周敬平

(青海省自然資源遙感中心, 西寧 810001)

0 引 言

凍土是在年均氣溫長期處于負(fù)溫條件下凍結(jié)的土、 石層和基巖上部的裂隙帶, 凍土的地質(zhì)應(yīng)力主要是凍融作用。凍土地貌有石海、 石川、 巖屑坡、 凍融泥流階地、 凍脹丘和冰核丘等。凍土區(qū)具有不同于非凍土區(qū)的水文地質(zhì)與工程特征,在凍土區(qū)施工必須考慮到凍土類型、 結(jié)構(gòu)和施工作業(yè)與修筑物可能引起的凍土形變變化給工程造成的影響, 在我國內(nèi)蒙古和東北地區(qū), 凍融作用是引起土地資源破壞的重要影響因素之一[1-3]。

穿越季節(jié)性凍土區(qū)的路基常年經(jīng)受凍脹、 融沉、 翻漿和冒泥等凍害現(xiàn)象的破壞, 這種破壞作用在鐵路提速后愈發(fā)嚴(yán)重。因此隨著季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路的建設(shè)和運(yùn)營, 季節(jié)性凍土路基長期凍融循環(huán)作用下的沉降問題也逐漸受到人們的重視和關(guān)注, 解決這一問題, 對季節(jié)性凍土區(qū)高速鐵路路基的設(shè)計與施工具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

為此, 筆者研究東北地區(qū)沉降監(jiān)測點穩(wěn)定性受季節(jié)性凍土影響情況。數(shù)據(jù)分析表明, 溫度對凍土深度的形成有較大影響: 溫度降低時, 凍土深度加深, 監(jiān)測點被抬升; 隨著溫度的升高, 凍土深度降低, 監(jiān)測點開始下降, 最終趨于穩(wěn)定。

1 監(jiān)測方法

2 沉降觀測平差結(jié)果

筆者實測數(shù)據(jù)為高速鐵路工程項目沉降監(jiān)測點, 所有測點呈線狀里程分布, 跨度在6.5 km范圍內(nèi)。在確定所有觀測數(shù)據(jù)正確的情況下對全線水準(zhǔn)數(shù)據(jù)[5](34個測點)進(jìn)行處理, 首先只約束深埋點HQSBM01、 HQSBM02, 進(jìn)行平差得到CPI、 CPII之間高差統(tǒng)計及CPI、 CPII點高程, 5次復(fù)測得到高差較差及高程較差均滿足限差要求。再約束哈齊深埋點HQSBM01、 HQSBM02以及CPI、 CPII控制點進(jìn)行整網(wǎng)平差計算, 得到水準(zhǔn)基點復(fù)測高程與原理論高程。

根據(jù)沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測高程約束平差結(jié)果, 繪制本次沉降量如圖1所示, 沉降量范圍統(tǒng)計如表1所示。分析圖1和表1可以看出, 1期高程復(fù)測在8月觀測, 平差結(jié)果顯示沉降量在-0.3～0.3 mm之間, 說明工作基點尚未受到凍土凍脹的影響。2期高程復(fù)測在10月觀測, 統(tǒng)計沉降量結(jié)果在-0.6～0.9 mm之間, 沉降量在控制值以內(nèi), 因此判斷2期復(fù)測工作基點尚未受到凍土凍脹影響。3期高程復(fù)測于12月, 結(jié)果顯示所有工作基點沉降量均為正數(shù), 0～0.5 mm有11個, 0.5～1.0 mm有5個, 1.0～2.0 mm有13個, 大于2.0 mm有3個； 隨著10月轉(zhuǎn)至12月的入冬時節(jié), 氣候逐步轉(zhuǎn)為寒冷, 氣溫越來越低, 部分土體開始凍結(jié), 較10月相比測點沉降量整體呈現(xiàn)增大趨勢。由表1可見, 4期觀測沉降量在1.0～4.0 mm區(qū)間內(nèi)個數(shù)最多, 說明在2月氣溫進(jìn)一步降低, 凍土進(jìn)一步加劇, 凍深和凍脹均達(dá)最大。分析表1可見, 5期觀測沉降量不同區(qū)間測點個數(shù)較4月有所回落, 表明進(jìn)入4月氣候逐步回暖, 凍土開始慢慢融化, 測點開始回彈。

圖1 沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測高程本次沉降量Fig.1 Settlement monitoring network to re-measure the elevation of this settlement

表1 沉降量范圍統(tǒng)計

依據(jù)歷史氣象資料, 以黑龍江省為例[6-8], 冬季(12月、 1月、 2月)是最冷的季節(jié), 其中1月最冷, 月平均氣溫在-14.7 ℃以下。北部大興安嶺為最冷地區(qū), 氣溫在-30 ℃以下, 漠河最低(-30.8 ℃), 東寧最高(-14.7 ℃)。春季(3月、 4月、 5月)以4月為代表, 除大興安嶺北部在0 ℃以下外, 其余地區(qū)都在0 ℃以上。夏季(6月、 7月、 8月)為最熱的季節(jié), 也是南北溫差最小的季節(jié)。以7月氣溫為代表, 全省普遍高溫, 均在17 ℃以上。秋季(9月、 10月、 11月)以10月為代表, 氣溫與春季分布相似[9-10]。

累計沉降量如圖2所示。分析圖2累計沉降量, 根據(jù)全年氣溫變化將土體凍脹融沉狀態(tài)分為如下4個周期。

1) 穩(wěn)定期： 在6月-8月, 月平均地面溫度、 月極端最高氣溫和最低氣溫較高且均在0 ℃以上, 此時土體尚未出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象, 沉降監(jiān)測點處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 凍結(jié)前期： 在9月-11月, 氣溫已經(jīng)開始迅速下降, 月平均地面溫度由9月的14.5 ℃降至11月的-5.3 ℃, 月極端最低平均氣溫從9月開始已經(jīng)達(dá)到-4.8 ℃, 此時土體逐步有凍結(jié)的跡象, 但凍土范圍較小, 土層凍結(jié)深度尚未達(dá)到最大值, 部分測點開始出現(xiàn)沉降量過大。

3) 凍結(jié)期： 12月-次年2月, 到達(dá)全年氣溫最低時期[8,11], 月平均地面溫度在-14.8～-13.6 ℃, 此時凍土達(dá)到最大深度, 監(jiān)測點的沉降量達(dá)到最大數(shù)值, 最大累計沉降量BM50達(dá)到10 mm。

4) 融化期： 在3月-5月, 天氣回暖, 氣溫開始回升, 月平均地面溫度由3月的-3.4 ℃升至5月的14.7 ℃, 凍土開始慢慢消融, 地表開始回彈, 監(jiān)測點沉降量開始減小。

圖2 沉降監(jiān)測網(wǎng)累計沉降量變化疊加圖Fig.2 Overlay diagram of cumulative settlement changes in settlement monitoring network

3 凍土深度對基點穩(wěn)定性影響

圖3是將季節(jié)性凍土隨時間變化曲線與沉降監(jiān)測點累計沉降量曲線疊加, 橫軸表示時間月份(數(shù)值大于12表示次年月份), 圓點折線表示凍土深度隨月份的變化, 并且橫坐標(biāo)軸以上的小圓圈表示不同監(jiān)測點5期累計沉降量, 而虛線是5期累計沉降量的擬合曲線, 分析圖3可得到如下結(jié)果。

7月-9月, 正值夏季炎熱時期, 月平均氣溫高, 土體尚未凍結(jié), 無凍土形成, 土體沒有出現(xiàn)變形現(xiàn)象, 沉降監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)點穩(wěn)定, 基準(zhǔn)點無沉降。

圖3 沉降監(jiān)測累計沉降量和凍土深度變化疊加Fig.3 Superposition of accumulated settlement amount and frozen soil depth change in settlement monitoring

10月-12月, 氣溫轉(zhuǎn)涼, 溫度迅速降低, 達(dá)到0 ℃以下, 土體慢慢開始凍結(jié), 同時凍結(jié)膨脹, 凍土深度急劇加深。監(jiān)測點受土體凍結(jié)影響, 沉降累積量逐漸上升, 此時土體凍結(jié)深度由10月的4 cm逐漸達(dá)到12月的12.2 cm, 沉降監(jiān)測點累積沉降量隨凍土深度的增加而增大, 但仍未達(dá)到最大沉降量。

12月-次年3月, 進(jìn)入冬季, 氣溫迅速下降, 溫度達(dá)到全年最低時期, 平均氣溫穩(wěn)定在0 ℃以下, 土體進(jìn)一步凍結(jié), 并在3月達(dá)到最大凍深----0.25 m左右。受土體凍脹的影響, 沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點的沉降量急劇加大, 累積沉降量也在2月～3月達(dá)到最大值。

4月-6月, 進(jìn)入春季, 氣溫開始回升, 月平均氣溫從0 ℃以上升至20多度, 這時凍土受溫度升高影響迅速開始解凍, 凍土深度逐漸減小, 處于土體融沉期。受土體融沉影響, 沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點累計沉降量也隨著回落。隨著凍土深度的進(jìn)一步減小, 工作基點累計沉降量繼續(xù)回落, 直至達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

沉降監(jiān)測網(wǎng)點的穩(wěn)定性直接影響沉降監(jiān)測工作的準(zhǔn)確性, 由于某些地區(qū)工程常年處于凍土地區(qū), 當(dāng)溫度降低時, 凍土深度增大, 基準(zhǔn)點被迫抬升, 造成變形監(jiān)測控制網(wǎng)不穩(wěn)定, 對監(jiān)測成果造成影響。為降低這種影響, 往往將基準(zhǔn)點深埋, 而深埋的深度往往具有不確定性, 如果研究得到在誤差范圍內(nèi)的深埋深度, 則可以大大降低施工成本。

筆者通過在東北地區(qū)實際項目數(shù)據(jù)分析得知, 在12月-次年2月, 隨著溫度的逐漸降低至零度以下, 凍土深度加深, 沉降量逐漸增大； 在2月-3月, 凍土深度達(dá)到最深, 監(jiān)測點沉降量最大。由此可得, 監(jiān)測點的沉降量在凍土地區(qū)受到凍土深度影響嚴(yán)重, 而凍土深度又與環(huán)境溫度有關(guān), 最大沉降量可以達(dá)到1 cm左右, 這種沉降對精密工程影響是巨大的, 利用筆者研究結(jié)果能有效避免這種影響。