[01402003]多尺度监测技术及其在深水基础工程安全监控中的应用

1、任务来源：《多尺度监测技术及其在深水基础工程安全监控中的应用》为江苏省交通科学研究计划项目。随着我国国民经济的飞速发展，作为重要的基础设施，公路交通工程的兴建呈巨量涌现。根据国家交通发展规划，我国交通将形成以高速公路为主的五纵七横国道主干线，形成“横连东西，纵贯南北”的全国运输大通道。一些特大型桥梁工程成为联系大江南北的重要枢纽，工程的安全可靠、经济合理已成为普遍关注的重点。显然，基础工程的建设又无疑是重中之重。我国现行的《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）中的计算方法已不适合苏通大桥超长大直径群桩基础设计。因此，为了考虑钢护筒—钻孔桩以及承台—桩—土体系相互作用，充分发挥超长大直径钻孔灌注桩的承载能力，开展《多尺度监测技术及其在深水基础工程安全监控中的应用》研究，根据精细、可靠的原型观测数据，分析深水群桩基础的承载性能和安全性，具有十分重要的理论意义和工程实用价值。临近长江口的苏通大桥建设需经受十分复杂的双向潮汐深水环境考验，挑战超深、超大型深水群桩基础技术难题。而且“双向潮汐深水环境”与“超深、超大型深水群桩基础”的相互作用十分强烈，给群桩基础的安全施工和工程的安全性带来十分复杂的影响因素，其不利组合前所未遇。从而派生出突出的“施工平台安全性问题”、“河床冲刷和局部强冲刷问题”、“超大型钢套箱整体沉放安全性问题”、“复杂潮汐环境对群桩基础承载性能的影响问题”等。显然，苏通大桥超大型深水群桩基础施工需要新理念、新技术和新工法。当然，创新的根本宗旨在于“确保施工安全”、“确保工程安全”、“突破超大型深水群桩基础施工的技术瓶颈”。新理念、新技术和新工法的应用效果也必须得到可靠的验证，而机理的揭示更是施工创新技术推广应用的前提条件。实践表明，这些问题合理解决的有效途径是基于多尺度监测技术的施工全过程信息化。以苏通大桥超大群桩基础工程为研究依托，针对长江下游特殊的地质条件，进行多尺度监测技术、施工信息化馈控技术、群桩基础承载性能等方面的研究，提出了一整套实用的监控理论和多尺度监测技术，保证了施工质量、节省了工程造价，并为今后类似大型深水基础工程的设计和施工提供技术支撑。2、应用领域与技术原理：本项研究属于土木工程领域岩土工程和桥梁结构工程专业。基于多尺度监控理论以及星载多孔径合成雷达技术、船载多波束测深技术和现代高精度传感器技术，提出了潮汐河段河床冲淤以及群桩基础沉降和不均匀沉降的多尺度监测技术，群桩基础承载性能的广角度监测技术，复杂水文气象环境下监测数据的分时段、分层次信噪分离技术以及深水群桩基础施工信息化技术指南。从而完善了深水基础工程的多尺度监控理论和方法，建立了现场智能监控系统，实现对超大型深水群桩基础施工全过程的安全监控。综合运用现场原型跟踪监测、室内模型试验、理论分析和数值模拟等方法，分析并查清了河床冲刷防护、桩底后压浆、钢护筒、承台封底混凝土、孔底残渣和护壁泥皮、高桩流态桩身混凝土、群桩效应、潮汐和日照辐射等复杂环境因素对群桩基础承载性能的影响，揭示了深水群桩基础的传力机理，评估了其承载安全性，并进一步提出了深水群桩基础的简化计算模型，从而完善了深水基础工程计算和设计理论。技术原理为：①深入分析现场复杂的水文气象环境和施工过程的影响及其机理，调研国内外研究现状，指导现场监测工作和室内模型试验研究；②引入船载多波束测深和高精度水深传感器技术，开展潮汐河段河床冲淤的多尺度监控理论和方法研究；③引入星载多孔径合成雷达D-InSAR、剖面沉降以及高精度微压传感器和静力水准观测技术，开展沉降和不均匀沉降的多尺度监控理论和方法研究；④利用智能监控系统，开展针对施工全过程和复杂环境因素的跟踪监测，获得了完备的监测数据，从而客观评价了环境因素、施工因素、辅助工程措施和群桩效应等对群桩基础承载性能的影响；⑤针对复杂的水文气象环境和施工过程，开展室内模型试验研究，模拟分析潮位涨跌等产生的低频循环荷载以及高桩流态桩身混凝土挤密作用对群桩基础承载性能的影响；⑥基于小波理论，针对复杂的水文气象环境，在深入分析各环境因素噪声特点的基础上，提出了各类监测数据的分时段、分层次信噪分离技术，剥离了各环境因素的影响；⑦基于比奥固结理论，利用剥离了环境因素影响后的监测数据，开展群桩基础承载性能的反演和反馈分析，查清了群桩基础传力机理，提出了群桩基础简化计算模型和安全监控模型。3、主要技术性能指标：（1）深水基础工程安全监控的多尺度监测技术提出了深水群桩基础沉降和不均匀沉降的多尺度监测技术、河床冲淤的多尺度监测技术、考虑钻孔桩—钢护筒—地基土共同作用的广角度监测技术、考虑钢套箱—承台—索塔共同作用的广角度监测技术及其相应的传感器安装埋设方法和实施细则。建立了由1524套高精度传感器和3310m观测孔组成的智能实时监控系统，确保了苏通大桥深水群桩基础的安全施工和安全运营。该成果已被纳入新编的《深水群桩基础施工信息化技术指南》。（2）复杂环境下监测数据的分时段分层信噪分离技术提出了辅助潮位修正的河床冲刷监测数据的信噪分离技术、基于多传感器数据融合的桩身轴力监测数据信噪分离技术、辅助温度补偿和温度修正的承台应力监测数据信噪分离技术以及监测数据异常检出和异常属性识别技术。查清并剥离了各环境因素对监测数据的影响，获得了施工全过程的精细监测数据，为施工信息化和群桩基础承载性能馈控分析提供了可靠依据。该成果已被纳入新编的《深水群桩基础施工信息化技术指南》。（3）考虑钢护筒共同作用的基桩轴力和承载力计算公式苏通大桥群桩基础的钢护筒被永久保留，并参与水平向共同受力，而不计其竖向共同作用。但事实上，钢护筒对群桩基础的竖向传力和承载性能具有重要影响。为了充分发挥保留钢护筒的超长大直径高桩的承载能力，提出了考虑钢护筒共同作用的基桩轴力计算方法。结果表明，由钢护筒传递的竖向荷载为10﹪～30﹪。（4）河床防护层对提高群桩基础承载性能作用的评价观测数据表明，基桩穿过河床防护层后，其轴力均大幅度衰减。这一普遍的、具有共性的现象表明，河床防护措施不仅保护了河床，也在很大程度上增强了索塔地基基础的整体性，并对提高基桩承载力具有突出的贡献。由于采用了河床预防护方案，防护砂袋在钢护筒插打时被机械挤入地基土，使桩周土层产生强烈的挤密和增密作用；透水性良好的沙袋也增强、加快了地基土的排水固结作用，从而在较大程度上提高了桩周土的承载性能和群桩基础的整体性；大范围河床防护层对地基土的整体“伞形”压盖作用，也在较大程度上增大了应力扩散角。（5）桩底后压浆效果评价跟踪观测结果表明，桩底后压浆具有明显的扩底、增密、联结、固结和预压效应，起到了类似“封底、嵌固”的作用，它与流态桩身混凝土的超载压密作用、大面积河床预防护层的挤密和压盖作用共同增强了群桩基础的整体性，使超大型超深群桩基础具有整体基础的传力工作机理，从而消除群桩效应的不利影响。（6）孔底残渣和泥皮对桩基础安全性的影响对于高桩，由于桩顶高程大于河床面，而且桩身混凝土浮重度是地基土的1.4倍。所以，凝固过程中的桩身混凝土将对桩间土和桩底土层产生显著的再压密作用。对于需要凝固时间较长的水下混凝土、对于超长桩、对于呈密集布置的基桩，这种再压密作用修复了可能存在的孔底沉渣和护壁泥皮的不利影响。该结论已被室内模拟试验所验证。（7）桩顶轴力分布不均匀的原因和群桩效应分析虽然桩顶轴力在平面上的分布存在不均匀性，但轴力大的基桩大多位于承台的中间部位，而非角桩和边桩。总体而言，桩顶轴力的大值是小值的1.5倍。据此认为，群桩基础的群桩效应不突出，群桩的效率系数较高。导致桩顶轴力分布不均匀性的原因主要是：钢套箱与钢护筒之间采用拉压杆销接，而且每根基桩布置的拉压杆数量不同，从而使基桩分摊的荷载不均匀；索塔采用倒“Y”字型结构。（8）考虑群桩效应和混凝土水化热影响的承台受力安全性承台底面承受拉应力的作用，但总体而言，拉应力水平均较低。由于索塔桩基础的群桩效应不突出，故对承台受力安全性影响较大的因素主要是索塔的结构形式和混凝土水化热产生的温度应力。从索塔的结构形式而言，承台受力最不利的工况是下横梁混凝土浇筑后、混凝土强度形成之前；从混凝土水化热产生的温度应力而言，其影响主要在混凝土浇筑后的一定时间内。在下横梁强度形成后，这两种不利影响均已经发生，但承台的总体应力水平仍然较低。此外，厚度为3m、具有强大钢质底板和加强桁架的封底混凝土，在设计时只将其作为荷载，不计其对承台承载性能的贡献。但已有的实测结果表明，它对改善承台的受力、提高刚度和承载性能均具有重要作用。（9）深水群桩基础的简化计算模型由于在工程实施过程中，采取了河床冲刷预防护、桩底后压浆等工程措施，而对于处在深水环境下的高桩，浇注中的、未凝固的流态桩身混凝土对桩周土具有强烈的挤密和超载作用，从而使得实际的群桩基础及其地基土的承载性能优于预期的结果，实测沉降值仅为计算值的1/3。反演和反馈分析表明，只有将深水群桩基础概化为“超大型承台＋密集型布置的柱（含钢护筒的基桩自由段）＋埋入墩式整体基础”的计算模型，才能使计算结果与实测值吻合。（10）复杂潮汐环境和日照辐射对群桩基础承载性能的影响由于桥位区最大潮差可达4m，潮位涨跌引起的浮力变化约200MN，这使得群桩基础长期承受低频循环荷载作用。室内模型试验结果表明，随着荷载循环次数的增加，群桩基础的沉降相应增大。但地基土同时出现“硬化”，承载性能相应提高。并且随着循环次数的增加，沉降趋于稳定。至通车运营时，潮位涨跌引起的荷载循环次数已超过3000次，故其不利影响主要存在于施工期间。对成桥后的群桩基础承载性能属于有利因素。由于主桥索塔高度300m，日照辐射使索塔产生倾斜变形。虽然倾斜幅度不大，但由于荷载巨大、且作用点高，在日出日落过程中，使群桩基础承受较大的低频往复循环弯矩作用。与潮汐的影响类似，其不利影响主要存在于施工期间。4、国内外同类技术的比较：（1）对于双向潮汐流深水环境下的河床冲刷和淤积实时监测技术，在国内报道中见有介绍多波束探测技术在冲刷防护工程监测，港口、航道测量和水下物体搜寻等方面的具体应用实例，但均未述及定点传感器在河床冲刷实时监测中的应用；在国外报道中，见有日本学者于1999-9-15采用传感器成功观测到日本姬河大洪水对河床冲淤过程，意大利学者在PO河上采用声纳和“sedimetri”方法进行桥梁冲刷监测。但均未涉及有机融合大尺度多波束定期测深技术和小尺度水深传感器实时监测技术的河床冲淤多尺度监测技术。该技术能够实时监控桥位区的河床三维精细形貌，可方便地进行冲淤计算。（2）对于深水基础工程的沉降和不均匀沉降多尺度监测技术，在国内外报道中，见有借助PS点的D-InSAR技术进行大面积地面沉降监测、将静力水准、测缝计等组成远程自动化监测系统应用于既有地铁线路的结构及道床监测、将PVC管剖面沉降仪用于高速公路路基沉降观测、将微压传感器用于观测火山爆发产生的冲击波超压力的研究报道。但均未涉及基于多尺度信息融合理论，有机融合星载多孔径合成雷达技术、微压传感器绝对沉降观测技术、静力水准不均匀沉降观测技术和剖面沉降观测技术的深水基础工程沉降和不均匀沉降多尺度实时监测技术和方法。该技术获取了苏通大桥基础工程在施工全过程中的沉降和不均匀沉降数据，精度高于1mm。（3）对于复杂环境下深水基础工程监测数据的信噪分离技术，在国内外报道中，见有应用小波分析理论进行GPS变形监测数据的噪声干扰消除、电力系统大干扰背景在线监测数据的噪声分离、桥梁健康监测中的海量数据噪声鉴别和结构振动测试数据的信号去噪以及结构损伤识别四阶段方法的研究报道。但均未涉及群桩基础监测数据中的潮位、潮汐流、水温和日照辐射等环境噪声特点的研究，也未述及监测数据的分时段、分层信噪分离技术。该技术可逐层剥离不同环境因素对群桩基础承载性能的影响。（4）对于超大型群桩基础的传力机理和设计、计算模型，在国内外报道中，见有介绍群桩基础沉降计算的（修正）等代墩基法、基于双曲线荷载传递函数的复合桩基沉降计算简便非线性方法、厚承台的传力机理及空间模型、利用有限元方法将桩—承台—柱的刚度整合而提出的桩承载