季節(jié)性凍土對(duì)沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性影響

席志龍，張 健，董武鐘

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

季節(jié)性凍土對(duì)沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性影響

席志龍1，張 健1，董武鐘1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

利用凍土學(xué)基本理論結(jié)合哈爾濱至齊齊哈爾客運(yùn)專線實(shí)例，以其沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分析和研究了季節(jié)性凍土地區(qū)沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)的不同狀態(tài)。沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性是在環(huán)境溫度變化、凍土深度變化、地下水埋深等多種因素綜合影響下共同作用的結(jié)果，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致凍土深度的變化，這二者結(jié)合又影響著工作基點(diǎn)穩(wěn)定性，而地下水位的深淺也影響著工作基點(diǎn)的凍脹時(shí)間和總的沉降量。

季節(jié)性凍土；沉降監(jiān)測網(wǎng)；穩(wěn)定性；溫度變化；凍深；地下水位

1 變形監(jiān)測網(wǎng)的復(fù)測

沉降變形測量點(diǎn)分為基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和沉降變形監(jiān)測點(diǎn)。為了保證變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，應(yīng)定期對(duì)變形監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測。

高鐵沉降變形監(jiān)測網(wǎng)的觀測分為首次觀測和施工過程中的定期復(fù)測。定期復(fù)測按每6個(gè)月進(jìn)行一次，盡可能結(jié)合精測網(wǎng)復(fù)測進(jìn)行；在區(qū)域沉降地區(qū)應(yīng)每3個(gè)月進(jìn)行一次復(fù)測。正常觀測過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況實(shí)時(shí)地對(duì)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行檢核，發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)復(fù)測。復(fù)測的總體原則是：同網(wǎng)型、同精度復(fù)測；復(fù)測時(shí)對(duì)遭到破壞或者丟失的點(diǎn)，可以看聯(lián)測線路上其他的樁橛，使全線二等水準(zhǔn)基點(diǎn)高程網(wǎng)保持完整。復(fù)測水準(zhǔn)點(diǎn)間高差較差以6L（L為測段長度，單位：km）來判斷是否滿足二等水準(zhǔn)精度要求。檢測中發(fā)現(xiàn)工作基點(diǎn)變形量超出2倍中誤差，應(yīng)對(duì)相關(guān)測點(diǎn)高程值進(jìn)行調(diào)整或修正。

2 約束平差結(jié)果

表1為實(shí)際采集的高程數(shù)據(jù)。分析沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測高程本次沉降量，第一次復(fù)測高程的本次沉降均在-0.3～0.3 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，說明2011-08-27復(fù)測工作基點(diǎn)還沒有受到凍土凍脹的影響。

第二次復(fù)測高程的本次沉降在-0.6～0.9 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，27個(gè)工作基點(diǎn)中有21個(gè)工作基點(diǎn)本次沉降在-0.5～0.5 mm以內(nèi)，5個(gè)在0.5～0.9 mm之間，本次沉降最大的為0.9 mm（BM67）。通過2011-10-25沉降監(jiān)測網(wǎng)第二次復(fù)測高程本次沉降可以看出，個(gè)別工作基點(diǎn)相對(duì)上次復(fù)測高程有一定的波動(dòng)但仍然在限差范圍內(nèi)，整個(gè)沉降監(jiān)測網(wǎng)未受到凍土凍脹影響。

第三次復(fù)測高程中，27個(gè)工作基點(diǎn)本次沉降均大于零，0～0.5 mm的有6個(gè)，0.5～1.0 mm的2個(gè)，1.0～2.0 mm的16個(gè)，大于2.0 mm的3個(gè)。本次沉降最大的為2.9 mm（BM52）。通過2011-12-23復(fù)測高程可知，隨著冬季來臨，氣溫開始降低，部分土體開始出現(xiàn)凍結(jié)，工作基點(diǎn)呈現(xiàn)出整體上浮的趨勢。

第四次復(fù)測高程中，27個(gè)工作基點(diǎn)本次沉降均大于零，1～2.0 mm的有9個(gè)，2～4 mm的有15個(gè)，4 mm以上的有4個(gè)，本次沉降最大的為7.6 mm（BM50）。通過2012-02-27第四次復(fù)測高程可知，隨著氣溫的進(jìn)一步降低，土體達(dá)到最大凍深，工作基點(diǎn)凍脹程度達(dá)到最大。

第五次復(fù)測高程中，27個(gè)工作基點(diǎn)本次沉降均小于零，0～-2 mm的有14個(gè)，-2～-4 mm的有11個(gè)，-4 mm以上的有2個(gè)，本次沉降最大的為-6.0 mm（BM50）。通過2012-04-25第五次復(fù)測高程可知，進(jìn)入4月份之后，氣溫開始回升，土體溫度升高，凍結(jié)土體逐漸開始融化，工作基點(diǎn)呈現(xiàn)出融沉的趨勢。

根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)，計(jì)算沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測高程累積沉降量，通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可以得到如下結(jié)論：在2011-08-27沉降監(jiān)測網(wǎng)第一次復(fù)測時(shí)，所有工作基點(diǎn)沉降量均在很小范圍(-0.3～0.3 mm)內(nèi)波動(dòng)，說明第一次復(fù)測時(shí)沉降監(jiān)測網(wǎng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；在2011-10-25第二次復(fù)測時(shí)，有部分觀測點(diǎn)開始呈現(xiàn)出上浮的趨勢，但是其沉降變化仍在限差范圍內(nèi)；在2011-12-23第三次復(fù)測時(shí)，土體開始凍結(jié)，沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)表現(xiàn)出整體上浮的趨勢；在2012-02-27第四次復(fù)測時(shí)，氣溫進(jìn)一步降低，土體凍結(jié)深度達(dá)到最大，沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)的上浮現(xiàn)象明顯，尤其是BM50～BM58、BM77等工作基點(diǎn)沉降量達(dá)到最大；在2012-04-25第五次復(fù)測時(shí)，氣溫逐漸回升，土體溫度由零下升至零上，土體開始解凍，并表現(xiàn)出融沉的跡象，故沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)總沉降量開始回落。

表1 沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測高程本次沉降量統(tǒng)計(jì)表/ mm

3 工作基點(diǎn)穩(wěn)定性分析

3.1 溫度變化對(duì)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的影響

分析沉降監(jiān)測網(wǎng)累計(jì)沉降量，結(jié)合當(dāng)?shù)販囟茸兓?，將土體凍脹融沉過程分為4個(gè)周期：

1）穩(wěn)定期：6～8月份，此時(shí)沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所有工作基點(diǎn)沉降值均未見異常，此時(shí)土體沒有凍結(jié)。

2）凍脹前期：9～11月份，土體已經(jīng)有凍結(jié)的跡象，不過土體凍結(jié)的程度不是很大，凍結(jié)的深度也還未達(dá)到最大。在此時(shí)間段內(nèi)，沉降監(jiān)測網(wǎng)部分工作基點(diǎn)（BM50、BM52、BM62）有較大的沉降量，說明這些點(diǎn)穩(wěn)定性對(duì)溫度變化比較敏感，其周邊土體在溫度降低時(shí)凍結(jié)比其他點(diǎn)周邊土體凍結(jié)快。

3）凍脹持續(xù)期：12～2月份，土體的凍結(jié)深度達(dá)到最大，受凍脹作用影響，沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測工作基點(diǎn)本次沉降量也達(dá)到最大，其中BM50～BM58段沉降量變化最為明顯。從沉降監(jiān)測網(wǎng)整體分析，此時(shí)間段內(nèi)，工作基點(diǎn)總沉降量與溫度成反比，即溫度越低，工作基點(diǎn)總沉降量越大。

4）融沉期：3～5月份，凍結(jié)的土體逐漸開始融化，隨著土體中凍結(jié)冰的融化，土體逐漸開始融沉，沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測工作基點(diǎn)總沉降量隨溫度升高而減小。

3.2 地下水位埋深對(duì)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的影響

根據(jù)沉降監(jiān)測網(wǎng)所在地下水位分布情況，可將沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)分為2類：

1）BM50～BM56段，地下水水位變動(dòng)在1.1～3.55 m范圍內(nèi)，此段水位較淺，再加上自然降水（雨、雪等），該段工作基點(diǎn)周圍土體含水量較大，一旦溫度降至0 ℃以下，該段土體最先開始凍結(jié)，并且凍結(jié)之后，該段工作基點(diǎn)的凍脹量也較其他段的工作基點(diǎn)的凍脹量大，這說明地下水位的深淺直接影響著工作基點(diǎn)的凍脹時(shí)間以及凍脹總量。

2）BM56～BM77段，地下水位變化在4.7～15.2 m范圍內(nèi)，該段內(nèi)地下水位埋深較大且埋深均大于工作基點(diǎn)的埋設(shè)深度，地表土體中水分主要來源于大氣降雨降雪，含水量較BM50～BM56段低，在溫度降低時(shí)，工作基點(diǎn)周圍的土體開始凍結(jié)，但是工作基點(diǎn)受土體凍脹的影響較小，所以在2012-02-10沉降監(jiān)測網(wǎng)第四次復(fù)測時(shí)，該段內(nèi)工作基點(diǎn)凍脹量普遍低于BM50～BM56段。

3.3 凍土深度對(duì)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的影響

將沉降監(jiān)測網(wǎng)復(fù)測工作基點(diǎn)累積沉降量和當(dāng)?shù)夭煌瑫r(shí)期的凍土深度進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

1）7～9月份，凍土尚未對(duì)沉降監(jiān)測網(wǎng)穩(wěn)定性構(gòu)成任何影響。

2）10～12月份，正處于土體的凍脹前期，工作基點(diǎn)普遍表現(xiàn)出受凍脹影響而累積沉降逐漸上升的趨勢，沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)累積沉降量隨著凍土深度的增加而增大。

3）1～3月份，此時(shí)土體進(jìn)一步凍結(jié)，在3月份達(dá)到最大凍深。受土體凍脹的影響，沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)的累計(jì)沉降量也在此時(shí)達(dá)到最大值。

4）4～6月份，受土體融沉作用的影響，沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)累計(jì)沉降量也隨之回落。截止2012-04-25最后一次復(fù)測，大部分工作基點(diǎn)累計(jì)沉降量已回沉至3 mm以內(nèi)。隨著凍土深度的進(jìn)一步減小，工作基點(diǎn)累計(jì)沉降量可能還會(huì)有所回落，直至達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性直接影響著沉降觀測工作的準(zhǔn)確性，全線均在季節(jié)性凍土之上的鐵路需要特別重視這個(gè)問題。通過現(xiàn)場觀測和室內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理，對(duì)哈爾濱至齊齊哈爾客運(yùn)專線TJ1標(biāo)段沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

1）沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性主要受環(huán)境氣溫變化的影響，根據(jù)環(huán)境氣溫的變化將沉降監(jiān)測網(wǎng)穩(wěn)定性分為4個(gè)階段：穩(wěn)定期、凍脹前期、凍脹持續(xù)期、融沉期。

2）地下水位也是影響沉降監(jiān)測網(wǎng)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的一大因素，特別是在地下水位較淺、凍深超過地下水埋深時(shí)，表層土體含水量會(huì)較一般土體大，一旦土體開始凍結(jié)，凍脹現(xiàn)象也會(huì)更加明顯，凍脹量會(huì)更大，土體中工作基點(diǎn)表現(xiàn)出凍脹時(shí)間早、凍脹后累計(jì)沉降量更大的現(xiàn)象。

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B

1672-4623（2015）01-0157-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.052

席志龍，碩士，研究方向?yàn)榇蟮販y量與測量工程。

2013-04-18。