张　桦

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



青藏铁路低架空房屋基础冻土地温及基础沉降监测及分析

张桦

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：针对青藏铁路高寒多年冻土的特性，为了确保多年冻土不被人为破坏及结构自身安全，青藏铁路不冻泉站区办公生产综合楼采用低架空基础。为了得到低架空房屋基础的安全性及其对多年冻土的影响，对基础冻土地温及基础沉降进行连续监测。监测数据表明：低架空房屋基础对于其下多年冻土起到有效的保护作用，房屋基础的变形控制点大部分表现为沉降，但沉降值较小，均满足现行规范要求。

关键词：青藏铁路；多年冻土；低架空房屋基础；冻土地温；基础沉降；监测

青藏铁路作为西部大开发的标志性工程，工程的稳定性及工程活动对多年冻土环境的影响受到了广泛的关注[1-3]。对于如何在青藏铁路的房屋建设中保证房屋的安全及尽可能地减少人为活动对多年冻土环境的影响显得非常重要。

多年冻土区的建筑物常常由于冻土地基的冻胀和融沉使房屋产生变形和破坏。建造在不同类型多年冻土带上的房屋，受冻土类型、房屋结构体系及基础形式的影响，其建筑沉降变形、墙体开裂破坏的形态也有所不同。多年冻土区房屋工程设计的中心问题是如何处理好多年冻土上的地基和基础问题。也就是说如何设计一种合适的房屋基础来维持多年冻土地基的稳定。即房屋基础在施工和运营中对多年冻土地基的热状况应干扰最小，且能维持地基多年冻土的温度在设计温度。

根据国内外冻土地区基础设计经验及青藏铁路冻土地区的特点，青藏铁路沿线生产房屋采用的基础形式有：架空通风基础、低填通风管基础和高填通风管基础、热桩基础等[4-5]。

目前，相关单位及部位针对青藏铁路多年冻土区的路基沉降进行了多年连续的监测和研究[6-8]，但对多年冻土区的房屋基础的一手监测资料却相对缺乏。为了获得低架空房屋基础对多年冻土上限、下伏多年冻土的影响，对不冻泉站区内办公生产综合楼低架空基础进行了冻土地温变化及变形监测，为多年冻土区房屋基础提供充分的设计和科研依据。

1国内外研究现状

1.1国外冻土区房屋基础现状[9-10]

在美国的阿拉斯加北极地区，房屋基础多采用架空基础，高度一般在2.5～3.5 m；在俄罗斯多年冻土区，房屋基础多采用桩基-顶框架架空通风基础；在蒙古，多年冻土面积约占国土面积的15%，冻土区房屋建筑物采用的主要技术是架空通风基础，以使空气在基础中循环来养护多年冻土。即使采用了以上措施但房屋和建筑物的损坏还是很多的，其原因是地基多年冻土的温度发生了变化导致基础产生变形。

1.2国内冻土区房屋基础现状

在我国东北多年冻土区和青藏高原多年冻土区大多数的房屋采用了架空通风基础形式，架空高度一般在1.0 m以下，生活用房屋的架空高度多为0.30～0.70 m，工业用房架空高度为1.0～1.5 m。

中铁西北科学研究院于1976年在青藏高原多年冻土区的风火山进行了4种形式的房屋基础试验，取得了成功的经验。这4种形式房屋基础是：(1)平铺式钢筋混凝土圈梁基础；(2)低填通风管冷基础；(3)桩基架空通风冷基础；(4)平铺式钢筋混凝土圈梁架空通风基础。

4种房屋基础经试验监测得出如下结论：桩基架空通风基础可适用于任何条件冻土地基和任何种类房屋；低填通风管基础可适用于任何条件冻土地基和热源不大的房屋；平铺式钢筋混凝土圈梁基础和平铺式钢筋混凝土圈梁架空通风基础仅适用于冻土工程地质条件较好(少冰、多冰冻土和基岩埋藏较浅的地段)和热源不大的房屋。

1.3《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ118—2011)对多年冻土区房屋基础的有关规定[11]

《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ118—2011)中规定：架空通风基础(通风地下室)与填土通风管基础，实质上既不是基础，也不是地基，而是为保持地基土处于冻结状态所采取的有效措施，由于它和基础的关系又非常密切，因此称其为基础。

架空通风基础是多年冻土地区采暖房屋保持地基土冻结状态设计的基本措施。它可以利用冬季自然通风完成保持地基土冻结状态，特别是对热源较大的房屋，如锅炉房、浴室等，同时也适用于各种地貌、地质条件下的冻土地基。我国青藏地区和东北大兴安岭阿木尔、满归地区均采用这种措施，使用效果良好。

架空通风基础主要由桩基、柱下单独基础或墩式基础与上部结构梁板组成。其他基础如墙下条基、柱下条基，由于在施工阶段对土热扰动较大，在使用阶段传递热量较多，不利于地基保持冻结状态。

但对于受地形、线路等原因影响所形成的低架空房屋基础对多年冻土上限、下伏多年冻土的影响，目前国内尚缺少相应资料。因此，对不冻泉站区内办公生产综合楼低架空基础进行的冻土地温变化及变形监测具有重要的科研价值，为多年冻土区房屋基础提供充分的设计和科研依据。

2工程概况及自然条件

2.1工程概况

青藏铁路不冻泉站区办公生产综合楼采用低架空基础，基础底板长30.3 m，宽6.9 m，其基础的架空高度均为0.4 m，如图1所示。

图1　不冻泉办公生产综合楼外景

2.2气候特征

不冻泉站区属于青藏高原内陆干旱气候区，气候干燥，气温、气压低，太阳辐射比同纬度其他地区强，高原近地层大气中存在着明显的温度递减率，伴随着强对流活动，使地面感热向中、高层输送，为多年冻土的生存提供了条件。冻结期为九月至次年四月，急风、暴雪、雷电等变化剧烈无常。由于不冻泉工点附近无气象资料，故以距不冻泉工点20 km左右的清水河地区气象资料为参考，其气温随时间变化曲线如图2所示。

图2　清水河气温随时间变化曲线

2.3多年冻土特征

青藏铁路不冻泉站区办公生产综合楼位于昆仑山山前平原上，斜坡地形，地形较平缓，略有起伏，其间冲沟较发育，地下水赋存条件较差，该段为基岩出露地区，局部地段有少量的多冰、少冰冻土。

2.4地层岩性

依据2004年的钻孔资料，该段主要出露地层为第四纪全新统冲、洪积细砂、碎石土以及风积粉、细砂，第四系松散层一般为0.2～0.5 m；第四纪以下主要为第三系灰岩、砂岩和页岩等。典型地质剖面如图3所示。

图3　不冻泉办公生产综合楼地质断面(单位：mm)

3研究方法

3.1地温监测

根据不冻泉地区地质地层情况，因钻孔过程中岩芯无含冰量，故无法通过含冰量来确定其多年冻土的上限，只有通过测温来确定其多年冻土的上限，从而根据测温数据来分析其变化情况。

在房屋周围设置测温孔，测温元件的竖向布置可采用从天然地面至15.5 m深度的范围内，测温元件间距0.5 m，另在20 cm处加密一点。测温元件采用热敏电阻。

低架空房屋(办公生产综合楼)基础地温观测：在架空站坪下布设测温孔3个，孔深15 m，进行地温观测。其孔号为：T-1天然孔，7号、8号斜孔(由于已完成底板铺架，钻孔不能按原设计竖直孔进行钻进，改为在房屋一侧进行斜孔钻进，倾斜度为12°)。在基础施工完毕后10 d内，每天观测一次，以后按照每年4、9月每5 d观测1次，其余时间按每10 d观测1次的要求进行1个冻融循环的观测。

3.2变形监测

房屋基础的变形监测通过在房屋周边设置沉降监测点，用水准测量的方法定期进行监测，监测频率为每月1次。

4监测结果及数据分析

4.1地温年变化分析

为了准确描述低架空房屋基础下地温孔(7号孔、8号孔)的地温变化情况，在房屋周围建立天然孔(T-1号孔)与基础下各孔进行对比分析。地温孔监测的数据如图4～图6所示。

图4　7号孔融化进程曲线分析

图5　8号孔融化进程曲线分析

图6　T-1号天然孔融化进程曲线分析

从图4～图6中数据可见。

(1)2005年天然孔T-1号的人为上限达4 m，较2004年略有抬升；房屋下的地温监测孔(7号孔)2004～2005年的人为上限均在2 m以内，而8号孔2004年的人为上限超过2 m，并有高温夹层，2005年的人为上限有明显的减小；同时可以看出，在经过2个冻融循环后，各个孔2005年的人为上限均较2004年有所抬升、并有效消除了高温夹层。

(2)对比两个寒季，天然孔T-1号在2004年天然上限深度以下存在一个较低地温(-2～-1 ℃)区，而在2005年该低温区消失；房屋下的地温监测孔(7号孔、8号孔)在2004年天然上限深度以下存在一个较高地温(-1～0 ℃)区，而在2005年该区温度形成一个较低地温(-2～-1 ℃)区，8号孔较7号孔地温区延伸时间长、范围广。

(3)对比两个暖季，可以看出各个孔在2005年季节活动层的融化时间较2004年大为缩短。

综上所述可知，在经过2个冻融循环后，低架空基础对于其下多年冻土起到了增加冷储量的作用，有效保护了多年冻土。

4.2平均地温分析

为了说明架空半封闭房屋基础下地温孔(7号孔、8号孔)的地温变化情况，在房屋周围建立天然孔(T-1)与基础下各孔进行对比分析。平均地温监测的数据如图7～图9所示。

图7　7号孔月均地温随深度变化曲线

图8　8号孔月平均地温随深度变化曲线

图9　T-1天然孔月均地温随深度变化曲线

从7号孔、8号孔、T-1天然孔月平均地温随深度的变化曲线来看：T-1天然孔天然上限在3～4 m，而房屋下的7号斜孔、8号斜孔的人为上限在1～2 m，显然低架空基础对于地温孔0～4 m的地温场有比较大的影响，可以有效地起到降低地温的作用。

4.3房屋基础的稳定性分析

高原多年冻土区的房屋基础沉降与很多因素有关，如房屋的自重荷载、施工质量、基底下活动层的岩性、含水情况、温度、水分的相态等。低架空房屋基础断面变形曲线如图10所示，每个变形控制点的位置均为房屋基础上的某一固定点，共选取了4个测点。

图10　低架空房屋基础断面变形曲线

从图10中可知经过1个冻融循环期后，各变形控制点的变化幅度不大，变形观测点1与相邻的观测点2和4比较其相对最大变形量分别为3、3 mm；变形观测点3与相邻的观测点2和4比较其相对最大变形量分别为2、4 mm，由此可知该基础局部未发生变形，结构稳定。

变形观测点1、2、3、4相互比较可知相对最大变形量最大为5 mm，这说明低架空房屋基础整体未发生变形，结构稳定。

综上所述可知，该房屋结构经过1个冻融循环期后，房屋未发生变形，局部和整体变形量完全符合房屋稳定标准，该房屋基础的稳定性很好。

5结论

(1)分析融化进程曲线可知：低架空房屋基础下各个孔2005年的人为上限均较2004年有所抬升、并有效消除了高温夹层；对比两个暖季，可以看出，2005年季节活动层的融化时间较2004年大为缩短；在经过两个冻融循环后，低架空房屋基础对于其下多年冻土起到了有效保护多年冻土的作用。

(2)分析平均地温可知：低架空房屋基础下人为上限均比原天然上限抬升了1～2 m，并且在季节活动层中融化的时间大为缩短，月平均地温随深度变化曲线的趋势相似。低架空基础对于地温孔0～4 m的地温场有比较大的影响，能有效地起到降低地温的作用。

(3)低架空房屋基础经过1个冻融循环期后，房屋基础的稳定性很好，这说明房屋的设计是合理可行的；房屋基础的变形控制点大部分表现为沉降，沉降值较小，符合规范规定的房屋局部和整体沉降要求，基础沉降随时间变化的曲线呈收敛状态。

参考文献：

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[2]李忠，唐义彬.青藏高原清水河多年冻土区铁路路基沉降变形特征研究[J].铁道标准设计，2005(10):17-20.

[3]董昶宏，赵相卿.青藏铁路多年冻土区路基变形特征及影响因素分析[J].铁道标准设计，2013(6):5-8.

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[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 118—2011冻土地区建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

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

文章编号：1004-2954(2016)05-0125-04

收稿日期：2015-09-28； 修回日期：2015-10-15

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2003G044-A)

作者简介：张桦(1959—)，男，工程师，2014年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail:tyyqqb@sina.com。

中图分类号：TU433

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.027