漠北公路凍土段路基沉降及地溫觀測方法

楊曉光

(黑龍江省漠北公路工程建設(shè)指揮部)

漠北公路凍土段路基沉降及地溫觀測方法

楊曉光

(黑龍江省漠北公路工程建設(shè)指揮部)

結(jié)合漠北公路凍土段路基沉降及地溫觀測的工程實(shí)踐，介紹了高緯度多年島狀凍土區(qū)路基施工中沉降及觀測的必要性，通過工程實(shí)例，細(xì)致闡述了不同融沉等級凍土段落沉降及地溫觀測設(shè)置的要求和方法，及對觀測數(shù)據(jù)的分析方法，從而為凍土處理這一世界性技術(shù)難題的最終破解積累了經(jīng)驗(yàn)。

沉降;地溫;觀測;方案;方法

1 沉降觀測的內(nèi)容及必要性

1.1 試驗(yàn)的必要性

多年凍土是一種特殊的土體，其成分、結(jié)構(gòu)、熱物理及物理力學(xué)性質(zhì)均有著不同于一般土的特點(diǎn)。它是特定氣候區(qū)域地氣系統(tǒng)能量交換的產(chǎn)物，凍土的顯著特點(diǎn)表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)的溫度依賴性和熱不穩(wěn)定性。多年凍土既存在表面不穩(wěn)定、處于冬凍夏融的季節(jié)活動層，又存在對溫度變化極其敏感的下伏多年凍土層。多年凍土的這一特殊工程地質(zhì)特性致使在多年凍土地區(qū)修筑的道路工程經(jīng)常遭受嚴(yán)重的破壞。在凍土地區(qū)修筑道路工程，除了一般寒區(qū)道路中經(jīng)常遇到的路基凍脹、翻漿、路面凍融松散、低溫開裂等病害外，還有著凍土地區(qū)特有的與熱穩(wěn)定性有關(guān)的道路病害——路基熱融下沉、邊坡熱融滑塌等。

漠北主線全長77.542 km，支線全長2.858 km，服務(wù)區(qū)連接線全長1.373 km。采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度21.50 m，行車道寬度4×3.5 m。全線已探明多年凍土路段達(dá)到16.765 km，占到全線的20.8%。沿線多年凍土以島狀凍土為主，主要為多冰凍土、富冰凍土和飽冰凍土，凍土分布及含冰量狀況復(fù)雜多樣。漠北公路地處我國最北部的大興安嶺地區(qū)，公路橫穿林區(qū)，氣候濕潤，夏季雨量豐富，沼澤濕地分布廣泛。多年凍土多發(fā)育在這些沼澤濕地中，這主要是由濕地特有的熱調(diào)節(jié)性能決定的。根據(jù)以往的調(diào)查分析，東北高緯度地區(qū)自然條件下的多年凍土退化主要依靠地下熱流由下向上退化為主，多年凍土地溫剖面基本表現(xiàn)為0梯度曲線且凍土溫度接近0℃，由此決定了凍土對人為活動干擾的脆弱性。因此漠北公路在設(shè)計之初，對多年凍土地段采取的主要設(shè)計措施是直接清除多年凍土軟弱層回填砂礫的設(shè)計方案，由于設(shè)計時未考慮多年凍土中冰的存在及多年凍土抗人為干擾的脆弱性，再加上漠北地區(qū)雨量、水量豐富，加大了施工的困難。施工中，存在一處已挖除的多年凍土路段路基未及時回填造成嚴(yán)重積水的現(xiàn)象。因此，項(xiàng)目指揮部根據(jù)具體情況，迅速調(diào)整了設(shè)計方案，多年凍土路段現(xiàn)已全部改為保持原地表直接填筑，已破壞地表層或多年凍土層的路段也盡量采取措施不再對路基下凍土造成破壞。但公路的修筑仍然會打破路基下多年凍土原有的熱平衡狀態(tài)，使路基下多年凍土發(fā)生融化下沉，從而給漠北公路的正常運(yùn)營帶來巨大的安全隱患，給公路的養(yǎng)護(hù)帶來巨大的困難。

隨著全球氣候的變暖，東北高緯度地區(qū)島狀多年凍土呈逐步退化的趨勢，但由于島狀多年凍土對道路的破壞仍是一個世界性的技術(shù)難題，缺乏可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)，因此在東北地區(qū)修筑高等級公路，仍有不少問題亟待進(jìn)一步解決，需要靠布設(shè)試驗(yàn)監(jiān)測路段(沉降、地溫等)來解決。目前路基的處理措施主要有保持原地表直接填筑，清除天然地表回填砂礫或碎石層，清除多年凍土軟弱層回填砂礫或碎石層。通過對漠北公路沿線舊路使用狀況及新修公路水文地質(zhì)、凍土地貌等調(diào)查，對公路沿線采用不同路基設(shè)計和施工措施的路段布設(shè)了地溫和沉降監(jiān)測斷面，對不同路基措施下多年凍土地溫和路基路面沉降變形狀況進(jìn)行監(jiān)測分析。

1.2 沉降觀測設(shè)置的內(nèi)容

(1)公路沿線多年凍土分布特征;

(2)不同路基設(shè)計和施工方案下多年凍土地溫變化規(guī)律及差異，進(jìn)而對多年凍土退化規(guī)律進(jìn)行分析;

(3)不同路基措施下路基路面沉降狀況及差異;

(4)不同凍土條件下路基沉降狀況及差異。

2 擬解決關(guān)鍵問題

(1)清除表層回填砂礫或碎石路基設(shè)計與施工技術(shù);

(2)保持原地表直接填筑砂礫或碎石路基設(shè)計和施工技術(shù);

(3)清除路基多年凍土軟弱層回填砂礫或碎石路基設(shè)計和施工技術(shù);

(4)不同多年凍土類型地區(qū)路基穩(wěn)定性。

3 觀測實(shí)施方案

3.1 觀測路段的選擇依據(jù)

選擇沉降觀測路段的依據(jù)主要是考慮試驗(yàn)工程路基的處理措施和凍土分布區(qū)域的代表性。漠北公路位于大興安嶺連續(xù)、島狀多年凍土區(qū)。所選路段K6+200為富冰以上多年凍土區(qū)，采取直接填筑的措施;與其作為對比監(jiān)測斷面的K8+200為飽冰多年凍土路段，采取清除天然地表0.2 m的路基措施;K9+100沉降監(jiān)測斷面為大林河橋監(jiān)測斷面;K24+625為涵洞旁碎石樁路基沉降監(jiān)測斷面;K26+240為含土冰層凍土監(jiān)測斷面;K32+100為飽冰凍土段，采取的措施是清除多年凍土軟弱層，其對比斷面 K31+900飽冰凍土段，采取的措施是保持原地表直接填筑;K52+300為多冰凍土區(qū)，采取保持原地表直接填筑的路基措施。每一個監(jiān)測斷面的布設(shè)都代表一類措施或一類凍土類型的多年凍土區(qū)。

3.2 觀測設(shè)備的選擇及其原理

沿線觀測主要為路基路面沉降監(jiān)測和路基地溫監(jiān)測，沉降監(jiān)測設(shè)備主要采用分層沉降感應(yīng)器，其由多個單點(diǎn)沉降單元與PVC管串接而成。適用于測量多層土壤與相對不動點(diǎn)(基巖)之間的位移，如圖1為一個測點(diǎn)與基準(zhǔn)板的安裝示意圖，該沉降計可進(jìn)行長期監(jiān)測和自動化測量。由于沉降計本身的安裝距離限制，沉降測量的一般距離為1 m，距離太近會存在測量不準(zhǔn)的問題。

沉降測量計每個單點(diǎn)沉降單元包括測量機(jī)構(gòu)(包括測桿與測管)、脹緊機(jī)構(gòu)(用于抓緊安裝位置處的泥土)和保護(hù)管等。測量機(jī)構(gòu)和脹緊機(jī)構(gòu)安裝在保護(hù)管內(nèi)。測量機(jī)構(gòu)通過提柄與提繩相連控制測量機(jī)構(gòu)的起始位置;脹緊機(jī)構(gòu)通過提環(huán)與提繩相連控制脹緊機(jī)構(gòu)的打開。

安裝時脹緊機(jī)構(gòu)與測桿連接，設(shè)置在待監(jiān)測高程，測管通過PVC管固定于相對不動點(diǎn)(基巖)。當(dāng)土層下沉?xí)r，脹緊機(jī)構(gòu)帶動測桿與土層同步下沉，使傳感器測桿與測管發(fā)生相對滑移，通過讀數(shù)儀測出位移量，實(shí)現(xiàn)沉降觀測目的。

在現(xiàn)場用鉆孔機(jī)鉆孔到安裝需要測量深度，然后在孔底放置基準(zhǔn)板?；鶞?zhǔn)板放置在不凍層內(nèi)，與凍土層隔離開，不受凍土層凍脹的影響，而保持穩(wěn)定不動。在現(xiàn)場施工時每間隔一定深度安裝一個沉降測量單元，沉降測量單元隨凍土層的凍脹與基準(zhǔn)板產(chǎn)生相對位移。記錄該位移量與開始的基準(zhǔn)位移比較即可得到路基的分層沉降位移量。

圖1 沉降測量單元

3.3 觀測布設(shè)的總體方案

表1 漠北公路分層沉降試驗(yàn)段監(jiān)測斷面布設(shè)測點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計表

表2 漠北公路地溫試驗(yàn)監(jiān)測路段布設(shè)數(shù)量統(tǒng)計表

沿線各監(jiān)測路段斷面分述如下。

(1)K6+200地溫沉降觀測。K6+200監(jiān)測斷面處于低洼地地段，地勢平坦。路基兩側(cè)植被發(fā)育良好，矮灌木茂密，無大型針葉、闊葉樹木，路基兩側(cè)有少量積水。凍土類型為富冰多年凍土，屬于Ⅲ級融沉凍土。該段凍土上限約1.5～2.3 m，下限為6.5～7.2 m。舊路采用水泥混凝土路面，使用狀況良好，新修路面為一級公路，路面加寬，路基采用原地表直接填筑，填土路基高度約5 m。

圖2為K6+200分層沉降變形監(jiān)測布設(shè)示意圖，分路中、左路肩、右路肩、右行車道路中、左坡腳共五個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前4 m路基填土每2 m埋設(shè)一個測沉降變形感應(yīng)器，4 m以下每米埋設(shè)一個;坡腳孔深5 m，每米埋設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

圖3為該地溫監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)圖，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、左坡腳、右坡腳、天然孔，共8個地溫測量孔。其中，路中、路肩孔13m深，前5 m每米1個測溫探頭，5 m以下每0.5 m一個測溫探頭;坡腳孔、天然孔8 m深，每0.5 m一個測溫探頭。

圖2 K6+200沉降監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)示意圖

圖3 K6+200地溫監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)示意圖

(2)K8+200地溫沉降觀測。K8+200監(jiān)測斷面處于低洼地段，地勢平坦。路基兩側(cè)為草灘濕地，有積水。植被發(fā)育良好，矮灌木叢略枯萎。該斷面為K6+200段斷面的對比斷面，凍土類型為飽冰凍土，多年凍土厚度約2.0～3.0 m，屬于Ⅳ級融沉凍土。舊路為水泥混凝土路面，使用狀況良好，新修路面仍采用水泥混凝土路面，路基填筑高度約5 m。該斷面在施工初期對原地面表層土進(jìn)行了清除，現(xiàn)又長出新的植被，由于處于雨季，積水嚴(yán)重。

圖4為K8+200分層沉降變形監(jiān)測斷面布設(shè)示意圖，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、右坡腳共六個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前4 m路基填土每2 m埋設(shè)一個測沉降變形感應(yīng)器，4 m以下每米埋設(shè)一個;坡腳孔深5 m，每米埋設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

圖4 K8+200沉降監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)示意圖

地溫監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、左坡腳、右坡腳，共7個地溫測量孔。其中，路中、路肩孔13 m深，前5 m每米1個測溫探頭，5 m以下每0.5 m一個測溫探頭;坡腳孔8 m深，每0.5 m一個測溫探頭。

(3)K9+100～K9+800大林河橋沉降觀測。大林河大橋位于K9+100～K9+800段，為減少路基在構(gòu)造物兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉降，減輕橋頭跳車現(xiàn)象，提高車輛行駛舒適性。橋梁兩側(cè)設(shè)置了過渡段，過渡段采用天然砂礫進(jìn)行填筑。分層填筑厚度不大于30 cm，采用水撼法結(jié)合小型機(jī)具進(jìn)行夯實(shí)達(dá)道路基設(shè)計壓實(shí)度要求。

沉降變形監(jiān)測斷面位于大林河大橋橋旁，平均填土高度8 m。表層為約0.7 m厚的腐殖土，0.7～6 m為飽冰凍土，屬于Ⅳ級融沉凍土。該段處于低洼地段，地勢平坦。路基兩側(cè)為草灘濕地，有積水，植被發(fā)育良好。舊路為水泥混凝土路面，使用狀況良好，新修路面仍采用水泥混凝土路面。路基采用清除多年凍土軟弱層回填天然砂礫的工程措施。大林河大橋旁沉降變形監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)。其中路肩孔、路中孔深13 m，前8 m路基填土每4 m布設(shè)一個沉降觀測感應(yīng)器，后5 m每米布設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。坡腳孔深5 m，每米布設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

模型3對導(dǎo)師素質(zhì)與研究生學(xué)術(shù)水平的直接影響進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果顯示導(dǎo)師的指導(dǎo)能力、導(dǎo)師學(xué)術(shù)水平以及導(dǎo)師的人格魅力對研究生學(xué)術(shù)水平都有顯著的影響H1a—H1c均得到支持。同時,結(jié)果表明,在研究生學(xué)術(shù)水平的影響中,導(dǎo)師的學(xué)術(shù)水平是最重要的,其次是導(dǎo)師的人格魅力和指導(dǎo)能力。

(4)K24+625涵洞沉降觀測。該沉降觀測斷面位于K24+625涵洞旁，K24+625涵洞采取了底面清除多年凍土軟弱層，回填砂礫后修筑，兩側(cè)50 m的路基采取碎石樁處理的工程措施。該段路基平均高度為2.5 m，凍土類型為富冰凍土。

K24+625分層沉降變形監(jiān)測布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、右行車道路中、右坡腳、共五個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，前2 m路基填土每2 m埋設(shè)一個測沉降變形感應(yīng)器，2 m以下每米埋設(shè)一個;坡腳孔深5 m，每米埋設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

(5)K26+240沉降觀測。K26+240監(jiān)測斷面植被發(fā)育良好，以闊葉林和矮灌木叢為主。該段舊路為瀝青路面，整體使用狀況較好，局部出現(xiàn)輕微龜裂，橫向裂縫等。舊路左側(cè)路基旁有少量積水。凍土類型為含土冰層，路基下3.4～7.8 m體積含冰量在70% ～80%。凍土上限為1.1～1.5 m，為后探測多年凍土地區(qū)。路基采用清除天然地表后回填碎石處理，設(shè)計路基平均填土高度為1.6 m。

K26+240分層沉降變形監(jiān)測斷面布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、左坡腳共六個沉降測量孔。其中，路中、路肩孔測深6 m，坡腳孔測深5 m。

(6)K32+100沉降觀測。K32+100監(jiān)測斷面地處山前緩坡，矮灌木叢茂盛。該段為新修路段，地表腐殖層較厚，約0.5～1.0 m。凍土類型為飽冰凍土，屬于Ⅳ級強(qiáng)融沉凍土?，F(xiàn)已按原設(shè)計進(jìn)行了清除多年凍土軟弱層處理，最深處清除多年凍土軟弱層已達(dá)4 m，路基積水嚴(yán)重。舊路為瀝青路面，局部出現(xiàn)了嚴(yán)重的翻漿，形成坑槽，并伴有網(wǎng)裂和龜裂等病害。處于該段的小橋，橋頭跳車明顯。

K32+100斷面的分層沉降監(jiān)測斷面布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、右坡腳共六個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深6 m，坡腳孔深4 m，均為每2 m布設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

(7)K31+900地溫沉降觀測。K31+900段斷面為K32+100段的對比斷面，凍土類型為富冰凍土，屬于Ⅳ級融沉凍土。這兩斷面分別采用保持原地表直接填筑和清除多年凍土軟弱層兩種路基設(shè)計和施工方案。

K31+900分層沉降監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、右行車道路中、右坡腳共五個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，前6 m每2 m布設(shè)沉降變形感應(yīng)器，6 m以下布設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。坡腳孔深5 m，前4 m每2 m布設(shè)沉降變形感應(yīng)器，4 m以下布設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

(8)K52+300地溫沉降觀測。K52+300斷面為兩山嶺間洼地，橫跨一條河流，植被茂密，以矮灌木叢為主，穿插針葉、闊葉林。凍土類型為多冰凍土，屬于Ⅱ級弱融沉凍土。舊路面為瀝青路面，路面狀況良好，無明顯的病害。

K52+300分層沉降監(jiān)測斷面布設(shè)，分路中、左路肩、右路肩、左行車道路中、右行車道路中、左坡腳共六個沉降測量孔。其中路肩孔、路中孔深7 m，分別在0 m、2 m、4 m、5 m、7 m深度處各埋設(shè)一個測沉降變形感應(yīng)器;坡腳孔深5 m，分別在0 m、2 m、3 m、5 m深度處各埋設(shè)一個沉降變形感應(yīng)器。

K52+300地溫監(jiān)測斷面測點(diǎn)布設(shè)，分路中、左右路肩、左右行車道路中、左坡腳共五個測量孔。其中路肩孔、路中孔深10 m，前2 m每米布設(shè)一個溫度探頭，2 m以下每0.5 m布設(shè)一個溫度探頭。坡腳孔深8 m，每0.5 m布設(shè)一個溫度探頭。

3.4 方案實(shí)施計劃

(1)根據(jù)野外現(xiàn)場的調(diào)查，調(diào)研國內(nèi)外觀測方案，結(jié)合青藏公路多年凍土區(qū)特殊路基試驗(yàn)觀測方法，確定試驗(yàn)觀測方案。

(2)在路基施工完成后，在選定的試驗(yàn)段安裝試驗(yàn)儀器。

(3)在試驗(yàn)設(shè)備可以正常使用后，每5 d采集一次數(shù)據(jù)，至少完成三個完整監(jiān)測周期(3 a)。

(4)整理、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)結(jié)果，并完成相關(guān)成果報告。

3.5 觀測數(shù)據(jù)處理

(1)K6+200和K8+200監(jiān)測斷面。首先對兩試驗(yàn)監(jiān)測斷面地溫資料進(jìn)行分析，主要對保持原地表直接填筑碎石層和清除地表層回填碎石層兩種路基方案，對路基下多年凍土地溫影響狀況及差異進(jìn)行探討，并就兩種方案對該段高含冰量多年凍土退化規(guī)律及其差異狀況進(jìn)行分析。最后根據(jù)現(xiàn)場地溫觀測結(jié)果，結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁赜^測資料，對公路修筑后兩凍土監(jiān)測路段路基下多年凍土退化趨勢進(jìn)行模擬預(yù)測。

其次，根據(jù)兩監(jiān)測斷面不同監(jiān)測部位沉降變形監(jiān)測結(jié)果，就兩種路基方案(保持原地表直接填筑和清除天然表層回填)對路基穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

(2)橋涵沉降觀測斷面。K9+100橋梁沉降觀測斷面采用的是清除多年凍土軟弱層回填天然砂礫的路基設(shè)計和施工方案。主要通過對其沉降變形的監(jiān)測，對橋旁路基下多年凍土在公路和橋梁措施綜合作用下產(chǎn)生的沉降變形進(jìn)行分析評價，為多年凍土區(qū)橋梁過渡段路基的修筑提供技術(shù)支撐。

K24+625涵洞沉降觀測斷面主要是對涵洞旁路基碎石樁措施下路基沉降狀況進(jìn)行分析和評價。

(3)K26+240監(jiān)測斷面。該段位于含土冰層高含冰量路段，通過對該段沉降監(jiān)測，分析漠北公路含土冰層路基采用清除天然地表后回填碎石處理措施下路基土體的沉降狀況。

(4)K32+100和K31+900。K32+100路段采用的是清除多年凍土軟弱層回填天然砂礫的路基設(shè)計和施工方案，而K31+900為保持原地表直接填筑碎石層的方案。通過對這兩監(jiān)測斷面路基不同監(jiān)測部位沉降變形資料的分析，對兩種措施下路基的穩(wěn)定性差異進(jìn)行探討。并通過對K31+900斷面地溫監(jiān)測來探討路面沉降與地溫的關(guān)系。從而為以后在東北高緯度多年凍土地區(qū)修筑高等級公路提供技術(shù)支持和工程依據(jù)。

4 結(jié)束語

公路沿線布設(shè)監(jiān)測斷面涵蓋清除多年凍土軟弱層、清除天然地表、保持原地表直接填筑三種路基方案，所處路段包括的多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層所有凍土類型。監(jiān)測內(nèi)容包括路基凍土地溫、路基各層土體沉降，布設(shè)監(jiān)測方案相對全面完善。

［1］公路路基設(shè)計規(guī)范.中華人民共和國交通部(JTG D30-2004)［S］.

［2］公路路基施工技術(shù)規(guī)范.中華人民共和國交通部(JTGF10-2006)［S］.

［3］工程測量規(guī)范.中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(GB50026-2007)［S］.

［4］省道加格達(dá)齊至漠河公路(S207).漠河機(jī)場至北極村段(一級公路)兩階段施工圖設(shè)計.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，2009.

U416.1

C

1008-3383(2012)02-0001-03

2011-12-21

楊曉光(1980-)，男，工程師。