青藏鐵路低架空房屋基礎(chǔ)凍土地溫及基礎(chǔ)沉降監(jiān)測及分析

張　樺

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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青藏鐵路低架空房屋基礎(chǔ)凍土地溫及基礎(chǔ)沉降監(jiān)測及分析

張樺

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：針對青藏鐵路高寒多年凍土的特性，為了確保多年凍土不被人為破壞及結(jié)構(gòu)自身安全，青藏鐵路不凍泉站區(qū)辦公生產(chǎn)綜合樓采用低架空基礎(chǔ)。為了得到低架空房屋基礎(chǔ)的安全性及其對多年凍土的影響，對基礎(chǔ)凍土地溫及基礎(chǔ)沉降進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：低架空房屋基礎(chǔ)對于其下多年凍土起到有效的保護(hù)作用，房屋基礎(chǔ)的變形控制點(diǎn)大部分表現(xiàn)為沉降，但沉降值較小，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：青藏鐵路；多年凍土；低架空房屋基礎(chǔ)；凍土地溫；基礎(chǔ)沉降；監(jiān)測

青藏鐵路作為西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程，工程的穩(wěn)定性及工程活動對多年凍土環(huán)境的影響受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。對于如何在青藏鐵路的房屋建設(shè)中保證房屋的安全及盡可能地減少人為活動對多年凍土環(huán)境的影響顯得非常重要。

多年凍土區(qū)的建筑物常常由于凍土地基的凍脹和融沉使房屋產(chǎn)生變形和破壞。建造在不同類型多年凍土帶上的房屋，受凍土類型、房屋結(jié)構(gòu)體系及基礎(chǔ)形式的影響，其建筑沉降變形、墻體開裂破壞的形態(tài)也有所不同。多年凍土區(qū)房屋工程設(shè)計(jì)的中心問題是如何處理好多年凍土上的地基和基礎(chǔ)問題。也就是說如何設(shè)計(jì)一種合適的房屋基礎(chǔ)來維持多年凍土地基的穩(wěn)定。即房屋基礎(chǔ)在施工和運(yùn)營中對多年凍土地基的熱狀況應(yīng)干擾最小，且能維持地基多年凍土的溫度在設(shè)計(jì)溫度。

根據(jù)國內(nèi)外凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及青藏鐵路凍土地區(qū)的特點(diǎn)，青藏鐵路沿線生產(chǎn)房屋采用的基礎(chǔ)形式有：架空通風(fēng)基礎(chǔ)、低填通風(fēng)管基礎(chǔ)和高填通風(fēng)管基礎(chǔ)、熱樁基礎(chǔ)等[4-5]。

目前，相關(guān)單位及部位針對青藏鐵路多年凍土區(qū)的路基沉降進(jìn)行了多年連續(xù)的監(jiān)測和研究[6-8]，但對多年凍土區(qū)的房屋基礎(chǔ)的一手監(jiān)測資料卻相對缺乏。為了獲得低架空房屋基礎(chǔ)對多年凍土上限、下伏多年凍土的影響，對不凍泉站區(qū)內(nèi)辦公生產(chǎn)綜合樓低架空基礎(chǔ)進(jìn)行了凍土地溫變化及變形監(jiān)測，為多年凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)提供充分的設(shè)計(jì)和科研依據(jù)。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1國外凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)現(xiàn)狀[9-10]

在美國的阿拉斯加北極地區(qū)，房屋基礎(chǔ)多采用架空基礎(chǔ)，高度一般在2.5～3.5 m；在俄羅斯多年凍土區(qū)，房屋基礎(chǔ)多采用樁基-頂框架架空通風(fēng)基礎(chǔ)；在蒙古，多年凍土面積約占國土面積的15%，凍土區(qū)房屋建筑物采用的主要技術(shù)是架空通風(fēng)基礎(chǔ)，以使空氣在基礎(chǔ)中循環(huán)來養(yǎng)護(hù)多年凍土。即使采用了以上措施但房屋和建筑物的損壞還是很多的，其原因是地基多年凍土的溫度發(fā)生了變化導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生變形。

1.2國內(nèi)凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)現(xiàn)狀

在我國東北多年凍土區(qū)和青藏高原多年凍土區(qū)大多數(shù)的房屋采用了架空通風(fēng)基礎(chǔ)形式，架空高度一般在1.0 m以下，生活用房屋的架空高度多為0.30～0.70 m，工業(yè)用房架空高度為1.0～1.5 m。

中鐵西北科學(xué)研究院于1976年在青藏高原多年凍土區(qū)的風(fēng)火山進(jìn)行了4種形式的房屋基礎(chǔ)試驗(yàn)，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。這4種形式房屋基礎(chǔ)是：(1)平鋪式鋼筋混凝土圈梁基礎(chǔ)；(2)低填通風(fēng)管冷基礎(chǔ)；(3)樁基架空通風(fēng)冷基礎(chǔ)；(4)平鋪式鋼筋混凝土圈梁架空通風(fēng)基礎(chǔ)。

4種房屋基礎(chǔ)經(jīng)試驗(yàn)監(jiān)測得出如下結(jié)論：樁基架空通風(fēng)基礎(chǔ)可適用于任何條件凍土地基和任何種類房屋；低填通風(fēng)管基礎(chǔ)可適用于任何條件凍土地基和熱源不大的房屋；平鋪式鋼筋混凝土圈梁基礎(chǔ)和平鋪式鋼筋混凝土圈梁架空通風(fēng)基礎(chǔ)僅適用于凍土工程地質(zhì)條件較好(少冰、多冰凍土和基巖埋藏較淺的地段)和熱源不大的房屋。

1.3《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ118—2011)對多年凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)的有關(guān)規(guī)定[11]

《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ118—2011)中規(guī)定：架空通風(fēng)基礎(chǔ)(通風(fēng)地下室)與填土通風(fēng)管基礎(chǔ)，實(shí)質(zhì)上既不是基礎(chǔ)，也不是地基，而是為保持地基土處于凍結(jié)狀態(tài)所采取的有效措施，由于它和基礎(chǔ)的關(guān)系又非常密切，因此稱其為基礎(chǔ)。

架空通風(fēng)基礎(chǔ)是多年凍土地區(qū)采暖房屋保持地基土凍結(jié)狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本措施。它可以利用冬季自然通風(fēng)完成保持地基土凍結(jié)狀態(tài)，特別是對熱源較大的房屋，如鍋爐房、浴室等，同時(shí)也適用于各種地貌、地質(zhì)條件下的凍土地基。我國青藏地區(qū)和東北大興安嶺阿木爾、滿歸地區(qū)均采用這種措施，使用效果良好。

架空通風(fēng)基礎(chǔ)主要由樁基、柱下單獨(dú)基礎(chǔ)或墩式基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)梁板組成。其他基礎(chǔ)如墻下條基、柱下條基，由于在施工階段對土熱擾動較大，在使用階段傳遞熱量較多，不利于地基保持凍結(jié)狀態(tài)。

但對于受地形、線路等原因影響所形成的低架空房屋基礎(chǔ)對多年凍土上限、下伏多年凍土的影響，目前國內(nèi)尚缺少相應(yīng)資料。因此，對不凍泉站區(qū)內(nèi)辦公生產(chǎn)綜合樓低架空基礎(chǔ)進(jìn)行的凍土地溫變化及變形監(jiān)測具有重要的科研價(jià)值，為多年凍土區(qū)房屋基礎(chǔ)提供充分的設(shè)計(jì)和科研依據(jù)。

2工程概況及自然條件

2.1工程概況

青藏鐵路不凍泉站區(qū)辦公生產(chǎn)綜合樓采用低架空基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板長30.3 m，寬6.9 m，其基礎(chǔ)的架空高度均為0.4 m，如圖1所示。

圖1　不凍泉辦公生產(chǎn)綜合樓外景

2.2氣候特征

不凍泉站區(qū)屬于青藏高原內(nèi)陸干旱氣候區(qū)，氣候干燥，氣溫、氣壓低，太陽輻射比同緯度其他地區(qū)強(qiáng)，高原近地層大氣中存在著明顯的溫度遞減率，伴隨著強(qiáng)對流活動，使地面感熱向中、高層輸送，為多年凍土的生存提供了條件。凍結(jié)期為九月至次年四月，急風(fēng)、暴雪、雷電等變化劇烈無常。由于不凍泉工點(diǎn)附近無氣象資料，故以距不凍泉工點(diǎn)20 km左右的清水河地區(qū)氣象資料為參考，其氣溫隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2　清水河氣溫隨時(shí)間變化曲線

2.3多年凍土特征

青藏鐵路不凍泉站區(qū)辦公生產(chǎn)綜合樓位于昆侖山山前平原上，斜坡地形，地形較平緩，略有起伏，其間沖溝較發(fā)育，地下水賦存條件較差，該段為基巖出露地區(qū)，局部地段有少量的多冰、少冰凍土。

2.4地層巖性

依據(jù)2004年的鉆孔資料，該段主要出露地層為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖、洪積細(xì)砂、碎石土以及風(fēng)積粉、細(xì)砂，第四系松散層一般為0.2～0.5 m；第四紀(jì)以下主要為第三系灰?guī)r、砂巖和頁巖等。典型地質(zhì)剖面如圖3所示。

圖3　不凍泉辦公生產(chǎn)綜合樓地質(zhì)斷面(單位：mm)

3研究方法

3.1地溫監(jiān)測

根據(jù)不凍泉地區(qū)地質(zhì)地層情況，因鉆孔過程中巖芯無含冰量，故無法通過含冰量來確定其多年凍土的上限，只有通過測溫來確定其多年凍土的上限，從而根據(jù)測溫?cái)?shù)據(jù)來分析其變化情況。

在房屋周圍設(shè)置測溫孔，測溫元件的豎向布置可采用從天然地面至15.5 m深度的范圍內(nèi)，測溫元件間距0.5 m，另在20 cm處加密一點(diǎn)。測溫元件采用熱敏電阻。

低架空房屋(辦公生產(chǎn)綜合樓)基礎(chǔ)地溫觀測：在架空站坪下布設(shè)測溫孔3個(gè)，孔深15 m，進(jìn)行地溫觀測。其孔號為：T-1天然孔，7號、8號斜孔(由于已完成底板鋪架，鉆孔不能按原設(shè)計(jì)豎直孔進(jìn)行鉆進(jìn)，改為在房屋一側(cè)進(jìn)行斜孔鉆進(jìn)，傾斜度為12°)。在基礎(chǔ)施工完畢后10 d內(nèi)，每天觀測一次，以后按照每年4、9月每5 d觀測1次，其余時(shí)間按每10 d觀測1次的要求進(jìn)行1個(gè)凍融循環(huán)的觀測。

3.2變形監(jiān)測

房屋基礎(chǔ)的變形監(jiān)測通過在房屋周邊設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)，用水準(zhǔn)測量的方法定期進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每月1次。

4監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1地溫年變化分析

為了準(zhǔn)確描述低架空房屋基礎(chǔ)下地溫孔(7號孔、8號孔)的地溫變化情況，在房屋周圍建立天然孔(T-1號孔)與基礎(chǔ)下各孔進(jìn)行對比分析。地溫孔監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

圖4　7號孔融化進(jìn)程曲線分析

圖5　8號孔融化進(jìn)程曲線分析

圖6　T-1號天然孔融化進(jìn)程曲線分析

從圖4～圖6中數(shù)據(jù)可見。

(1)2005年天然孔T-1號的人為上限達(dá)4 m，較2004年略有抬升；房屋下的地溫監(jiān)測孔(7號孔)2004～2005年的人為上限均在2 m以內(nèi)，而8號孔2004年的人為上限超過2 m，并有高溫夾層，2005年的人為上限有明顯的減??；同時(shí)可以看出，在經(jīng)過2個(gè)凍融循環(huán)后，各個(gè)孔2005年的人為上限均較2004年有所抬升、并有效消除了高溫夾層。

(2)對比兩個(gè)寒季，天然孔T-1號在2004年天然上限深度以下存在一個(gè)較低地溫(-2～-1 ℃)區(qū)，而在2005年該低溫區(qū)消失；房屋下的地溫監(jiān)測孔(7號孔、8號孔)在2004年天然上限深度以下存在一個(gè)較高地溫(-1～0 ℃)區(qū)，而在2005年該區(qū)溫度形成一個(gè)較低地溫(-2～-1 ℃)區(qū)，8號孔較7號孔地溫區(qū)延伸時(shí)間長、范圍廣。

(3)對比兩個(gè)暖季，可以看出各個(gè)孔在2005年季節(jié)活動層的融化時(shí)間較2004年大為縮短。

綜上所述可知，在經(jīng)過2個(gè)凍融循環(huán)后，低架空基礎(chǔ)對于其下多年凍土起到了增加冷儲量的作用，有效保護(hù)了多年凍土。

4.2平均地溫分析

為了說明架空半封閉房屋基礎(chǔ)下地溫孔(7號孔、8號孔)的地溫變化情況，在房屋周圍建立天然孔(T-1)與基礎(chǔ)下各孔進(jìn)行對比分析。平均地溫監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖7～圖9所示。

圖7　7號孔月均地溫隨深度變化曲線

圖8　8號孔月平均地溫隨深度變化曲線

圖9　T-1天然孔月均地溫隨深度變化曲線

從7號孔、8號孔、T-1天然孔月平均地溫隨深度的變化曲線來看：T-1天然孔天然上限在3～4 m，而房屋下的7號斜孔、8號斜孔的人為上限在1～2 m，顯然低架空基礎(chǔ)對于地溫孔0～4 m的地溫場有比較大的影響，可以有效地起到降低地溫的作用。

4.3房屋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性分析

高原多年凍土區(qū)的房屋基礎(chǔ)沉降與很多因素有關(guān)，如房屋的自重荷載、施工質(zhì)量、基底下活動層的巖性、含水情況、溫度、水分的相態(tài)等。低架空房屋基礎(chǔ)斷面變形曲線如圖10所示，每個(gè)變形控制點(diǎn)的位置均為房屋基礎(chǔ)上的某一固定點(diǎn)，共選取了4個(gè)測點(diǎn)。

圖10　低架空房屋基礎(chǔ)斷面變形曲線

從圖10中可知經(jīng)過1個(gè)凍融循環(huán)期后，各變形控制點(diǎn)的變化幅度不大，變形觀測點(diǎn)1與相鄰的觀測點(diǎn)2和4比較其相對最大變形量分別為3、3 mm；變形觀測點(diǎn)3與相鄰的觀測點(diǎn)2和4比較其相對最大變形量分別為2、4 mm，由此可知該基礎(chǔ)局部未發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

變形觀測點(diǎn)1、2、3、4相互比較可知相對最大變形量最大為5 mm，這說明低架空房屋基礎(chǔ)整體未發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

綜上所述可知，該房屋結(jié)構(gòu)經(jīng)過1個(gè)凍融循環(huán)期后，房屋未發(fā)生變形，局部和整體變形量完全符合房屋穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，該房屋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性很好。

5結(jié)論

(1)分析融化進(jìn)程曲線可知：低架空房屋基礎(chǔ)下各個(gè)孔2005年的人為上限均較2004年有所抬升、并有效消除了高溫夾層；對比兩個(gè)暖季，可以看出，2005年季節(jié)活動層的融化時(shí)間較2004年大為縮短；在經(jīng)過兩個(gè)凍融循環(huán)后，低架空房屋基礎(chǔ)對于其下多年凍土起到了有效保護(hù)多年凍土的作用。

(2)分析平均地溫可知：低架空房屋基礎(chǔ)下人為上限均比原天然上限抬升了1～2 m，并且在季節(jié)活動層中融化的時(shí)間大為縮短，月平均地溫隨深度變化曲線的趨勢相似。低架空基礎(chǔ)對于地溫孔0～4 m的地溫場有比較大的影響，能有效地起到降低地溫的作用。

(3)低架空房屋基礎(chǔ)經(jīng)過1個(gè)凍融循環(huán)期后，房屋基礎(chǔ)的穩(wěn)定性很好，這說明房屋的設(shè)計(jì)是合理可行的；房屋基礎(chǔ)的變形控制點(diǎn)大部分表現(xiàn)為沉降，沉降值較小，符合規(guī)范規(guī)定的房屋局部和整體沉降要求，基礎(chǔ)沉降隨時(shí)間變化的曲線呈收斂狀態(tài)。

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Monitoring and Analysis of Frozen Earth Temperature and Foundation Subsidence of Low Suspended Building Foundation of Qinghai-Tibet Railway

ZHANG Hua

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.. Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：According to the characteristics of permafrost of Qinghai-Tibet Railway， the low suspended building foundation is employed to prevent the ever-frozen ground from being interrupted manually for the security of its own structure. In order to justify the safety of the low suspended building foundation， the permafrost temperature and the foundation subsidence are monitored continuously. The monitoring data shows that the low suspended building foundation provides effective protection to the permafrost; the deformation of building foundation at most controlling points are settlement of small value， which meets the current specification requirements．

Key words：Qinghai-Tibet Railway; Permafrost; Low suspended building foundation; Permafrost temperature; Foundation subsidence; Monitoring

文章編號：1004-2954(2016)05-0125-04

收稿日期：2015-09-28； 修回日期：2015-10-15

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2003G044-A)

作者簡介：張樺(1959—)，男，工程師，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:tyyqqb@sina.com。

中圖分類號：TU433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.027