芻議多年凍土地基橋涵的設計和施工要點

周立軍

(青岡縣水務局，黑龍江青岡151600)

多年凍土(permafrost)，又稱永久凍土，指的是持續(xù)3 a或3 a以上的凍結(jié)不融的土層。其表層冬凍夏融，稱季節(jié)融化層。多年凍土層頂面距地表的深度，稱凍土上限，是多年凍土地區(qū)工程基礎設計的重要數(shù)據(jù)[1]。多年凍土分為兩層:上部是夏融冬凍的活動層;下部是終年不融的多年凍結(jié)層。中國的多年凍土面積約215萬km2，占世界第三位，主要分布在青藏高原，東北大、小興安嶺和天山、阿爾泰山等區(qū)域。中國東北的多年凍土區(qū)位于歐亞大陸高緯度多年凍土區(qū)的南緣，其南端可達46.6°N。

當巖土的溫度降至0℃以下，巖土中水就凍結(jié)形成凍土。如果該處地表一年中的吸熱量大于散熱量，冷季形成的凍土在暖季半年全部融化，便為季節(jié)凍土。如果該處地表一年中的吸熱量小于散熱量，冷季形成的凍土在暖季不全部融化，年復一年，就成為多年凍土。多年凍土隨緯度和垂直高度而變化。在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南減薄以至消失。如西伯利亞北部多年凍土的厚度為200 m左右，最厚可達620 m，活動層＜0.5 m。向南到中國黑龍江省，多年凍土南界厚度僅1～2 m，活動層厚達1.5～3.0 m。多年凍土的厚度由高海拔向低海拔變薄，活動層也相應增厚。無論在南北方向或者垂直方向上，多年凍土都存在3個區(qū):連續(xù)多年凍土區(qū);連續(xù)多年凍土內(nèi)出現(xiàn)島狀融區(qū);島狀多年凍土區(qū)。這些區(qū)域的出現(xiàn)都與溫度條件有關。年均氣溫低于－5℃，出現(xiàn)連續(xù)多年凍土區(qū);島狀融區(qū)的多年凍土區(qū)，年均氣溫一般為－1～－5℃。

1 多年凍土的分類[2]

按凍土的成因分為后生凍土層、共生凍土層、多生凍土。多數(shù)多年凍土是在物質(zhì)沉積之后自上而下凍結(jié)形成的，稱為后生多年凍土，其特點是含冰量少，多為整體結(jié)構或?qū)訝罱Y(jié)構;在沼澤、沖積平原和洪積扇等堆積地區(qū)，有時在沉積過程中發(fā)生凍結(jié)，產(chǎn)生自下而上凍結(jié)的多年凍土，稱為共生多年凍土，它是與堆積土層同時形成的，特點是含冰量多，多為層狀或網(wǎng)狀結(jié)構;由后生和共生作用混合形成的凍土稱為多生凍土。

作為橋涵地基的多年凍土，根據(jù)土顆粒的粒徑，凍土的天然含水量，按照凍土融化后使墩臺發(fā)生沉陷的情況，結(jié)合土的凍脹性質(zhì)，《公路橋涵設計規(guī)范》將多年凍土分為不融層，弱融層，融層和強融層四類。

2 設計要點

2.1 確定融凍深度

確定融凍層(活動層)的深度(即凍土上限)對工程設計極為重要。最基本的方法是在融化最盛季節(jié)，通過坑探直接觀測，或通過電探確定凍土上限。在銜接的多年凍土區(qū)，可根據(jù)地下冰的特征和位置推斷凍土上限深度。同一地區(qū)、不同地貌部位和不同物質(zhì)組成的多年凍土的上限也是不同的。易凍結(jié)的黏性土的凍土上限高;不易凍結(jié)的沙礫土的凍土上限低;河谷帶的凍土上限低，山坡或埡口地帶的凍土上限高。

2.2 合理設計基礎形式

多年凍土地區(qū)橋涵地基應根據(jù)多年凍土特征(如凍土發(fā)展趨勢，處于發(fā)展、相對穩(wěn)定還是退化階段;凍土厚度、溫度、上限深度等)，土的物理力學特征，地下水活動，不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在情況等全面進行工程地質(zhì)評價，同時考慮橋涵建筑物修筑后地基凍土特征可能變化情況(如上限深度的變化，土溫的變化，地基土物理力學性質(zhì)的變化等)，選擇合理的設計方法和基礎形式。

當基礎周圍季節(jié)凍融層為凍脹及強凍脹土，基礎可能因凍拔而隆起或斷裂時，可采用下裂防止凍拔的措施:

1)減小墩臺和基礎表面的粗糙率;貼以油毛氈或木板或涂以瀝青等隔離層;基礎周圍換填純凈的碎卵石;受凍拔作用范圍內(nèi)的基礎做成錐體形式。

2)減小墩臺和基礎受凍拔作用的面積，如采用截面較小的鋼筋混凝土結(jié)構等。

3)應盡量減少圬工的施工接縫，并埋置鋼筋加強連結(jié)。

基礎位于凍脹和強凍脹土中的橋梁應進行凍拔穩(wěn)定性驗算。

3 地基設計法

多年凍土地區(qū)的地基設計，可分為下列兩種方法:

3.1 保持法

設計按保持橋涵地基土在施工和運營中處于凍結(jié)狀態(tài)，地基的計算以凍土的力學指標考慮的方法。這種設計方法對于地基多年凍土屬融沉性或強融沉性類的可以保證建筑物的穩(wěn)定性，因此適用于多年凍土穩(wěn)定的地區(qū)，其厚度較大(大于壓縮層厚度)，地溫較低(一般距地面10 m處的地溫仍低于－0.4℃)。

用“保持法”設計多年凍土地基時應滿足基底強度和穩(wěn)定要求?；A形式應選擇在施工和運營期間對地基多年凍土破壞較小的，如鉆孔樁。小橋涵一般可用明挖基礎，當基礎需深埋時，也宜采用鉆(挖)孔灌注樁。

基礎應埋于多年凍土人為上限以下足夠深度，明挖橋梁基礎≥0.5 m，樁基不少于是4.0 m。上述數(shù)字僅供參考。對于每一個具體的地區(qū)，應根據(jù)實際經(jīng)驗采用。

當多年凍土上有季節(jié)性凍融層，且為凍脹、強凍脹土類時應進行凍拔穩(wěn)定的驗算。

多年凍土人為上限深度(即橋涵在該地區(qū)長期使用過程中，其多年凍土地基的穩(wěn)定上界限)應結(jié)合本地區(qū)的凍土發(fā)展趨勢，深入調(diào)查已成橋涵建筑物凍土上限變化規(guī)律及天然上限的關系來確定，必要時可結(jié)合橋涵及基礎形式通過熱力計算確定。

季節(jié)凍結(jié)深度和季節(jié)融化深度(上限)的確定，可直接采用勘探的方法，根據(jù)每個地區(qū)的凍土性質(zhì)及氣候特點進行調(diào)查決定，或采用各地區(qū)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、經(jīng)驗計算公式?jīng)Q定。

3.2 容許融化法

考慮凍土在施工或運營期間融化的設計方法。又可分為自然融化法和預先融化法:

自然融化法。自然融化法亦稱自然破壞法，就是容許地基多年凍土在施工和運營期間逐漸融化，其地基的計算，可按融化后土的力學指標進行設計。當?shù)鼗嗄陜鐾翆儆诜€(wěn)定或退化階段，厚度不大，地溫較高(距地面10 m處地溫高于－0.4℃)，橋涵修建后保持地基土長期凍結(jié)狀態(tài)技術上限困難，經(jīng)濟上不合理時;或地基多年凍土屬不融沉，弱融沉類，壓縮性不大時，均宜采用此方法進行設計。

預先融化法亦稱人工破壞法。施工時將凍土層挖除，換填非凍脹性土，分層夯實。此法適宜于橋涵基礎位在多年凍土地區(qū)邊緣，基底下融沉性或強融沉性土厚度不大的地點。

采用“容許融化法”設計地基時，應選擇能適應地基下沉的結(jié)構型式。當?shù)鼗赡墚a(chǎn)生不均勻下沉時，宜采用整體性較好的基礎型式。

用“容許融化法”設計時，應對地基和基礎進行強度和穩(wěn)定的驗算。基礎埋置深度除應滿足天然地基淺基礎埋置深度要求外，并應滿足沉降驗算的要求。采用“預先融化法”設計時，挖除凍土換填非凍脹土的厚度應根據(jù)凍土人為上限深度和地基沉降時計算決定。采用“自然融化法”設計時，如地基為弱融沉、融沉或強融沉的凍土時應進行地基下沉量的驗算，要求下沉量不超過容許值。

基礎底面以下受壓層的總厚度可按下述方法辦理:

1)當基底以下融化層厚度小于或等于基底壓縮層厚度時，則壓縮層厚度等于融化層厚度;

2)當基底以下融化層厚度大于壓縮層厚度時，對土自重壓力下沉和融化下沉，算至融化層的下限，對于附加壓力，等于壓縮層的厚度。

4 施工要點[3]

1)在地下水發(fā)育、水位高，并缺乏大型抽水設備;地表水流的改移或防護有困難;地基為厚層的融沉或強融沉土;或開挖冰層等情況可采用冬季天然冷氣凍結(jié)法進行橋涵明挖基礎施工。

2)采用“保持法”施工的明挖基礎，一般宜于冬季施工，如在夏季施工時，應遵守下列規(guī)定:

①嚴禁地表水灌入基坑;②及時排除季節(jié)各層內(nèi)的地下水和凍土本身融化水;③必須搭設遮陽、防雨棚;④施工前作好充分準備，組織快速施工，作完基礎立即回填封閉;一般不宜間歇，必須間歇時，應以草袋加以覆蓋。

3)基礎埋置在季節(jié)凍融層以下，于冬季施工時，應縮短基底暴露時間，以防止凍層繼續(xù)加深，減少建成后的凍脹和下沉。

4)基底開挖邊坡，視氣溫、土溫及土的類別而定。在冬季施工時，一般邊坡可采用1∶0.1～1∶0.2。

5)地基開挖后，應對地質(zhì)情況按設計提供資料進行核對。

6)當基底為融沉土時，在基礎圬工砌筑前，應鋪設一層10～20 cm厚的粗砂墊層或其他隔熱層。

7)基礎圬工宜采用抗凍砂漿砌筑或灌筑低溫早強混凝土;必要時可適當提高標號。

5 結(jié)語

我國多年凍土地區(qū)橋涵地基基礎的研究始于上世紀70年代。公路、鐵路部門先后在青藏公路清水河、昆侖山以及五道梁橋梁基礎試驗場開展了各種形式的多年凍土地基基礎試驗[4]，得到了很多設計與計算方法等研究成果，填補了該領域的空白。隨著人類社會的進步和發(fā)展，對于多年凍土地基的研究將進一步深入和廣泛，也才能更好的、更有效的針對其采取必要的防治措施和改造措施，從而保證工程的安全。

[1]哈斯額爾德尼，張俊平.高原凍土地區(qū)路基施工[J].科技資訊;2008，30(2):18－20.

[2]周樹濱，王海峰，薛海明.多年凍土地區(qū)路基施工[J].黑龍江科技信息;2003，5(2)24－27.

[3]曲祥民，張賓.季節(jié)性凍土區(qū)水工建筑物抗凍技術[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4]郭東信.中國的凍土[M].蘭州:甘肅教育出版社，1990.