需要固定坑体周围。通常会在挖掘的过程中设置内支护。但是，当内支护之间的距离较大时，内支护的支护效果会变差；当内支护之间的距离较小时，内支护的数量较多，需要消耗更多的人力物力。

发明内容

鉴于上述的分析，本申请旨在提供一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，能够准确地计算近海区岩石基坑的最大形变位置并进行加固，以保证近海区岩石基坑的结构稳定。

本申请的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本申请实施例提供了一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，近海区岩石基坑设置于近海区海底，近海区海底包括下层的岩石层和上层的泥沙层，至少部分的近海区岩石基坑位于岩石层；近海区岩石基坑稳定性的监测方法包括：

步骤1、在近海区岩石基坑的建造位置处建造近海区岩石基坑的第一固定桩；

步骤2、在没有内支护结构的情况下挖掘近海区岩石基坑的坑体至检测深度；

步骤3、检测泥沙层和岩石层的力学参数；

步骤4、根据泥沙层和岩石层的力学参数、内支护的力学参数、第一固定桩的力学参数，计算内支护的多个预计设置位置；

步骤5、继续挖掘坑体，由浅至深依次至预计设置位置；

步骤6、检测泥沙层和岩石层的形变，修正预计位置，并依次设置内支护，直至达到近海区岩石基坑的建造深度。

本申请实施例中，步骤1包括：将第一固定桩贯穿泥沙层，穿入岩石层，并使每个第一固定桩到近海区岩石基坑的建造位置的距离均为第一距离；获取第一固定桩的弹性模量EI。

本申请实施例中，步骤2中，检测深度与近海区岩石基坑的建造深度的比例小于等于检测系数。

本申请实施例中，步骤3中，泥沙层和岩石层的力学参数包括重度γ和剪切应力-应变关系。

本申请实施例中，步骤4包括：根据泥沙层和岩石层的力学参数和实际挖掘深度h计算泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW；根据内支护的力学参数计算内支护的形变能ΔV；根据第一固定桩的力学参数计算第一固定桩的弹性应变能ΔU；其中，ΔP+ΔW+ΔU+ΣΔV=0，并计算出实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系；在预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h处设置内支护。

本申请实施例中，步骤4还包括：由浅入深第一个内支护的第一预计深度H1满足：ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀=0，其中，ΔV₀=0，此时获得实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h为第一预计深度H1。

本申请实施例中，步骤4还包括：步骤4.2、由浅入深第二个内支护的第二预计深度H2满足：ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀+ΔV₁=0，其中，此时获得实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h为第二预计深度H2。

本申请实施例中，步骤5包括：继续挖掘坑体，直至第一预计深度H1，在第一预计深度H1设置由浅入深第一个内支护。

本申请实施例中，步骤6包括：在第一预计深度H1，检测泥沙层和岩石层的实际形变量δ’1，将实际形变量δ’1与预计形变量δ进行比较，调整第一预计深度H1，并调整内支护的位置。

本申请实施例中，步骤6还包括：当实际形变量δ’1大于预计形变量δ，且差值大于允许误差时，将由浅入深第一个内支护的位置调高；当实际形变量δ’1小于预计形变量δ，且差值大于允许误差时，将由浅入深第一个内支护的位置调低。

与现有技术相比，本申请至少具有如下有益效果之一：

（a）本申请通过检测力学参数，计算获得泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW、内支护的形变能ΔV和第一固定桩的弹性应变能ΔU，四者能量守恒，从而获得实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，在预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h处设置内支护，从而最大限度地利用内支护提供的支撑效果，减少内支护的使用。

（b）本申请采用逐级计算的形式，来确定每个内支护的预计深度，当完成某一级的预计深度的挖掘后，可以根据实际的形变量来调整该一级内支护的位置，从而优化内支护的设置，进一步充分利用内支护的支撑效果。

本申请中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本申请的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本申请实施例的近海区岩石基坑稳定性的监测方法的流程图。

具体实施方式

申请人提出了一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，通过检测力学参数，采用逐级计算的形式，来确定每个内支护的预计设置位置，当完成某一级的预计深度的挖掘后，可以根据实际的形变量来调整该一级内支护的位置，从而最大限度地利用内支护提供的支撑效果，减少内支护的使用。

具体地，本申请实施例提供了一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，近海区岩石基坑设置于近海区海底，近海区海底包括下层的岩石层和上层的泥沙层，至少部分的近海区岩石基坑位于岩石层。

本申请实施例的近海区岩石基坑建造于近海区的海底，海底的结构包括位于上层的泥沙层和位于下层的岩石层，岩石层的结构强度较大，结构稳定，泥沙层的结构强度较低，在海流的作用下呈现出一定的流动性。本申请实施例的近海区岩石基坑贯穿泥沙层，且穿入岩石层，以保证本申请实施例的近海区岩石基坑具备一定的结构强度。

本申请实施例的近海区岩石基坑稳定性的监测方法包括：

步骤1、在近海区岩石基坑的建造位置处建造近海区岩石基坑的第一固定桩。

将第一固定桩贯穿泥沙层，穿入岩石层，并使每个第一固定桩到近海区岩石基坑的建造位置的距离均为第一距离。获取第一固定桩的力学参数，应当至少包括弹性模量EI。

第一固定桩可以设有多个，围绕近海区岩石基坑的坑体的外侧设置。第一固定桩贯穿泥沙层并穿入岩石层，并与岩石层相互固定，从而固定坑体周围的海底。此外，第一固定桩也能够对泥沙层起到一定的固定作用，从而减少坑体周围的泥沙进入坑体，方便本申请实施例的近海区岩石基坑的后续使用。在挖掘建造坑体时，也能够减少进入本申请实施例的近海区岩石基坑的建造区域的泥沙，从而提高坑体的挖掘效率。

步骤2、在没有内支护结构的情况下挖掘近海区岩石基坑的坑体至检测深度。

在初步挖掘的过程中，坑体的形变较小，在没有内支护的情况下挖掘。随着挖掘深度的增加，形变量逐渐增加，可能会达到需要内支护的程度，因此，检测深度与近海区岩石基坑的建造深度的比例小于等于检测系数。示例性地，检测系数可以为0.05~0.1。进行初步挖掘的目的在于通过步骤3的检测，力学参数，例如应力应变关系，需要在挖掘一定程度，并根据已经挖掘的部分产生的形变来获得。也就是说检测深度可以适当地选择较小的深度。

步骤3、检测泥沙层和岩石层的力学参数。

其中，泥沙层和岩石层的力学参数包括重度γ和剪切应力-应变关系。需要能够获得泥沙层和岩石层的势能和内能。

步骤4、根据泥沙层和岩石层的力学参数、内支护的力学参数、第一固定桩的力学参数，计算内支护的多个预计设置位置。

根据泥沙层和岩石层的力学参数和实际挖掘深度h计算泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW；根据内支护的力学参数计算内支护的形变能ΔV；根据第一固定桩的力学参数计算第一固定桩的弹性应变能ΔU；其中，ΔP+ΔW+ΔU+ΣΔV=0，并计算出实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系；在预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h处设置内支护。

本申请实施例采用均方位移（Mean Square Displacement，MSD）分析的方式进行计算。通过步骤3的检测，能够获得泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW，其中二者均可以通过变量为实际挖掘深度h和泥沙层和岩石层的预计形变量δ的函数来表达。同样地，根据内支护的力学参数计算内支护的形变能ΔV，形变能ΔV可以通过变量为实际挖掘深度h和泥沙层和岩石层的预计形变量δ的函数来表达；根据第一固定桩的力学参数计算第一固定桩的弹性应变能ΔU，弹性应变能ΔU也可以通过变量为实际挖掘深度h和泥沙层和岩石层的预计形变量δ的函数来表达。根据能量守恒，计算泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW、所有内支护的形变能ΔV总和、第一固定桩的弹性应变能ΔU，四者能量守恒，即，ΔP+ΔW+ΔU+ΣΔV=0。可以获得出实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系也就是说随着挖掘深度h的增加，可以确定近海区岩石基坑各处的预计形变量δ的变化。当预计形变量δ取最大值时，对应的挖掘深度h处，可以设置内支护，以使内支护能够支撑需要支护的位置。由于内支护的设置更加合理，可以充分地利用内支护的支护能力，进而减少内支护的组数量。

步骤5、继续挖掘坑体，由浅至深依次至预计设置位置。

根据步骤4获得的预计位置，进行挖掘，并在对应位置设置内支护，同时，计算下一个内支护的预计位置。如此往复循环。

示例性地，在完成了检测挖掘后，需要确定由浅入深第一个内支护的第一预计深度H1。

此时根据能量守恒，ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀=0，其中，由于还没有设置内支护，ΔV₀=0。此时，获得实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h为第一预计深度H1。

在挖掘至第一预计深度H1时，设置第一个内支护，同时计算第二个内支护的第二预计深度H2。

此时，根据能量守恒，ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀+ΔV₁=0，其中，ΔV₀=0，ΔV₁为第一个内支护的形变能。同样地，预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h为第二预计深度H2。

如此循环，在挖掘至第二预计深度H2时，设置第二个内支护，并计算第三个内支护的第三预计深度H3；在挖掘至第三预计深度H3时，设置第三个内支护，并计算第四个内支护的第三预计深度H4……依次类推。

如此，就可以根据能量守恒，获得逐级获得每个内支护的预设深度，并以此为指导进行逐级挖掘。

步骤6、检测泥沙层和岩石层的形变，修正预计位置，并依次设置内支护，直至达到近海区岩石基坑的建造深度。

在挖掘至某个内支护对应的预计深度时，可以根据实际检测的形变来修正在该内支护的上一级计算的预计深度H，是否为实际形变量最大的对应的挖掘深度，并以此来修正该内支护的设置位置，从而进一步优化内支护的设置，以提高对内支护的利用。

示例性地，在第一预计深度H1，检测泥沙层和岩石层的实际变形量δ’1，将实际变形量δ’1与预计变形量δ进行比较，调整第一预计深度H1，并调整内支护的位置。

当实际变形量δ’1的最大值大于预计变形量δ的，且差值大于允许误差时，代表第一预计深度H1时，最大形变量对应的实际深度要比第一预计深度H1高，也就是说，已经挖过了设置第一个内支护的最佳位置，将由浅入深第一个内支护的位置调高。

当实际变形量δ’1的最大值小于预计变形量δ，且差值大于允许误差时，代表第一预计深度H1时，最大形变量对应的实际深度要比第一预计深度H1低，也就是说，还没挖到设置第一个内支护的最佳位置，将由浅入深第一个内支护的位置调低。

可选地，可以在步骤1之前对近海区岩石基坑的建造位置的周围进行预处理，以使挖掘的过程中，近海区岩石基坑的建造位置处于相对稳定的水下环境。

具体的，在近海区岩石基坑的建造位置的外围建造水流挡墙，以抵抗水流的冲击。水流挡墙围绕近海区岩石基坑的建造位置设置，横截面的形状为纺锤形，中轴面与近海区岩石基坑的建造位置的水流方向的夹角小于等于10°。水流挡墙可以使水流更流畅地从水流挡墙的外侧流过，以使水流挡墙内的水流相对稳定，从而减少水流带起的泥沙，方便近海区岩石基坑的挖掘。水流挡墙可以位于水面以下，当海底深度较低时，水流挡墙也可以从水面伸出。

综上所述，本申请实施例提供了一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，本申请通过检测力学参数，计算获得泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW、内支护的形变能ΔV和第一固定桩的弹性应变能ΔU，四者能量守恒，从而获得实际挖掘深度h与泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，在预计形变量δ的最大值对应的实际挖掘深度h处设置内支护，从而最大限度地利用内支护提供的支撑效果，减少内支护的使用。本申请采用逐级计算的形式，来确定每个内支护的预计深度，当完成某一级的预计深度的挖掘后，可以根据实际的形变量来调整该一级内支护的位置，从而优化内支护的设置，进一步充分利用内支护的支撑效果。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述近海区岩石基坑设置于近海区海底，所述近海区海底包括下层的岩石层和上层的泥沙层，所述近海区岩石基坑的底部位于所述岩石层内；

所述近海区岩石基坑稳定性的监测方法包括：

步骤1、在所述近海区岩石基坑的建造位置处建造所述近海区岩石基坑的第一固定桩；

所述步骤1包括：在近海区岩石基坑的建造位置的外围建造水流挡墙；所述水流挡墙围绕近海区岩石基坑的建造位置设置，所述水流挡墙的横截面的形状为纺锤形，所述水流挡墙的中轴面与近海区岩石基坑的建造位置的水流方向的夹角小于等于10°；将所述第一固定桩贯穿所述泥沙层，穿入所述岩石层，并使每个所述第一固定桩到所述近海区岩石基坑的建造位置的距离均为第一距离；获取所述第一固定桩的弹性模量EI；

步骤2、在没有内支护结构的情况下挖掘所述近海区岩石基坑的坑体至检测深度；

步骤3、检测所述泥沙层和岩石层的力学参数；

步骤4、根据所述泥沙层和岩石层的力学参数、内支护的力学参数、第一固定桩的力学参数，计算内支护的多个预计设置位置；

所述步骤4包括：

根据所述泥沙层和岩石层的力学参数和实际挖掘深度h计算所述泥沙层和岩石层的势能变化ΔP和内能变化ΔW；

根据内支护的力学参数计算内支护的形变能ΔV；

根据第一固定桩的力学参数计算第一固定桩的弹性应变能ΔU；

其中，ΔP+ΔW+ΔU+ΣΔV=0，并计算出实际挖掘深度h与所述泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系；在所述预计形变量δ的最大值对应的所述实际挖掘深度h处设置内支护；

步骤5、继续挖掘坑体，由浅至深依次至预计设置位置；

步骤6、检测泥沙层和岩石层的形变，修正预计位置，并依次设置内支护，直至达到所述近海区岩石基坑的建造深度；

所述步骤6包括：

在第一预计深度H1，检测所述泥沙层和岩石层的实际形变量δ’1，将实际形变量δ’1与预计形变量δ进行比较，调整第一预计深度H1，并调整所述内支护的位置；当实际形变量δ’1大于预计形变量δ，且差值大于允许误差时，将由浅入深第一个所述内支护的位置调高；当实际形变量δ’1小于预计形变量δ，且差值大于允许误差时，将由浅入深第一个所述内支护的位置调低。

2.根据权利要求1所述的近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述步骤2中，所述检测深度与所述近海区岩石基坑的建造深度的比例小于等于检测系数。

3.根据权利要求2所述的近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述步骤3中，所述泥沙层和岩石层的力学参数包括重度γ和剪切应力-应变关系。

4.根据权利要求3所述的近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述步骤4还包括：

由浅入深第一个所述内支护的第一预计深度H1满足：

ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀=0，其中，ΔV₀=0，此时获得实际挖掘深度h与所述泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，所述预计形变量δ的最大值对应的所述实际挖掘深度h为第一预计深度H1。

5.根据权利要求4所述的近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述步骤4还包括：

步骤4.2、由浅入深第二个所述内支护的第二预计深度H2满足：

ΔP+ΔW+ΔU+ΔV₀+ΔV₁=0，其中，此时获得实际挖掘深度h与所述泥沙层和岩石层的预计形变量δ的曲线关系，所述预计形变量δ的最大值对应的所述实际挖掘深度h为第二预计深度H2。

6.根据权利要求5所述的近海区岩石基坑稳定性的监测方法，其特征在于，所述步骤5包括：

继续挖掘坑体，直至第一预计深度H1，在第一预计深度H1设置由浅入深第一个所述内支护。

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