文摘

冻土地区进行工程建设,具有十分重要的掌握冻土及其水热特征的空间分布范围内的工程活动。与连续冻土地区相比,冻土分布不连续冻土地区复杂是因为存在岛屿融区,导致高度连续性和一致性的水热条件差,带来了很大的困难和不确定性的工程地质调查。在目前的研究中,冻土的冻融过程的空间分布浅地面I-stage阶地的河流在青藏高原研究基于现场调查包括钻探、电阻率层析成象和井眼温度测量。结果表明,残遗冻土,支离破碎的永冻层,而且岛上融区分布在有限的范围内研究的区域。其中,残遗永冻土层的埋深在7 ~ 14米的范围,而不完整的永冻土层的深度3.0 ~ 17.0米,和年平均地面温度接近-0.1°C,属于极端高温冻土。季节性冻结/解冻在残遗冻土深度浅地面,支离破碎的永冻层,而且岛上融区范围从2.5到3.0米。季节性冻结层的冻结期是5.5个月,而季节融化层的解冻期是6个月。冻土的复平面和空间分布领域密切相关地方因素如地形、地貌、地下水和岩性浅地面。相信岛的形成研究地区融区是由太阳辐射和降水渗透。

1。介绍

岩土调查的基础工程设计、施工、维护,和它的主要任务是确定项目的工程地质条件和水文地质条件,掌握地层和地下水的空间分布,并提供所需的岩土工程为工程设计和决策属性和索引。作为一种特殊的岩土体,冻土的工程性质通常是复杂和变量。除了岩性地层的温度和水(冰)含量有显著影响其物理和机械性能包括密度、强度、模量和渗透率1,2]。传统土壤解冻在温带地区,其物理力学性质和工程特点保持基本稳定的决心下物理参数,如岩性、密度和含水量。冻土情况并非如此,经历了显著的季节性变化的水热条件以及地面和大气之间能量和质量交换过程。水热条件的变化会进一步导致其工程性质和重大变化的一系列不良的地质过程,如冻胀和解冻,进而影响地基的长期稳定和安全的基础设施建立在[3]。因此,与温带地区相比,在冻土地区进行工程地质调查任务更为复杂和困难,有必要找出永久冻土和掌握季节性变化的空间分布在水热条件下的地基土。此外,从长期的角度来看项目的操作和维护,多年冻土的工程地质调查也需要预测冻土分布的空间变化和长期演化的热液条件下气候变化和工程扰动,从而提供一个基础采用工程措施(4]。

青藏高原(QTP)是世界上主要的高海拔多年冻土地区,冻土分布面积高达 公里²(5- - - - - -7]。冻土的分布QTP具有明显的垂直分带,但是这种分带模式通常是被一些地区性因素包括地质构造作用和新构造,以及地热供水系统;此外,岩性、地形、植被和当地气候因素对冻土的空间分布有显著的影响(8,9]。因此,冻土的整体空间分布QTP持续不好,极其异类厚度和温度分布。在不同冻土地区,各种类型的融区可能发生;基于生成的原因和因素,确定他们的存在,他们可以分为tectonic-geothermal融区,地表水(河流、季节性流水、湖泊、池塘、等等)融区,和infiltration-radiation融区(10,11]。大融区在冻土地区工程建设的首选的地方;然而,在岛融区,不连续和显著差异在水热条件下地基土在当地可以导致微分工程结构变形和相关损失(12]。因此,如何进行良好的工程地质调查的孤立融区是主要的挑战面前的工程设计师和研究人员。

冻土地区工程地质调查的手段包括钻孔钻探、坑轴,和沟勘探,以及综合地球物理勘探技术,如电气、地震、重力、放射、探地雷达、地磁、中子测井。的传统方法,钻孔和点蚀更常用,是必要的和直接的冻土地质调查。钻探的主要目的是确定冻土的存在,上限和下限深度的永冻土层,地面温度,冰含量条件下,和岩性。坑勘探的主要目的是获取活性层的厚度和土壤的基本性质活跃层。在中国,地球物理勘探技术的应用在冻土调查开始于1950年代,和系统化的研究工作始于1960年代初。地球物理勘探有许多优点,如快速、低成本、灵活多变的布局,各种调查手段,和持续的配置文件数据。它具有显著的优点在描述冻土的分布范围和融区,检测地面冰的厚度和冻结松散沉积物,等等,并在permafrost-related映射工作发挥了积极而重要的作用[13]。目前广泛使用的和有前途的地球物理勘探技术在冻土调查和相关研究工作是高密度电阻率层析成象和探地雷达,除了地球物理测井和瞬变电磁方法,近年来被应用14- - - - - -18]。然而,工程地质调查方法不断更新和发展。从工程施工的角度和长期的操作和维护,对于不同的工程网站和工程结构,如何合理选择相应的调查技术和方法,并在此基础上,如何科学地确定钻孔的数量,目前地球物理资料,他们的空间位置在实际工程实践中仍有一定的困难。

针对台湾融区场QTP I-stage阶地的河流,居间不冻层的空间分布和水热条件和冻土的网站进行调查使用的方法包括钻井、井眼温度测量和高密度电阻率层析成像。通过全面调查,永久冻土和融区岛的空间分布,以及上限、下限、厚度、温度、和其他永久冻土的特征参数,初步确定。在此基础上,结合冻土地区融区发展机制和现有的研究成果在研究区,深入分析了岛的起源领域融区。最后,基于工程地质调查任务,当前的相关规范要求,常用的调查方法、工程设计、操作和维护要求进行了讨论,阐述了存在的问题和未来的研究方向。希望本研究可以为未来提供参考工程地质调查工作不连续冻土地区。

2。研究领域和方法

2.1。研究区域

研究区位于QTP的腹地,一个I-stage阶地某河的右岸,海拔4526 - 4532米,面积是人烟稀少的恶劣的自然环境。这个网站是宽,平与当地起伏和斜坡< 5°,成堆,沼泽,溪流,和浅滩是间断性分布。植被通常大约10至40%,但分布不均匀;的下部地形高的高山草甸覆盖,而高地形的一部分是高山草原覆盖率较低。

地面上的第四纪沉积物的最大厚度是5米,包括表面粘土、风成砂、粉质粘土、砂砾岩冲积层和洪积物层,和湖的形成与砾石层,粉质粘土,和基岩地层由复合砂,砾石,泥岩沉积在河和湖。有季节性河流开发整个研究网站从南到北,形成大的池塘,浅滩,和沼泽湿地在相对低洼地区,夏季和秋季和冬季冻结形成的流。越高的一部分研究网站相对干燥(图1)。

2.2。气候变暖研究地区和加湿过程

分析研究区域的气候变化,数据的年平均气温(真理正义之神)和年降水量(美联社)从1965年到2019年从国家收集研究区附近的气象站,如图。2和3。数据显示,在过去的50年,气候变暖研究地区和加湿过程非常明显,它伴随着整个青藏高原的气候变化。

真理正义之神,其多年平均增加2°C从1965年到2019年左右。期间,真理正义之神的变化大致可以分为三个阶段,其中二十年的增长从1965年到1975年和1998年到2008年是重要的,同时,在从1975年到1998年期间,真理正义之神保持相对稳定。美联社,150和500之间波动mm在过去50年里,显示一般缓慢增加的趋势和波动上升趋势移动平均线。自2000年以来,美联社波动约350毫米。

持续变暖的过程和加湿的高原气候与冻土退化有密切的关系,发展融区,地表径流的增加,对高原和地下水位的变化。环境气象条件的变化规律和流程在区域范围内是非常重要的对于冻土工程地质调查和重要的环境边界影响的长期热液条件下基础项目的运行和维护阶段。在现有的工程实践中,常常需要把全球气候变化场景和工程使用寿命做出假设该地区环境气象条件。例如,通常采用的假设是,在未来的50年里,真理正义之神的增加在冻土地区的QTP 2.6°C。

2.3。研究方法

进行岩土调查研究地区,包括实地调查方法,钻孔钻,沟勘探,地球物理勘探,地面温度测量和室内测试。在本文中,我们侧重于结合勘探钻孔,钻孔温度测量、电气电阻率层析成像(ERT)。井眼温度测量使用高精度热敏电阻由冻土工程国家重点实验室,中国科学院。热敏电阻的温度范围为-40 ~ 40°C和温度分辨率0.01 ~ 0.005°C下负温度条件和正温度条件下0.01 ~ 0.03°C。地面温度数据自动收集数据采集仪器(CR3000,坎贝尔科学)4小时/次,频率和仪器是由太阳能和电池供电。

的ERT进行SuperSting R8 / IP仪器(先进的地质,Inc .),它有一个分布式电缆与开关分布在每个电极结构高抗干扰性。数据采集的8通道和8组数据可以同时测量一次,加快长剖面数据采集和3 d数据采集。马仪器电源电流范围从1到2,和观察到的电位差范围从小于1毫伏到几伏特。高密度电阻率法检测结果的分辨率电极距离密切相关。冻土地区为活性层厚度检测,一般电极距离是0.5 - -3.0米的范围内,而对于探测冻土层厚度、电极距离可以设置为5 - 10米。测线通常是根据目标体的深度决定,而且通常单一度量值的最大测线长度超过5次被探测到的最大深度。当总测线长度大于单一时间测线长度,滚动测量方法是使用轧制线长度的四分之一的长度。在这项研究中,Wenner-Schlumberger复合安排用于检测电极的距离是5米,测线长度是400米,和总测线长度是800米,所以滚动测量方法。

3所示。结果和分析

3.1。永久冻土和融区之间的边界

确定冻土和融区研究的空间分布区域,ERT概要文件的总长度800米是在研究区东西方向,通过四个水井与地面温度测量,8 #、9 #、10 #、11 #从东到西,分别。导的结果如图所示4。整体电阻率分布在测线很异类,反映研究地区冻土分布的复杂性。从东到西,基于电阻率分布,800米范围的测线大致可以分为四个高的间隔,明显高,明显低,分别和低电阻率值。其中,一个形状区域与9 #钻孔附近存在相当高的电阻率和沿测线宽约80米。从钻孔10 #,西方部分测线的电阻率明显低于东部部分,和西面的部分测线,浅地层的电阻率相对较高。

准确掌握冻土分布沿着这调查线,地面温度资料的四个钻孔的测线7月5日,2021年图给出5,与工作时间的ERT相同的日期。地面温度剖面的钻孔8 #,可以看出有一个永冻土层埋在7 ~ 14米的深度范围。结合最大冻结深度的研究领域,它可以初步判断,这一部分的冻土残遗冻土。钻孔9 #附近的电阻率明显大于其他地区的调查,和地面温度剖面图也部分地反映了冻土的存在。钻孔9 #渗透永冻土层。因此,结合地面温度资料和电子调查结果,这个井眼附近的永冻层的厚度大约是15米。地面温度资料的水井10 #、11 #显示没有永久冻土和地面温度10 ~ 15米的深度范围大约是1.2到1.3°C和0.5和大约0.6°C,分别。

比较的结果ERT和地面温度测量同时,可以看出这两个有一个很好的协议的解释冻土的分布在测线,最初的分布特征反映了测线自动从残遗冻土的永冻层,然后向西岛融区。高土壤电阻率的原因在浅深度范围的最末端测线密切相关的地形,地貌、岩性的网站。在最西面的测线,存在一个堆,主要的内部wind-deposited细到中细砂层结构松散和干燥。这堆的存在的高电阻率层有关。

3.2。浅的冻融特征

残遗的冻土、片状冻土和融区,从冻土工程地质调查的角度,这也是必须掌握的冻融特征浅地面,包括开始冻结,解冻时间、最大冻结/解冻深处,和其他特征元素。数据6- - - - - -8给地面温度的等温行残遗冻土,完整,冻土和融区岛从2020-09-28到2021-09-27,一个完整的自然,根据观测数据从水井8 #、9 #、10 #,分别。

从图可以看出6,残遗永冻土层钻孔8 #被埋在7 ~ 14米的深度范围,约7米的厚度和温度高于-0.1°C。在暴力相变区,属于极高温冻土。浅地在11月中旬开始冻结,达到最大冻结深度2.5 ~ 3.0 m 3月中旬,表面在5月初开始解冻。冻结期持续170天,这是5.5个月,浅层土壤完全融化在6月20日。虽然属于残遗永冻层,它可以从地面温度过程曲线仍有自下而上的冷冻过程从残遗永冻层的顶部附近。

季节性冻融过程孔浅地面的9 #是不同的残遗冻土钻孔8 #。从图可以看出75月中旬,地面开始解冻和11月初冻结,解冻期的持续时间是6个月,180天之间的最大季节融化深度大约2.5和3.0米。冻土基地埋在约17米的深度,所以冻土厚度约14米。同样,冻土年平均地面温度,即年平均地面温度在10 ~ 15米,深度约-0.1°C,这属于极端高温冻土。

10 #钻孔位于岛融区,和没有永冻土层。自去年11月中旬以来,肤浅的地面开始冻结,达到最大冻结深度的2.5 ~ 3.0 m 3月中旬。地面开始解冻4月底;因此,冻结期为5.5个月大约170天。明显不同于钻孔8 #是融区中的浅层土壤的解冻过程非常迅速;土壤季节性冻结层完全融化在不到半个月从4月底到5月初,它反映了季节性冻融特性的融区冻结在一个方向和解冻双重的方向。

3.3。岛上融区

ERT和井眼温度测量反映空间分布的永久冻土和融区和浅的季节性冻融过程的地面在研究区和反映冻土的分布的复杂性在平面上和空间在当地区域。虽然是一个彻底的融区发达下河,融区范围仅限于主流线,频道栏、低扩散海滩,居间不冻层的宽度约为1.2公里。本文研究区位于河的I-stage阶地和外部的范围渗透融区。根据研究冻土分布区域,它可以确定研究区属于一个大面积的不连续的永冻层地区,和融区属于岛上融区。

如前所述,QTP冻土地区融区可以分为构造融区,地表水融区,和infiltration-radiation融区根据他们的原因,其中构造融区可以进一步分为tectonic-geothermal融区和构造地下水融区,而地表水融区可以进一步分为融区河和湖融区。有两个重要因素的存在infiltration-radiation融区;一方面,表面有很强的吸收太阳辐射的能力;另一方面,良好的浅层土壤的渗透性有利于大气降水的入渗。这种融区通常是高温冻土地区发达(年平均地面温度0 ~ 1°C),由松散岩层具有良好的渗透性,融区面积小(11]。

从网站的地形地貌,地形的片状冻土部分略低,表面是一种良好的高山草甸植被覆盖率、地表水开发在夏天,和地面是湿的,而地形的丘岛融区略高,表面是一个稀疏的高山草原植被和干燥的表面。钻孔工程地质调查表明,岩性在岛上融区(钻孔10 #)可分为耕地土壤(层厚度是0.2米),细沙(层厚度是4.3米),粉质粘土(层厚度是1.5米),完全风化粉砂质泥岩(层厚度是1.5米),并完全风化泥粉砂岩(层厚度是17.7米),而岩性的永冻层部分(钻孔9 #)可分为耕种土壤(层厚度是0.3米),细沙(层厚度是1.3米),粉质粘土(层厚度是2.4米),强风化粉砂质泥岩(层厚度是4.5米),和强风化泥粉砂岩(层厚度是12米)。可以看出,第四纪覆盖层之间明显不同的两个部分。第四纪覆盖层的厚度在岛融区部分是4.5米,它主要是细中细砂,干燥和松散的结构。相比之下,第四纪覆盖层的厚度只有1.6米的永冻层部分和下面是hard-plastic-like粉质粘土,在过渡状态下强风化泥岩和粉砂质泥岩,和基岩浅埋。从地下水位的角度在工程地质调查,没有稳定的钻孔水位在融区部分,在冻土节0.53米(10月中旬)。因此,结合地形、浅层土壤岩性稳定地下水位,可以初步确定研究区域的岛屿融区属于infiltration-radiation融区。

4所示。结论

相比传统解冻土壤地区和连续多年冻土地区的工程地质调查岛融区是极其困难和不确定。水热条件的连续性和一致性的岩土体在平面上和空间非常贫穷,所以这是一个调查方法往往难以满足工程施工的需要进行调查工作。的岛融区I-stage阶地青藏高原上的一条河流,根据现场测量数据获取从钻勘探,钻井井眼温度测量,冻土的冻融过程的空间分布浅地面区域的详细研究,和岛上的原因融区讨论了结合现有的冻土分布研究的结果。初步结论如下:(1)在有限的局部范围内研究的区域,三个部分分布的残余冻土,完整,永久冻土和岛融区,冻土分布复杂的在平面上和空间。其中,残遗永冻土层的埋置深度在7 ~ 14米的范围,而不完整的永冻层的范围3.0 ~ 17.0米的深度,这两年平均地面温度高于-0.1°C和属于极端高温冻土(2)季节性冻结/解冻的深度浅岛融区地面,残遗冻土,片状冻土的范围从2.5到3.0米。季节性的冻结层上覆的冻结期前两个是5.5个月,而季节融化层的解冻期是6个月。残遗冻土和片状冻土部分有两个方向的冻结过程。岛的两个方向解冻过程融区是显著的;其季节性冻结层完全融化在不到半个月从一开始的表面融化,为夏季降雨量的渗透提供一个通道(3)结合地形、地层岩性和稳定地下水位在温暖的季节,岛上融区在该研究领域被认为是infiltration-radiation-originated融区。岛的表面融区与稀疏植被覆盖的高山草原,和第四纪覆盖层干燥、松散细到中细砂,厚度达到4.5米,有利于大气降水的入渗。植被稀少,表面干燥,wind-deposited砂层的重要原因是岛上居间不冻层的形成

通过三个调查技术的应用领域,虽然永冻层的空间分布模式已经获得初步,谨小慎微的调查结果仍然是不够的。对于plaque-like住房建设工程项目类别,冻土可能有显著差异的空间分布在这些网站一个身体的不同部分复杂的工程地质条件和耦合的高灵敏度冻土的物理和机械性能在欧元区严重的相变温度(2]。这样的永冻层的空间分布的差异可以导致严重的损害上基础设施如果不是发现在调查阶段(12]。

然而,从实际工程实践,调查工作往往只是根据相关规范包括冻土工程地质调查或住房建设基金会调查确定的调查工作和技术手段,而调查等复杂的网站岛融区常常需要确定工作负载和测量技术手段,这应该是一个动态反馈和决定修订的过程。

此外,从工程建设的角度,操作,和维护、工程地质调查岛融区需要与冻土的进化提供工程设计师在平面上和空间在未来气候变暖下的网站和干扰的工程活动。然而,对于这样一个复杂的网站岛融区,这样一个任务不仅涉及复杂的耦合过程的冻土水热,气候变化和变形和不确定性(温度和降水),但还包括地下水的变化(水/下冻结层以上)径流在当地范围,急剧变化的物理和机械性能的基础承重层,和生态环境的变化,工程测量人员的重大挑战。这些通常是工程测量人员的重大困难。因此,对于多年冻土的工程地质调查岛融区,不仅调查技术的更新和手段的支持是必要的,但还冻土工程有关学科的发展。最后,这些需要反映在相关的规范要求,更好的指导工程实践。

数据可用性

那些从现场测量获得的数据和详细的介绍中可以发现手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了中国的科技项目和国家自然科学基金(批准号41772325)。