漠北公路冻土段路基沉降及地温观测方法

2012-07-13杨晓光

黑龙江交通科技 2012年2期

关键词：多年冻土感应器坡脚

杨晓光

(黑龙江省漠北公路工程建设指挥部)

漠北公路冻土段路基沉降及地温观测方法

杨晓光

(黑龙江省漠北公路工程建设指挥部)

结合漠北公路冻土段路基沉降及地温观测的工程实践，介绍了高纬度多年岛状冻土区路基施工中沉降及观测的必要性，通过工程实例，细致阐述了不同融沉等级冻土段落沉降及地温观测设置的要求和方法，及对观测数据的分析方法，从而为冻土处理这一世界性技术难题的最终破解积累了经验。

沉降;地温;观测;方案;方法

1 沉降观测的内容及必要性

1.1 试验的必要性

多年冻土是一种特殊的土体，其成分、结构、热物理及物理力学性质均有着不同于一般土的特点。它是特定气候区域地气系统能量交换的产物，冻土的显著特点表现为力学性质的温度依赖性和热不稳定性。多年冻土既存在表面不稳定、处于冬冻夏融的季节活动层，又存在对温度变化极其敏感的下伏多年冻土层。多年冻土的这一特殊工程地质特性致使在多年冻土地区修筑的道路工程经常遭受严重的破坏。在冻土地区修筑道路工程，除了一般寒区道路中经常遇到的路基冻胀、翻浆、路面冻融松散、低温开裂等病害外，还有着冻土地区特有的与热稳定性有关的道路病害——路基热融下沉、边坡热融滑塌等。

漠北主线全长77.542 km，支线全长2.858 km，服务区连接线全长1.373 km。采用一级公路标准，路基宽度21.50 m，行车道宽度4×3.5 m。全线已探明多年冻土路段达到16.765 km，占到全线的20.8%。沿线多年冻土以岛状冻土为主，主要为多冰冻土、富冰冻土和饱冰冻土，冻土分布及含冰量状况复杂多样。漠北公路地处我国最北部的大兴安岭地区，公路横穿林区，气候湿润，夏季雨量丰富，沼泽湿地分布广泛。多年冻土多发育在这些沼泽湿地中，这主要是由湿地特有的热调节性能决定的。根据以往的调查分析，东北高纬度地区自然条件下的多年冻土退化主要依靠地下热流由下向上退化为主，多年冻土地温剖面基本表现为0梯度曲线且冻土温度接近0℃，由此决定了冻土对人为活动干扰的脆弱性。因此漠北公路在设计之初，对多年冻土地段采取的主要设计措施是直接清除多年冻土软弱层回填砂砾的设计方案，由于设计时未考虑多年冻土中冰的存在及多年冻土抗人为干扰的脆弱性，再加上漠北地区雨量、水量丰富，加大了施工的困难。施工中，存在一处已挖除的多年冻土路段路基未及时回填造成严重积水的现象。因此，项目指挥部根据具体情况，迅速调整了设计方案，多年冻土路段现已全部改为保持原地表直接填筑，已破坏地表层或多年冻土层的路段也尽量采取措施不再对路基下冻土造成破坏。但公路的修筑仍然会打破路基下多年冻土原有的热平衡状态，使路基下多年冻土发生融化下沉，从而给漠北公路的正常运营带来巨大的安全隐患，给公路的养护带来巨大的困难。

随着全球气候的变暖，东北高纬度地区岛状多年冻土呈逐步退化的趋势，但由于岛状多年冻土对道路的破坏仍是一个世界性的技术难题，缺乏可借鉴的成功经验，因此在东北地区修筑高等级公路，仍有不少问题亟待进一步解决，需要靠布设试验监测路段(沉降、地温等)来解决。目前路基的处理措施主要有保持原地表直接填筑，清除天然地表回填砂砾或碎石层，清除多年冻土软弱层回填砂砾或碎石层。通过对漠北公路沿线旧路使用状况及新修公路水文地质、冻土地貌等调查，对公路沿线采用不同路基设计和施工措施的路段布设了地温和沉降监测断面，对不同路基措施下多年冻土地温和路基路面沉降变形状况进行监测分析。

1.2 沉降观测设置的内容

(1)公路沿线多年冻土分布特征;

(2)不同路基设计和施工方案下多年冻土地温变化规律及差异，进而对多年冻土退化规律进行分析;

(3)不同路基措施下路基路面沉降状况及差异;

(4)不同冻土条件下路基沉降状况及差异。

2 拟解决关键问题

(1)清除表层回填砂砾或碎石路基设计与施工技术;

(2)保持原地表直接填筑砂砾或碎石路基设计和施工技术;

(3)清除路基多年冻土软弱层回填砂砾或碎石路基设计和施工技术;

(4)不同多年冻土类型地区路基稳定性。

3 观测实施方案

3.1 观测路段的选择依据

选择沉降观测路段的依据主要是考虑试验工程路基的处理措施和冻土分布区域的代表性。漠北公路位于大兴安岭连续、岛状多年冻土区。所选路段K6+200为富冰以上多年冻土区，采取直接填筑的措施;与其作为对比监测断面的K8+200为饱冰多年冻土路段，采取清除天然地表0.2 m的路基措施;K9+100沉降监测断面为大林河桥监测断面;K24+625为涵洞旁碎石桩路基沉降监测断面;K26+240为含土冰层冻土监测断面;K32+100为饱冰冻土段，采取的措施是清除多年冻土软弱层，其对比断面 K31+900饱冰冻土段，采取的措施是保持原地表直接填筑;K52+300为多冰冻土区，采取保持原地表直接填筑的路基措施。每一个监测断面的布设都代表一类措施或一类冻土类型的多年冻土区。

3.2 观测设备的选择及其原理

沿线观测主要为路基路面沉降监测和路基地温监测，沉降监测设备主要采用分层沉降感应器，其由多个单点沉降单元与PVC管串接而成。适用于测量多层土壤与相对不动点(基岩)之间的位移，如图1为一个测点与基准板的安装示意图，该沉降计可进行长期监测和自动化测量。由于沉降计本身的安装距离限制，沉降测量的一般距离为1 m，距离太近会存在测量不准的问题。

沉降测量计每个单点沉降单元包括测量机构(包括测杆与测管)、胀紧机构(用于抓紧安装位置处的泥土)和保护管等。测量机构和胀紧机构安装在保护管内。测量机构通过提柄与提绳相连控制测量机构的起始位置;胀紧机构通过提环与提绳相连控制胀紧机构的打开。

安装时胀紧机构与测杆连接，设置在待监测高程，测管通过PVC管固定于相对不动点(基岩)。当土层下沉时，胀紧机构带动测杆与土层同步下沉，使传感器测杆与测管发生相对滑移，通过读数仪测出位移量，实现沉降观测目的。

在现场用钻孔机钻孔到安装需要测量深度，然后在孔底放置基准板。基准板放置在不冻层内，与冻土层隔离开，不受冻土层冻胀的影响，而保持稳定不动。在现场施工时每间隔一定深度安装一个沉降测量单元，沉降测量单元随冻土层的冻胀与基准板产生相对位移。记录该位移量与开始的基准位移比较即可得到路基的分层沉降位移量。

图1 沉降测量单元

3.3 观测布设的总体方案

表1 漠北公路分层沉降试验段监测断面布设测点数量统计表

表2 漠北公路地温试验监测路段布设数量统计表

沿线各监测路段断面分述如下。

(1)K6+200地温沉降观测。K6+200监测断面处于低洼地地段，地势平坦。路基两侧植被发育良好，矮灌木茂密，无大型针叶、阔叶树木，路基两侧有少量积水。冻土类型为富冰多年冻土，属于Ⅲ级融沉冻土。该段冻土上限约1.5～2.3 m，下限为6.5～7.2 m。旧路采用水泥混凝土路面，使用状况良好，新修路面为一级公路，路面加宽，路基采用原地表直接填筑，填土路基高度约5 m。

图2为K6+200分层沉降变形监测布设示意图，分路中、左路肩、右路肩、右行车道路中、左坡脚共五个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前4 m路基填土每2 m埋设一个测沉降变形感应器，4 m以下每米埋设一个;坡脚孔深5 m，每米埋设一个沉降变形感应器。

图3为该地温监测断面测点布设图，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、左坡脚、右坡脚、天然孔，共8个地温测量孔。其中，路中、路肩孔13m深，前5 m每米1个测温探头，5 m以下每0.5 m一个测温探头;坡脚孔、天然孔8 m深，每0.5 m一个测温探头。

图2 K6+200沉降监测断面测点布设示意图

图3 K6+200地温监测断面测点布设示意图

(2)K8+200地温沉降观测。K8+200监测断面处于低洼地段，地势平坦。路基两侧为草滩湿地，有积水。植被发育良好，矮灌木丛略枯萎。该断面为K6+200段断面的对比断面，冻土类型为饱冰冻土，多年冻土厚度约2.0～3.0 m，属于Ⅳ级融沉冻土。旧路为水泥混凝土路面，使用状况良好，新修路面仍采用水泥混凝土路面，路基填筑高度约5 m。该断面在施工初期对原地面表层土进行了清除，现又长出新的植被，由于处于雨季，积水严重。

图4为K8+200分层沉降变形监测断面布设示意图，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、右坡脚共六个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前4 m路基填土每2 m埋设一个测沉降变形感应器，4 m以下每米埋设一个;坡脚孔深5 m，每米埋设一个沉降变形感应器。

图4 K8+200沉降监测断面测点布设示意图

地温监测断面测点布设，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、左坡脚、右坡脚，共7个地温测量孔。其中，路中、路肩孔13 m深，前5 m每米1个测温探头，5 m以下每0.5 m一个测温探头;坡脚孔8 m深，每0.5 m一个测温探头。

(3)K9+100～K9+800大林河桥沉降观测。大林河大桥位于K9+100～K9+800段，为减少路基在构造物两侧产生不均匀沉降，减轻桥头跳车现象，提高车辆行驶舒适性。桥梁两侧设置了过渡段，过渡段采用天然砂砾进行填筑。分层填筑厚度不大于30 cm，采用水撼法结合小型机具进行夯实达道路基设计压实度要求。

沉降变形监测断面位于大林河大桥桥旁，平均填土高度8 m。表层为约0.7 m厚的腐殖土，0.7～6 m为饱冰冻土，属于Ⅳ级融沉冻土。该段处于低洼地段，地势平坦。路基两侧为草滩湿地，有积水，植被发育良好。旧路为水泥混凝土路面，使用状况良好，新修路面仍采用水泥混凝土路面。路基采用清除多年冻土软弱层回填天然砂砾的工程措施。大林河大桥旁沉降变形监测断面测点布设。其中路肩孔、路中孔深13 m，前8 m路基填土每4 m布设一个沉降观测感应器，后5 m每米布设一个沉降变形感应器。坡脚孔深5 m，每米布设一个沉降变形感应器。

模型3对导师素质与研究生学术水平的直接影响进行了验证,结果显示导师的指导能力、导师学术水平以及导师的人格魅力对研究生学术水平都有显著的影响H1a—H1c均得到支持。同时,结果表明,在研究生学术水平的影响中,导师的学术水平是最重要的,其次是导师的人格魅力和指导能力。

(4)K24+625涵洞沉降观测。该沉降观测断面位于K24+625涵洞旁，K24+625涵洞采取了底面清除多年冻土软弱层，回填砂砾后修筑，两侧50 m的路基采取碎石桩处理的工程措施。该段路基平均高度为2.5 m，冻土类型为富冰冻土。

K24+625分层沉降变形监测布设，分路中、左路肩、右路肩、右行车道路中、右坡脚、共五个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，前2 m路基填土每2 m埋设一个测沉降变形感应器，2 m以下每米埋设一个;坡脚孔深5 m，每米埋设一个沉降变形感应器。

(5)K26+240沉降观测。K26+240监测断面植被发育良好，以阔叶林和矮灌木丛为主。该段旧路为沥青路面，整体使用状况较好，局部出现轻微龟裂，横向裂缝等。旧路左侧路基旁有少量积水。冻土类型为含土冰层，路基下3.4～7.8 m体积含冰量在70% ～80%。冻土上限为1.1～1.5 m，为后探测多年冻土地区。路基采用清除天然地表后回填碎石处理，设计路基平均填土高度为1.6 m。

K26+240分层沉降变形监测断面布设，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、左坡脚共六个沉降测量孔。其中，路中、路肩孔测深6 m，坡脚孔测深5 m。

(6)K32+100沉降观测。K32+100监测断面地处山前缓坡，矮灌木丛茂盛。该段为新修路段，地表腐殖层较厚，约0.5～1.0 m。冻土类型为饱冰冻土，属于Ⅳ级强融沉冻土。现已按原设计进行了清除多年冻土软弱层处理，最深处清除多年冻土软弱层已达4 m，路基积水严重。旧路为沥青路面，局部出现了严重的翻浆，形成坑槽，并伴有网裂和龟裂等病害。处于该段的小桥，桥头跳车明显。

K32+100断面的分层沉降监测断面布设，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、右坡脚共六个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深6 m，坡脚孔深4 m，均为每2 m布设一个沉降变形感应器。

(7)K31+900地温沉降观测。K31+900段断面为K32+100段的对比断面，冻土类型为富冰冻土，属于Ⅳ级融沉冻土。这两断面分别采用保持原地表直接填筑和清除多年冻土软弱层两种路基设计和施工方案。

K31+900分层沉降监测断面测点布设，分路中、左路肩、右路肩、右行车道路中、右坡脚共五个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，前6 m每2 m布设沉降变形感应器，6 m以下布设一个沉降变形感应器。坡脚孔深5 m，前4 m每2 m布设沉降变形感应器，4 m以下布设一个沉降变形感应器。

(8)K52+300地温沉降观测。K52+300断面为两山岭间洼地，横跨一条河流，植被茂密，以矮灌木丛为主，穿插针叶、阔叶林。冻土类型为多冰冻土，属于Ⅱ级弱融沉冻土。旧路面为沥青路面，路面状况良好，无明显的病害。

K52+300分层沉降监测断面布设，分路中、左路肩、右路肩、左行车道路中、右行车道路中、左坡脚共六个沉降测量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，分别在0 m、2 m、4 m、5 m、7 m深度处各埋设一个测沉降变形感应器;坡脚孔深5 m，分别在0 m、2 m、3 m、5 m深度处各埋设一个沉降变形感应器。

K52+300地温监测断面测点布设，分路中、左右路肩、左右行车道路中、左坡脚共五个测量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前2 m每米布设一个温度探头，2 m以下每0.5 m布设一个温度探头。坡脚孔深8 m，每0.5 m布设一个温度探头。

3.4 方案实施计划

(1)根据野外现场的调查，调研国内外观测方案，结合青藏公路多年冻土区特殊路基试验观测方法，确定试验观测方案。

(2)在路基施工完成后，在选定的试验段安装试验仪器。

(3)在试验设备可以正常使用后，每5 d采集一次数据，至少完成三个完整监测周期(3 a)。

(4)整理、分析试验数据，得出试验结果，并完成相关成果报告。

3.5 观测数据处理

(1)K6+200和K8+200监测断面。首先对两试验监测断面地温资料进行分析，主要对保持原地表直接填筑碎石层和清除地表层回填碎石层两种路基方案，对路基下多年冻土地温影响状况及差异进行探讨，并就两种方案对该段高含冰量多年冻土退化规律及其差异状况进行分析。最后根据现场地温观测结果，结合当地气温观测资料，对公路修筑后两冻土监测路段路基下多年冻土退化趋势进行模拟预测。

其次，根据两监测断面不同监测部位沉降变形监测结果，就两种路基方案(保持原地表直接填筑和清除天然表层回填)对路基稳定性进行评价。

(2)桥涵沉降观测断面。K9+100桥梁沉降观测断面采用的是清除多年冻土软弱层回填天然砂砾的路基设计和施工方案。主要通过对其沉降变形的监测，对桥旁路基下多年冻土在公路和桥梁措施综合作用下产生的沉降变形进行分析评价，为多年冻土区桥梁过渡段路基的修筑提供技术支撑。

K24+625涵洞沉降观测断面主要是对涵洞旁路基碎石桩措施下路基沉降状况进行分析和评价。

(3)K26+240监测断面。该段位于含土冰层高含冰量路段，通过对该段沉降监测，分析漠北公路含土冰层路基采用清除天然地表后回填碎石处理措施下路基土体的沉降状况。

(4)K32+100和K31+900。K32+100路段采用的是清除多年冻土软弱层回填天然砂砾的路基设计和施工方案，而K31+900为保持原地表直接填筑碎石层的方案。通过对这两监测断面路基不同监测部位沉降变形资料的分析，对两种措施下路基的稳定性差异进行探讨。并通过对K31+900断面地温监测来探讨路面沉降与地温的关系。从而为以后在东北高纬度多年冻土地区修筑高等级公路提供技术支持和工程依据。