地温测试分析报告分项报告.docx
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地温测试分析报告分项报告
地温测试分析报告
1地温测试目的
多年冻土区路堑开挖不可避免要破坏天然冻土的热平衡状态,引起边坡和基底所暴露的冻土升温甚至融化,可能导致边坡滑坍、基底沉陷等病害。
为此,多年冻土区路堑设计及施工中,采取了一系列的技术措施保证路堑的稳定。
尤其是高含冰量冻土路堑,设计时采取以热力相似原理为基础的换填保温方案,即对路堑边坡和基底进行挖除换填,并在基底铺设保温板,将季节最大融化深度控制在换填保温厚度以内,防止冻土而导致路堑病害。
施工中选择适宜的施工季节并合理安排各工序施工时间,尽量减少冻土开挖暴露时间,并对暴露冻土进行临时保温防护,尽可能减少施工带入的热量。
然而,这些设计措施只是经过理论计算或个别试验,均未经过详细的测试分析,施工中所采取的技术措施更是只能定性分析,无法定量计算。
路堑采取这些技术措施后能取得什么样的实际效果,没有现成的经验,更缺乏可靠的数据。
为了及时了解路堑施工期间冻土地温的变化情况,详细分析基底、边坡换填及基底铺设保温板等技术措施的实际效果,准确掌握路堑基底及边坡冻土稳定情况,为多年冻土区路堑设计及施工积累可靠的数据,必须开展地温观测工作。
2测试方法选择
测量温度的方法很多,但其基本原理都是应用物体的几何尺寸、密度、粘度、弹性、硬度、导电率、导热率、热容量、热电势、辐射强度等等与物体温度有关的量,当温度变化时,这些参数中的一个或几个随之发生变化,测出了这些物理参数的变化就可以间接地知道被测物体的温度。
实际上我们总是希望被选择的物理参数只与温度有关,而不要与其它因素有关,而且还希望被选择的物理参数和温度有简单的函数关系,变化是连续的、稳定的。
应用最广泛的温度计是水银玻璃管温度计,但用它测量深孔地温时,每次读数时需要将温度计从深孔中取出,这不仅比较麻烦,而且温度计在提升过程中温度会受到影响,所以,多年冻土地温观测不能选用水银玻璃管温度计。
青藏铁路建设中,多年冻土地温观测主要采用热敏电阻温度计和热电偶温度计。
其中,采用热电偶温度计测量冻土地温操作较为繁琐,须用零温瓶温度作为基准温度,零温瓶制作时不能达到绝对的0℃,只能近似为0℃,且各次制作的零温瓶温度也不能绝对保持一致,所以观测数据漂移较大,影响测量精度(精度仅为0.1℃)。
而用热敏电阻温度计测量冻土地温,操作方便、受外界条件影响小、读数平稳无漂移,而且精度高(精度约为0.02℃),能较好反映冻土地温的细微变化,观测数据可靠。
所以,我们选用热敏电阻温度计进行地温测试。
3热敏电阻温度计
3.1测温原理
热敏电阻温度计是利用物体导电率随温度变化的规律来测量温度,当温度发生微小的变化时,热敏电阻的阻值会发生明显的变化,只要测出热敏电阻的阻值,就可根据函数关系计算出对应的温度。
采用热敏电阻温度计进行多年冻土地温观测时,将热敏电阻埋入设计的测点位置,把导线引出地表,测出线路的阻值后,可根据标定函数计算出对应测点的温度。
3.2加工
每组热敏电阻温度计加工时,利用一根通长导线作公共回路,直接引至测量端头。
将热敏电阻的一端焊接于测点对应的公共导线位置,另一端用导线引至测量端头,根据测点编号接入相应的端头接线柱,最后将导线全部装入保护套管。
其结构示意图如下图所示。
图1测温元件结构示意图
3.3标定
热敏电阻温度计每个测点分别进行标定,标定前先测出各测点导线电阻。
标定时,将测点处热敏电阻与标准温度计绑在一起,放入装有NaCl溶液(负温)或水(正温)的保温瓶中,变换NaCl溶液或水的温度为-30℃、-10℃、0℃、10℃、30℃五个值时,用高精度数字万用表测出线路的阻值,通过解方程组求得函数关系的各项系数(即A、B、XA、YB、ZC)。
从而得出一个以线路电阻值(即读数)为自变量,以测点温度为因变量的函数关系式,如式
(1)所示。
(1)
(式中,T为测点温度,单位:
℃)
因为导线电阻及系数A、B、XA、YB、ZC均已标定出,只要读数为已知,便可根据式
(1)求出测点温度T。
4观测工点选择及测点布置
4.1观测工点选择
五标段路堑工点较多,工程量大,其中高含冰量冻土路堑开挖约32万m3,换填约22万m3。
高含冰量冻土路堑最佳施工季节是寒末暖初(3~5月),但由于工期紧迫,个别高含冰量冻土路堑不得不在暖季施工,昆仑山口路堑就是在暖季施工。
昆仑山口路堑工点里程为DK984+183~DK984+660,全长477m。
线路以低填深挖形式通过两山包左侧,地势左低右高,地面横坡约为1:
10,路肩标高为海拔4765~4768m。
其中,DK984+202~DK984+442和DK984+500~DK984+647两段系路堑开挖,其余为低路堤基底换填开挖。
路堑开挖底宽16.38~16.88m,边坡坡率1:
1.75,最大挖深13.17m,工点冻土开挖总量90000m3。
本段地表植被稀疏,植被覆盖率10%,线路两侧为荒地。
工点范围内地层主要为:
粉土:
厚度大于20m,上限1.4~1.7m,季节融化层融后硬塑,Ⅱ级普通土,σ0=100kPa,Ⅱ级弱冻胀。
以富冰冻土为主,Ⅳ级软石,σ0=320kPa,Ⅲ级融沉。
局部为饱冰冻土,Ⅳ级软石,σ0=250kPa,Ⅳ级强融沉。
含土冰层,Ⅳ级软石,Ⅴ级融陷。
多冰冻土,Ⅳ级软石,σ0=400kPa,Ⅱ级弱融沉。
砾砂:
厚度0~1.0m,融后稍湿~潮湿,Ⅰ级松土,σ0=300kPa,Ⅰ级不冻胀。
本工点多年冻土年平均地温TCP<-2.0℃ ,属低温稳定冻土区,按照保护多年冻土的原则设计,对堑顶采用包角形式进行保温处理;基底和边坡需挖除换填,并设置工业保温材料保温层和复合土工膜隔水层;堑内两侧设预制混凝土U型侧沟。
根据青藏铁路格拉段全线施工组织设计要求,本工点须于2002年年底前达到铺轨条件。
由于施工设计图到位时间较晚,错过了2002年寒末暖初(3~5月)的最佳施工季节。
如安排在暖末寒初(9~11月)施工,则由于工程量较集中、施工工序繁锁,加之换填取土和压实困难,且施工条件恶劣,恐工期难保,因此,不得已只有在暖季施工。
本段路堑工程数量大,施工过程中冻土暴露时间相对较长,由于在暖季施工,太阳辐射强,环境温度较高,施工期间热量侵入较多,而且属高含冰量冻土地段,冻土融化后极易导致边坡滑坍、基底沉陷等病害,是五标段内施工条件对冻土保护最为不利路堑工点。
因此,我们选择昆仑山口路堑作为地温观测工点,如观测表明该段路堑施工后地基冻土稳定,则说明该段高含冰量冻土路堑设计及施工中所采取的技术措施是合理有效的,而且在暖季施工也能保证路堑工程质量。
而本标段内其它高含冰量路堑工点,施工条件对冻土保护更为有利,且采取了与昆仑山口路堑同样的设计措施,可以推断,只要其它几段高含冰量冻土路堑在施工中采取相同的技术措施,均能保证高含冰量冻土路堑施工质量。
4.2测点布置
观测工点选定后,根据工点内地形地质条件、具体施工安排及各位置冻土暴露时间等条件的不同选择基底、边坡及保温板上下地温观测的断面,并进行各组的测点布置。
4.2.1基底测点布置
为观测路堑施工后基底冻土的地温变化情况,选择基底中心位置埋设测温元件,初步推测路堑施工后基底冻土的影响范围,确定观测深度为基底面(即基底冻土与换填层界面)以下3m。
每组测温元件布置10个测点,各测点间距为50cm,其中3个测点位于换填层中,其余7个测点位置基底面至基底面以下3m处。
昆仑山口路堑共选择了DK984+220、DK984+230、DK984+405、DK984+410等四个断面基底中心布置基底测温元件,具体测点布置如图2~图5所示,图中I1-13、K1-13、E1-14、e1-14等均为元件编号。
图2DK984+220基底测温元件布置示意图(单位:
m)
图3DK984+230基底测温元件布置示意图(单位:
m)
图4DK984+405基底测温元件布置示意图(单位:
m)
图5DK984+410基底测温元件布置示意图(单位:
m)
4.2.2边坡测点布置
为观测路堑施工后边坡冻土的地温变化情况,选择开挖边坡中心位置埋设测温元件,埋设方向垂直于边坡面,观测深度仍为边坡面(即边坡冻土与换填层界面)以下3m。
每组测温元件布置10个测点,各测点间距为50cm,其中3个测点位于换填层中,其余7个测点位置边坡面至边坡面以下3m处。
昆仑山口路堑共选择了DK984+275左侧边坡及、DK984+400右侧边坡中心布置边坡测温元件,具体测点布置如图6~图7所示,图中H1-13、a1-20等均为元件编号。
图6DK984+275左侧边坡测温元件布置示意图(单位:
m)
图7DK984+400右侧边坡测温元件布置示意图(单位:
m)
4.2.3保温板测点布置
为观测路堑施工后保温上下两侧的地温变化情况,在路堑同一里程保温板上下两侧分别埋设测温元件,埋设方向平行于保温板并垂直于线路中线。
每侧测温元件布置3个测点,各测点间距为4.15m。
昆仑山口路堑共选择了DK984+230及DK984+400两个断面布置保温板上下测点,具体测点布置如图8~图9所示,图中4F1-3、2F1-3、3f1-3、1f1-3等均为元件编号。
图8DK984+230保温板上下测温元件布置示意图(单位:
m)
图9DK984+400保温板上下测温元件布置示意图(单位:
m)
4.2.4原始地温测点布置
为了解工点附近未受路堑施工影响的冻土原始地温变化规律,掌握工点处冻土地温有关参数,同时便于将受扰动的冻土地温与未受扰动的冻土地温进行对比分析,在路堑包角外10m处埋设测温元件进行原始地温观测。
昆仑山口路堑共选择了DK984+215、DK984+420两个断面进行原始地温观测,其中DK984+215断面测温元件埋设在路堑右侧,DK984+420断面测温元件埋设在路堑左侧,测点布置方向与地面垂直,共布置20个测点,其中地面至地面以下5m按每50cm一个测点布置,而地面以下5m至15m按每1m一个测点布置,最大观测深度为地面以下15m。
5观测元件埋设及保护
5.1元件埋设
(1)伸入冻土的测温元件需在路堑施工过程中钻孔埋设,我们采用路堑钻爆开挖所用的WTZ-100M/S型沙驮钻机配直径为80mm的钻头钻测温孔,不但效率非常高,而且成孔质量好。
(2)原始地温测温元件在路堑开工前钻孔埋设;边坡中部测温元件在路堑第一次开挖后(基底预留2m保护层)钻孔埋设;路堑基底测温元件待2m保护层开挖后基底换填前迅速钻孔埋设;保温板下侧测温元件在基底换填至保温板位置而保温板未铺设前埋设,保温板上侧测温元件在保温板铺设后埋高。
(3)钻孔深度一般比元件埋设深度大50cm,以免坍孔回填导致元件无法埋至设计深度。
元件埋设前,先在元件下端绑上一定重量的钢筋头,同时将元件埋设后露出地面的零点位置作上醒目标识。
钻孔完成后,慢慢将测温元件放入孔内,在孔口处复核元件零点位置,利用钢筋头的重量将元件拉直,保证各测点安装到设计位置。
(4)元件到位后,向孔内回填细砂及低温水(最好接近0℃的水),既要确保测点周围密实,又要减少埋设元件对冻土的热扰动,以便测点地温尽快回落到未钻孔前的原始状态。
5.2元件保护
(1)基底及边坡测温元件穿过换填层时穿入钢筋保护,以免施工损坏元件,钢管外端用绵纱塞紧并防水胶布封口,防止进水和空气对流影响管内温度。
保护基底测温元件的钢管埋入基底面以下50cm,露出路基表面30cm,垂直穿过基底换填层;保护边坡测温元件的钢管水平穿过边坡换填层,露出边坡换填表面50cm;保温板上下的测温元件引出时绑在保护基底测温元件的钢管上保护。
在施工初期,我们曾将所有埋入冻土内的测温元件均安装钢管保护,但测量时发现,由于钢管内空气的对流,影响测量结果。
所以,后来只在元件穿过换填层时才增加钢管保护。
(2)元件端口先用塑料袋包裹防水,引至木箱中保护,设置醒目的标志,避免施工时损坏元件。
(3)元件埋设后,路堑换填处理过程中,注意保护已经埋设的钢管及木箱,严禁机械碰撞钢管及木箱。
(4)制订相应的奖惩规定,做好宣传教育工作,增强施工队伍自觉保护科研元器件的意识。
6地温观测
6.1观测频率及观测时间
(1)昆仑山口路堑于2002年6月开工,各组元件自埋设后开始测温。
从开始测温至2002年7月底期间,测温频率为每天观测两次,观测时间为8:
00及16:
00。
(2)2002年7月底至2002年8月底,测温频率为每三天观测一次,观测时间为16:
00。
(3)2002年8月底至2002年9月底,测温频率为每周观测一次,观测时间为16:
00。
(4)2002年9月底至2002年11月底,测温频率为每十天观测一次,观测时间为16:
00。
(5)2002年11月底至2003年5月底,测温频率为每月观测一次,观测时间为16:
00。
6.2测量与计算
由于测温元件为热敏电阻温度计,我们采用美国进口的Fluke189型高精度数字万用表测量各测点的阻值。
现场测量时,必须待数字万用表显示的数值稳定后方可读数。
记录时,要仔细核对元件组号及测点编号,切勿出现错漏。
数据整理时,将各测点测出的阻值代入式
(1),可计算出各测点对应的温度。
计算时,将热电偶温度计的标定系数及热敏电阻温度计的标定函数录入Excel表格,在野外测量记录后,将测量值输入表格,即可快速而准确地计算出测点对应的温度。
6.3观测
自2002年6月以来,我们基本坚持按既定的观测频率及观测时间在昆仑山口路堑进行地温观测,偶尔因故未严格按既定的观测频率进行地温观测,但并不影响观测数据分析。
观测时间长达一年之久,为高含冰量路堑施工积累了宝贵的数据。
虽然其中部分元件在路堑换填、铺设轨道、骨架护坡等施工过程中先后遭到了破坏,但观测中所积累的数据已基本能反映高含冰量冻土路堑施工后各部位地温的变化情况。
7地温观测资料及其分析
7.1典型断面地温观测资料
高含冰量冻土路堑地温观测分基底、边坡、保温板上下等不同的观测部位,在昆仑山口路堑地温观测中,每个观测部位均选择了两个以上观测断面进行观测,观测时间长,数据很多,由于篇幅原因,不能一一列举。
我们选择冻土开挖暴露时间较长、扰动较大、对冻土地温稳定最为不利的典型断面列举其地温观测资料。
分别选择DK984+220基底、DK984+275左侧边坡、DK984+230保温板上下等典型断面。
7.1.1DK984+220基底地温观测资料
表1DK984+220基底地温观测资料(单位:
℃)
测点位置
时间
路肩下0.5m
路肩下1.0m
路肩下1.5m
基底面
基底下0.5m
基底下1.0m
基底下1.5m
基底下2.0m
基底下2.5m
基底下3.0m
02/07/12AM
1.67
-1.77
-3.17
-3.67
-3.88
-3.95
-3.98
02/07/12PM
1.71
-1.72
-3.14
-3.67
-3.89
-3.98
-3.99
02/07/13AM
1.63
-1.56
-3.04
-3.64
-3.91
-4.01
-4.03
02/07/13PM
1.48
-1.42
-3.00
-3.62
-3.90
-4.01
-4.03
02/07/14AM
1.46
-1.31
-2.88
-3.56
-3.88
-4.01
-4.04
02/07/14PM
1.44
-1.28
-2.86
-3.55
-3.88
-4.01
-4.05
02/07/15AM
1.34
-1.21
-2.77
-3.49
-3.85
-4.01
-4.05
02/07/15PM
1.33
-1.19
-2.75
-3.47
-3.85
-4.01
-4.05
02/07/16AM
1.26
-1.12
-2.67
-3.41
-3.82
-3.99
-4.05
02/07/16PM
1.23
-1.11
-2.65
-3.40
-3.81
-3.99
-4.05
02/07/17AM
1.20
-1.05
-2.58
-3.34
-3.77
-3.98
-4.04
02/07/17PM
1.16
-1.04
-2.57
-3.33
-3.76
-3.97
-4.04
02/07/18AM
1.13
-0.99
-2.51
-3.28
-3.73
-3.95
-4.03
02/07/18PM
1.10
-0.97
-2.49
-3.27
-3.73
-3.95
-4.03
02/07/19AM
1.06
-0.94
-2.44
-3.23
-3.70
-3.93
-4.02
02/07/19PM
1.04
-0.92
-2.42
-3.21
-3.69
-3.93
-4.01
02/07/20AM
1.01
-0.90
-2.37
-3.17
-3.65
-3.90
-4.01
02/07/20PM
1.00
-0.89
-2.36
-3.16
-3.65
-3.90
-4.01
02/07/21AM
0.95
-0.86
-2.33
-3.12
-3.63
-3.89
-4.01
02/07/21PM
0.96
-0.84
-2.30
-3.10
-3.60
-3.87
-3.99
02/07/22AM
0.91
-0.82
-2.26
-3.07
-3.58
-3.85
-3.98
02/07/22PM
0.88
-0.82
-2.25
-3.06
-3.57
-3.85
-3.97
02/07/23AM
0.84
-0.80
-2.21
-3.02
-3.55
-3.84
-3.96
02/07/23PM
0.83
-0.79
-2.21
-3.02
-3.54
-3.83
-3.96
02/07/24AM
0.77
-0.79
-2.17
-2.97
-3.51
-3.81
-3.95
02/07/24PM
0.75
-0.77
-2.16
-2.97
-3.51
-3.79
-3.94
02/07/25AM
3.48
2.18
0.57
0.71
-0.75
-2.13
-2.94
-3.47
-3.78
-3.93
02/07/25PM
3.44
2.15
0.56
0.70
-0.74
-2.11
-2.92
-3.47
-3.77
-3.92
02/07/26AM
3.34
2.12
0.54
0.67
-0.73
-2.08
-2.89
-3.44
-3.76
-3.91
02/07/26PM
3.27
2.07
0.52
0.66
-0.73
-2.08
-2.88
-3.44
-3.75
-3.91
02/07/27AM
3.14
2.01
0.50
0.64
-0.72
-2.05
-2.86
-3.41
-3.73
-3.90
02/07/27PM
3.12
1.97
0.49
0.63
-0.72
-2.04
-2.85
-3.41
-3.73
-3.90
02/07/28AM
3.02
1.92
0.48
0.60
-0.71
-2.01
-2.81
-3.37
-3.71
-3.88
02/07/28PM
2.99
1.86
0.47
0.59
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-2.00
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-3.88
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2.87
1.77
0.46
0.55
-0.69
-1.98
-2.77
-3.34
-3.68
-3.86
02/07/30AM
2.79
1.72
0.43
0.53
-0.67
-1.95
-2.75
-3.32
-3.66
-3.85
02/07/30PM
2.79
1.70
0.42
0.52
-0.67
-1.95
-2.75
-3.32
-3.66
-3.85
02/07/31AM
2.69
1.66
0.41
0.51
-0.67
-1.92
-2.71
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-3.64
-3.84
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2.65
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-3.28
-3.63
-3.83
02/08/03PM
2.42
1.46
0.35
0.44
-0.62
-1.83
-2.62
-3.20
-3.57
-3.79
02/08/06PM
2.21
1.27
0.29
0.37
-0.60
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-2.53
-3.12
-3.50
-3.74
02/08/09PM
2.14
1.18
0.24
0.32
-0.59
-1.71
-2.47
-3.06
-3.45
-3.69
02/08/12PM
1.99
1.10
0.22
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-0.57
-1.66
-2.40
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-3.64
02/08/15PM
1.71
1.00
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02/09/20PM
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0.03
-0.50
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-3.16
02/09/26
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