CN102877448B - 适用于多年冻土区的变形监测基准点装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于多年冻土区的变形监测基准点装置及其安装方法，该装置包括固接有基准杆底座的基准杆和桶形的套管，套管底部设有直径与基准杆直径相适配的内孔，基准杆直径小于套管内径。将基准杆放入钻孔内，回填粘土砂浆至一定深度，将套管套装在基准杆上，使套管的顶部位置低于基准杆的顶部位置，继续回填钻孔，并回填密实，将冻土区寒季不易冻结的润滑材料注入基准杆与套管之间，完成变形监测基准点装置的安装。本变形监测基准点装置在季节冻融过程中只有套管的位置可能变动，而作为不动点的基准杆不发生位置改变。有效规避了多年冻土区季节冻融作用对基准点的干扰，确保了变形监测的准确性。现场安装速度快、施工简便、可靠性高。

Description

适用于多年冻土区的变形监测基准点装置及其安装方法

技术领域

本发明属于多年冻土区监测技术领域，涉及一种适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，可广泛应用于多年冻土区工程领域中的变形监测；本发明还涉及一种该变形监测基准点装置的安装方法。

背景技术

全球陆地总面积约为14950万km²，而整个地球陆地面积的1/5是多年冻土，约3000万km²。我国多年冻土面积约为215万km²，占国土面积的22.3%，主要分布在东北高纬度地区的大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原。这些地区大多属于内陆偏远地区，经济欠发达，资源丰富，经济开发前景广阔。为了发展该地区的经济、民生，国家逐年加大对该区域的工程建设力度，但是由于多年冻土地基的特殊工程性能，给工程的建设和其后的养护维修带来极大的难题。

变形监测作为评价和预测工程可靠性的一种手段，被广泛应用在工程建设及其后的养护维修中，但是要有一个可靠的变形监测结果必须先有一个稳定可靠的基准点作为支撑。多年冻土区气候严寒，地基土主要由季节融化层和永冻层组成。季节融化层在季节周期循环过程中反复冻融，对埋设于地基土中的构筑物或杆件产生冻拔作用，轻者使其产生向上挪动，重则拔起。对基准点的稳定带来严重的威胁，这样就造成变形监测数据的不确定性，给工程变形监测工作带来较大的问题。而对于永冻层，则会由于全球气候变暖、人为活动及其他导致永冻层升温的因素而产生融化，导致工程构筑物或杆件下沉，这些都影响基准点的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，不受冻土区冻胀作用的影响，可靠性好，解决了多年冻土区由于季节冻胀作用而引起的基准点变形问题。

本发明的另一个目的是提供一种上述变形监测基准点装置的安装方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，包括基准杆和桶形的套管，基准杆非基准点的一端固接有基准杆底座，套管底部设有直径与基准杆直径相适配的通孔，使用时，将套管套装在基准杆上，基准杆与套管之间灌注冻土区寒季不易冻结的润滑材料。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种权利要求1所述适用于多年冻土区的变形监测基准点装置的安装方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：在预先选定的多年冻土地段钻孔并清空，形成安装孔；

步骤2：取变形监测基准点装置，该变形监测基准点装置包括基准杆和桶形的套管，基准杆非基准点的一端固接有基准杆底座，套管底部设有直径与基准杆直径相适配的内孔；

将基准杆底座放置在安装孔的底面上，保证基准杆的埋置深度至少为选定的多年冻土地段冻土上限深度的2倍，将搅拌好的粘土砂浆灌入安装孔充分回填，回填的粘土砂浆高度等于基准杆长度减去套管长度再减去5～20cm后的差值；

步骤3：将套管套装在基准杆上，使套管底部朝下，套管顶部位置低于基准杆顶部位置，然后继续填充安装孔，将套管与安装孔之间的空隙回填密实； 

步骤4：将冻土区寒季不易冻结的润滑材料注入基准杆与套管之间，完成变形监测基准点装置的安装。

本发明变形监测基准点装置具有如下优点：

1）采用的材料及构件均为标准型号，易于标准化生产加工；

2）装卸运输方便，组件安装简单实用；

3）施工工艺简单易操作；

4）基准杆加底座置于多年冻土钻孔中，并灌入粘土浆，通过低温条件可以将基准桩冻结固定在多年冻土中，增加基准杆的抗冻拔性；

5）在季节融化层中，基准杆外侧有一套管，基准杆和套管之间填充凡士林或者其他润滑材料，这样在季节冻结融化过程中只有套管可能发生位移，而作为不动点的基准杆则不发生位移，进而保证了基准点的稳定。

附图说明

图1是本发明变形监测基准点装置的结构示意图。

图2是本发明变形监测基准点装置的安装流程示意图。

图3是本发明变形监测基准点装置的安装状态图。

图中：1.基准杆，2.套管，3.腔室，4.基准杆底座，5.套管座，6.安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

变形监测作为评价和预测工程可靠性的一种手段，广泛应用于工程建设及其后的养护维修中，可靠的变形监测结果必须先有一个稳定可靠的基准点作为支撑。多年冻土区气候严寒，季节融化层在季节周期循环过程中反复冻融，对埋设于地基土中的构筑物或杆件产生冻拔作用，使其产生向上挪动或拔起。而对于永冻层，在多种因素的影响下产生融化，导致工程构筑物或杆件下沉，这些都影响基准点的可靠性。为了解决多年冻土区变形监测基准点不可靠的问题，本发明提供了一种结构如图1所示的适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，包括基准杆1和桶形的套管2；基准杆1的一端为尖端，该尖端的顶点即为基准点，基准杆1的另一端固接有基准杆底座4，基准杆底座4的底面与基准杆1的端面相平齐，基准杆底座4还通过加强筋与基准杆固接；套管2底部为套管座5，套管座5上设有直径与基准杆1直径相适配的通孔，基准杆1的直径小于套管2的内径。使用时，将套管2套装在基准杆1上，使套管座5朝向基准杆1固接有基准杆底座4的一端，套管2与基准杆1之间形成腔室3，在腔室3内灌注冻土区寒季不易冻结的润滑材料，优选凡士林。

基准杆1、基准杆底座4及套管2均采用钢或者其他抗冻抗变形防开裂性能较好的材料制成。基准杆1由多根空心或实心表面光滑杆件依次连接而成，相邻的杆件通过管箍相连接。

为了将上述变形监测基准点装置稳固地安装在监测地点，本发明还提供了一种该变形监测基准点装置的安装方法，其安装流程如图2所示，具体按以下步骤进行：

步骤1：在预先选定的多年冻土地段钻孔，并清空，得到安装孔6，如图3所示；

步骤2：取变形监测基准点装置，将基准杆1放入安装孔6内，使基准杆底座4放置于安装孔6底面上，基准杆1的埋置深度至少为选定的多年冻土地段冻土上限深度的2倍，保持基准杆1直立，将搅拌好的粘土砂浆灌入安装孔6充分回填；灌入安装孔6的粘土砂浆的高度等于基准杆1的长度减去套管2的长度再减去5～20cm后的差值；

充分回填粘土砂浆，使粘土砂浆和周围土体完全冻结，可以增加基准杆1的抗拔强度。

因为冻土区在冻融过程中，有可能上拔套管2。套管2上拔一定量之后极有可能因为套管2的存在影响到基准杆1的使用。安装时，若基准杆1顶端的基准点与套管2顶面之间的距离小于5cm，在冻融作用下套管2稍加拔起就会影响基准桩的正常使用；若基准杆1顶端的基准点与套管2顶面之间的距离超过20cm，在冻融作用下也将影响基准桩的施工和使用。因此，本发明变形监测基准点装置安装过程中基准杆1顶部基准点要高出套管2顶面5~20cm。

步骤3：将套管2套装在基准杆1上，使套管座5朝下，套管2顶部位置低于基准杆1顶部位置，然后用粗沙或碎石继续填充安装孔6，将套管2外侧与安装孔6之间的空隙回填密实；

套管座5能增加套管2的抗拔强度。在套管2外侧和安装孔6孔壁之间填充粗沙或碎石，是为了减小切向冻胀力。

步骤4：将冻土区寒季不易冻结的润滑材料灌入基准杆1与套管2之间的腔室3，完成变形监测基准点装置的安装。

使用冻土区寒季不易冻结的润滑材料，不仅能防止水进入基准杆1和套管2之间的腔室3，避免基准杆1和套管2相互冻结，而且在套管2有上拔现象时，也影响不到基准杆1，保证了基准杆1的稳定性。

安装过程中需严格控制安装孔6的孔径、孔深及填土厚度，避免形成套管2顶部高于基准杆1顶部的现象。

在寒区，影响基准点稳定的因素主要有两个，一个是多年冻土的融沉，一个就是季节冻融产生的冻胀和融沉。本变形监测基准点装置使用时，将基准杆1置入深层多年冻土中，利用地基多年冻土的低温条件将基准杆1冻结稳定，可以有效避免发生沉降变形；在基准杆1位于季节融化层位置处的部分设置套管2，并加入防冻润滑剂，这样在季节冻融过程中可以保证地基土产生的冻胀主要作用在套管2上，而套管2与基准杆1之间灌注的润滑剂不会将作用在套管2上的的冻胀施加于基准杆1上，从而避免了季节冻融对基准杆1的冻胀。因此，该装置可有效规避寒区条件对变形基准点准确性的干扰，保证基准点的稳定，最终确保变形监测的可靠。

本变形监测基准点装置在季节冻融过程中只有套管2的位置可能变动，而作为不动点的基准杆1不发生位置改变，采用防冻拔措施来消除多年冻土区冻胀对基准点的干扰，确保基准点成为稳定的“不动点”。有效规避了多年冻土区季节冻融作用对基准点的干扰，确保了变形监测的准确性。现场安装速度快、施工简便、可靠性高。

在青藏铁路建设期间，本申请的申请人在试验路段采用本发明变形监测基准点装置作为工程建设及其后养护维修的基准点，水准基点的埋设过程经现场调查完全附合施工技术要求，经过至少一个冻融循环后，对试验路段的桥墩基准点和所埋设的水准基点进行复测。假设埋设的水准基点依次为3^＃、3.5^＃、4^＃、4.5^＃和5^＃水准基点，3^＃水准基点距4^＃水准基点的直线距离达1.5km，高差2～5m；4^＃水准基点距5^＃水准基点的直线距离达1km左右，高差也在2～5m。

1）复测结果

复测队用高精度的DL－101C型TOPCON电子读数水准仪对试验段的水准基点及路基变形点进行了联测。第一日由桥墩基准点到3^＃基准点进行往返测试，第二日和第三日由桥墩基准点经4^＃基准点→4.5^＃基准点→5^#基准点进行往返联测，采用两台水准仪、两把测尺，进行了不同水准仪、不同测尺、不同测试人员的对比，第四日由桥墩基准点到倾填片石试验路基沉降点进行抽查，并对测试人员的技术水平、测试制度等进行了检查。表1是水准基点的原联测及复测结果。其闭合差按照《建筑变形测量规程》（JGJ/T8-97）二级变形测量（往返较差及附和或环线闭合差                                                ）进行控制，联测均满足闭合差要求。

表1   水准基准桩往返联测高差平均值（单位：mm）

2）变形数据误差分析

测量工作中由于仪器、人、环境等各种因素的影响，使成果中都带有误差。为了保证测量成果的精度，需要分析研究产生误差的原因，并采取措施消除或减小误差的影响。

3）系统误差

水准测量中系统误差的主要来源如下：仪器误差、观测误差、外界环境的影响。

（1）仪器误差仪器

误差主要是由水准仪视准轴不水平、调焦及水准尺的误差引起。

试验段路基变形观测经常采用的是DSZ2自动安平水准仪（苏州第一光学仪器厂），其主要技术参数：每公里往返测量高差标准偏差小于±1.0mm,仪器工作温度-30℃～+50℃，水准尺采用木塔尺。复测时采用了精度极高的DL－101C型TOPCON电子读数水准仪，其主要技术参数：每公里往返中误差为±1.0mm, 仪器工作温度-20℃～+50℃，水准尺采用玻璃纤维尺。

复测中采用了不同仪器、不同水准尺、不同操作人员分别进行了观测，当采用TOPCON电子读数水准仪时，其电子读数和人工读数可相差0～3mm（不同尺子）。当采用DSZ2自动安平水准仪测量，不同尺子、同观测人员其误差也可达到0～3mm。水准尺的主要误差是每米真长的误差，它具有积累的性质，高差越大，误差越大。

（2）观测误差

观测误差主要是由水准仪的气泡居中、估读水准尺引起的误差。该类型误差与出厂时的技术参数及仪器的工作状态有关，根据测尺的分划线一般在±1.0mm左右。

（3）外界环境影响

对于高海拔地区地球曲率、大气折光也能构成相当大的误差，目前还未有研究。高原时风、时雨、时雷电，空气稀薄严寒的独特高原气候为测量工作带来了较大的麻烦，几乎很难找到无风的天气进行观测，这样均会对测试结果真实性产生一定的影响。由于高原独特的自然区域特征，在水准测量中容易形成较大的系统误差。测试人员采取措施尽可能减少系统误差的影响。

4）人为误差

由于人为误差主要是由于估读水准尺引起的，这可通过计算每次测量的闭合差予以控制。对于闭合差不附合要求的测试成果均进行了复测。

5）误差分析

从表1可以看出，水准基点联测每次均存在着误差，误差分布基本呈正态分布规律，最大值与最小值之间0～11mm，与其算术平均值（最接近真值）误差均在7mm以内，在测距达几公里时，该误差是允许的。

以5^＃～4^＃基准桩的高差计算其观测中误差

观测中误差反映了观测的精度。其余组的观测中误差均比5^＃～4^＃基准桩的观测中误差小。若5^＃～4^＃基准桩之间的路线长度按1km考虑，其每公里单程高差中误差为±3.5mm。

通过复测得到水准基点变形数据评估结论：

1）变形测量成果符合水准测量规范，是值得信赖的。

2）水准基点设计与埋设是合理的，水准基点未产生位移，以试验段3^＃、4^＃、5^＃水准基点作为试验段变形的参照点是可行的。

由此可见，以本发明变形监测基准点装置作为水准基点是合理的，在多次冻融循环中未产生变形，以该多年冻土区水准基点作为变形参照点是可行的。

Claims (6)

1.一种适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，其特征是：包括基准杆（1）和桶形的套管（2），基准杆（1）非基准点的一端固接有基准杆底座（4），套管（2）底部设有直径与基准杆（1）直径相适配的通孔，使用时，将套管（2）套装在基准杆（1）上，基准杆（1）与套管（2）之间灌注冻土区寒季不易冻结的润滑材料。

2.根据权利要求1所述的适用于多年冻土区的变形监测基准点装置，其特征是：所述的基准杆（1）采用抗冻抗变形防开裂性能较好的材料制成。

3.一种权利要求1所述适用于多年冻土区的变形监测基准点装置的安装方法，其特征是：具体按以下步骤进行：

步骤1：在预先选定的多年冻土地段钻孔并清空，形成安装孔（6）；

步骤2：取变形监测基准点装置，该变形监测基准点装置包括基准杆（1）和桶形的套管（2），基准杆（1）非基准点的一端固接有基准杆底座（4），套管（2）底部设有直径与基准杆（1）直径相适配的内孔；

将基准杆底座（4）放置在安装孔（6）的底面上，保证基准杆（1）的埋置深度至少为选定的多年冻土地段冻土上限深度的2倍，将搅拌好的粘土砂浆灌入安装孔（6）充分回填，回填的粘土砂浆的高度等于基准杆（1）长度减去套管（2）长度再减去5～20cm后的差值；

步骤3：将套管（2）套装在基准杆（1）上，使套管（2）底部朝下，套管（2）顶部位置低于基准杆（1）顶部位置，然后继续填充安装孔（6），将套管（2）与安装孔（6）之间的空隙回填密实； 

步骤4：将冻土区寒季不易冻结的润滑材料注入基准杆（1）与套管（2）之间，完成变形监测基准点装置的安装。

4.根据权利要求3所述的适用于多年冻土区的变形监测基准点装置的安装方法，其特征是：所述步骤2中回填钻孔时，保持基准杆（1）直立。

5.根据权利要求3所述的适用于多年冻土区的变形监测基准点装置的安装方法，其特征是：所述步骤3中用洁净的粗沙或碎石继续填充安装孔（6）与套管（2）之间的空隙。

6.根据权利要求3所述的适用于多年冻土区的变形监测基准点装置的安装方法，其特征是：所述步骤4中的润滑材料采用凡士林。