东北地区季节性冻土对监测点稳定性的影响

周敬平

(青海省自然资源遥感中心, 西宁 810001)

0 引 言

冻土是在年均气温长期处于负温条件下冻结的土、 石层和基岩上部的裂隙带, 冻土的地质应力主要是冻融作用。冻土地貌有石海、 石川、 岩屑坡、 冻融泥流阶地、 冻胀丘和冰核丘等。冻土区具有不同于非冻土区的水文地质与工程特征,在冻土区施工必须考虑到冻土类型、 结构和施工作业与修筑物可能引起的冻土形变变化给工程造成的影响, 在我国内蒙古和东北地区, 冻融作用是引起土地资源破坏的重要影响因素之一[1-3]。

穿越季节性冻土区的路基常年经受冻胀、 融沉、 翻浆和冒泥等冻害现象的破坏, 这种破坏作用在铁路提速后愈发严重。因此随着季节性冻土区高速铁路的建设和运营, 季节性冻土路基长期冻融循环作用下的沉降问题也逐渐受到人们的重视和关注, 解决这一问题, 对季节性冻土区高速铁路路基的设计与施工具有深远的指导意义。

为此, 笔者研究东北地区沉降监测点稳定性受季节性冻土影响情况。数据分析表明, 温度对冻土深度的形成有较大影响: 温度降低时, 冻土深度加深, 监测点被抬升; 随着温度的升高, 冻土深度降低, 监测点开始下降, 最终趋于稳定。

1 监测方法

2 沉降观测平差结果

笔者实测数据为高速铁路工程项目沉降监测点, 所有测点呈线状里程分布, 跨度在6.5 km范围内。在确定所有观测数据正确的情况下对全线水准数据[5](34个测点)进行处理, 首先只约束深埋点HQSBM01、 HQSBM02, 进行平差得到CPI、 CPII之间高差统计及CPI、 CPII点高程, 5次复测得到高差较差及高程较差均满足限差要求。再约束哈齐深埋点HQSBM01、 HQSBM02以及CPI、 CPII控制点进行整网平差计算, 得到水准基点复测高程与原理论高程。

根据沉降监测网复测高程约束平差结果, 绘制本次沉降量如图1所示, 沉降量范围统计如表1所示。分析图1和表1可以看出, 1期高程复测在8月观测, 平差结果显示沉降量在-0.3～0.3 mm之间, 说明工作基点尚未受到冻土冻胀的影响。2期高程复测在10月观测, 统计沉降量结果在-0.6～0.9 mm之间, 沉降量在控制值以内, 因此判断2期复测工作基点尚未受到冻土冻胀影响。3期高程复测于12月, 结果显示所有工作基点沉降量均为正数, 0～0.5 mm有11个, 0.5～1.0 mm有5个, 1.0～2.0 mm有13个, 大于2.0 mm有3个； 随着10月转至12月的入冬时节, 气候逐步转为寒冷, 气温越来越低, 部分土体开始冻结, 较10月相比测点沉降量整体呈现增大趋势。由表1可见, 4期观测沉降量在1.0～4.0 mm区间内个数最多, 说明在2月气温进一步降低, 冻土进一步加剧, 冻深和冻胀均达最大。分析表1可见, 5期观测沉降量不同区间测点个数较4月有所回落, 表明进入4月气候逐步回暖, 冻土开始慢慢融化, 测点开始回弹。

图1 沉降监测网复测高程本次沉降量Fig.1 Settlement monitoring network to re-measure the elevation of this settlement

表1 沉降量范围统计

依据历史气象资料, 以黑龙江省为例[6-8], 冬季(12月、 1月、 2月)是最冷的季节, 其中1月最冷, 月平均气温在-14.7 ℃以下。北部大兴安岭为最冷地区, 气温在-30 ℃以下, 漠河最低(-30.8 ℃), 东宁最高(-14.7 ℃)。春季(3月、 4月、 5月)以4月为代表, 除大兴安岭北部在0 ℃以下外, 其余地区都在0 ℃以上。夏季(6月、 7月、 8月)为最热的季节, 也是南北温差最小的季节。以7月气温为代表, 全省普遍高温, 均在17 ℃以上。秋季(9月、 10月、 11月)以10月为代表, 气温与春季分布相似[9-10]。

累计沉降量如图2所示。分析图2累计沉降量, 根据全年气温变化将土体冻胀融沉状态分为如下4个周期。

1) 稳定期： 在6月-8月, 月平均地面温度、 月极端最高气温和最低气温较高且均在0 ℃以上, 此时土体尚未出现冻结现象, 沉降监测点处于稳定状态。

2) 冻结前期： 在9月-11月, 气温已经开始迅速下降, 月平均地面温度由9月的14.5 ℃降至11月的-5.3 ℃, 月极端最低平均气温从9月开始已经达到-4.8 ℃, 此时土体逐步有冻结的迹象, 但冻土范围较小, 土层冻结深度尚未达到最大值, 部分测点开始出现沉降量过大。

3) 冻结期： 12月-次年2月, 到达全年气温最低时期[8,11], 月平均地面温度在-14.8～-13.6 ℃, 此时冻土达到最大深度, 监测点的沉降量达到最大数值, 最大累计沉降量BM50达到10 mm。

4) 融化期： 在3月-5月, 天气回暖, 气温开始回升, 月平均地面温度由3月的-3.4 ℃升至5月的14.7 ℃, 冻土开始慢慢消融, 地表开始回弹, 监测点沉降量开始减小。

图2 沉降监测网累计沉降量变化叠加图Fig.2 Overlay diagram of cumulative settlement changes in settlement monitoring network

3 冻土深度对基点稳定性影响

图3是将季节性冻土随时间变化曲线与沉降监测点累计沉降量曲线叠加, 横轴表示时间月份(数值大于12表示次年月份), 圆点折线表示冻土深度随月份的变化, 并且横坐标轴以上的小圆圈表示不同监测点5期累计沉降量, 而虚线是5期累计沉降量的拟合曲线, 分析图3可得到如下结果。

7月-9月, 正值夏季炎热时期, 月平均气温高, 土体尚未冻结, 无冻土形成, 土体没有出现变形现象, 沉降监测网基准点稳定, 基准点无沉降。

图3 沉降监测累计沉降量和冻土深度变化叠加Fig.3 Superposition of accumulated settlement amount and frozen soil depth change in settlement monitoring

10月-12月, 气温转凉, 温度迅速降低, 达到0 ℃以下, 土体慢慢开始冻结, 同时冻结膨胀, 冻土深度急剧加深。监测点受土体冻结影响, 沉降累积量逐渐上升, 此时土体冻结深度由10月的4 cm逐渐达到12月的12.2 cm, 沉降监测点累积沉降量随冻土深度的增加而增大, 但仍未达到最大沉降量。

12月-次年3月, 进入冬季, 气温迅速下降, 温度达到全年最低时期, 平均气温稳定在0 ℃以下, 土体进一步冻结, 并在3月达到最大冻深----0.25 m左右。受土体冻胀的影响, 沉降监测网工作基点的沉降量急剧加大, 累积沉降量也在2月～3月达到最大值。

4月-6月, 进入春季, 气温开始回升, 月平均气温从0 ℃以上升至20多度, 这时冻土受温度升高影响迅速开始解冻, 冻土深度逐渐减小, 处于土体融沉期。受土体融沉影响, 沉降监测网工作基点累计沉降量也随着回落。随着冻土深度的进一步减小, 工作基点累计沉降量继续回落, 直至达到稳定。

4 结 语

沉降监测网点的稳定性直接影响沉降监测工作的准确性, 由于某些地区工程常年处于冻土地区, 当温度降低时, 冻土深度增大, 基准点被迫抬升, 造成变形监测控制网不稳定, 对监测成果造成影响。为降低这种影响, 往往将基准点深埋, 而深埋的深度往往具有不确定性, 如果研究得到在误差范围内的深埋深度, 则可以大大降低施工成本。

笔者通过在东北地区实际项目数据分析得知, 在12月-次年2月, 随着温度的逐渐降低至零度以下, 冻土深度加深, 沉降量逐渐增大； 在2月-3月, 冻土深度达到最深, 监测点沉降量最大。由此可得, 监测点的沉降量在冻土地区受到冻土深度影响严重, 而冻土深度又与环境温度有关, 最大沉降量可以达到1 cm左右, 这种沉降对精密工程影响是巨大的, 利用笔者研究结果能有效避免这种影响。