多年凍土地區(qū)的橋涵工程設(shè)計(jì)

劉 秀，張松濤

(1.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué))

多年凍土地區(qū)的橋涵工程設(shè)計(jì)

劉 秀1，2，張松濤1

(1.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué))

我國(guó)是多年凍土大國(guó)，不可避免地要在多年凍土地區(qū)修建工程。凍土地區(qū)橋涵工程的設(shè)計(jì)成為一個(gè)難題。考慮多年凍土特殊的性質(zhì)，對(duì)多年凍土地區(qū)的橋涵設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，可為多年凍土區(qū)橋涵工程設(shè)計(jì)提供參考。

多年凍土;橋涵工程;設(shè)計(jì)

1 凍土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)的類型

(1)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

實(shí)踐證明，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)對(duì)地基多年凍土的熱擾動(dòng)最小，帶給凍土的熱量更小，能夠保持多年凍土的常年處于凍結(jié)狀態(tài)，適用于凍土上限深度深，凍結(jié)比較穩(wěn)定的區(qū)域。另外鉆孔灌注樁基礎(chǔ)抗凍脹能力較好，能有效的防止橋梁的凍脹現(xiàn)象，所以鉆孔灌注樁基礎(chǔ)成為近年來(lái)多年凍土地區(qū)采用最多的基礎(chǔ)。但在鉆孔和澆筑混凝土?xí)r，會(huì)給多年凍土地基帶來(lái)一部分熱量，所以在施工時(shí)要考慮施工部門的設(shè)備能力、施工季節(jié)等。當(dāng)?shù)鼗鶠閲?yán)重融沉土或融沉土，且橋梁高度較大時(shí)，要充分考慮凍土的流變產(chǎn)生的不均勻下沉。

(2)擴(kuò)大基礎(chǔ)

擴(kuò)大基礎(chǔ)由于施工簡(jiǎn)單，工程造價(jià)較低，是基礎(chǔ)承載力較好地區(qū)的橋梁基礎(chǔ)主要采用的類型，多年凍土由于處于凍結(jié)狀態(tài)，基底承載力較高，所以擴(kuò)大基礎(chǔ)也常是多年凍土地區(qū)小橋基礎(chǔ)采用的類型。但基坑開(kāi)挖以及施工過(guò)程中，使大部分凍土處于裸漏狀態(tài)，受日光照射以及其它影響會(huì)有大部分熱量傳遞到凍土中，所以要注意施工方法和施工工期的安排，使多年凍土不致被破壞。從保證凍土處于凍結(jié)狀態(tài)角度出發(fā)，冬季施工進(jìn)行基坑開(kāi)挖比夏季有利，如果施工時(shí)間在夏季應(yīng)盡量減少基坑暴露面積，暴露時(shí)間，同時(shí)應(yīng)盡早砌筑，盡早回填。

(3)打入樁及沉井

打入樁對(duì)凍土的熱擾動(dòng)小，承載力比較高，但當(dāng)土溫較低、處于堅(jiān)硬凍結(jié)狀態(tài)時(shí)打樁有困難。所以該種基礎(chǔ)僅適用于個(gè)別融區(qū)或凍土上限很深的地區(qū)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行較為全面的方案設(shè)計(jì)，認(rèn)為可行，方可采用但受施工機(jī)械的限制，樁徑也不大。

2 基礎(chǔ)埋置深度及防止凍脹的措施

2.1 基礎(chǔ)的埋置深度

多年凍土地區(qū)橋涵基礎(chǔ)的埋置深度，應(yīng)根據(jù)地基凍土的性質(zhì)、凍脹線深度、受流水沖刷情況以及橋涵結(jié)構(gòu)的性質(zhì)等綜合考慮。

規(guī)范規(guī)定，橋涵基礎(chǔ)其地基為凍脹土層時(shí)，應(yīng)將基底埋入凍結(jié)線以下不小于0.25 m。由于橋墩臺(tái)同地基的熱交換過(guò)程很復(fù)雜，是一種多維不穩(wěn)定的傳導(dǎo)過(guò)程，目前尚無(wú)精確的計(jì)算方法。凍土的上限深度，建議按天然上限深度乘相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，明挖基礎(chǔ)可采用1.2，樁基礎(chǔ)采用1.1來(lái)確定。以上說(shuō)所的都是采用保持地基土凍結(jié)的原則時(shí)，基礎(chǔ)的埋深，如在非凍脹性地基上，基礎(chǔ)的埋置深度，應(yīng)按非凍脹性上的基礎(chǔ)埋深確定，可以埋在季節(jié)性融凍層之內(nèi)。

2.2 防止凍脹的措施

(1)如果采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，應(yīng)加大基礎(chǔ)尺寸，增加基礎(chǔ)自身重量。

(2)加大基礎(chǔ)埋置深度，使其處于凍脹線以下。

(3)為減小凍脹力作用，當(dāng)季節(jié)融化層為凍脹土及嚴(yán)重凍脹土?xí)r，墩臺(tái)周圍要換非凍脹性土(如卵石、碎石、粗砂等)°

(4)在凍脹層范圍內(nèi)減小圬工表面積及粗糙度。

(5)修建在寒冰地區(qū)的橋梁，除應(yīng)進(jìn)行水文孔徑計(jì)算和

合理采用結(jié)構(gòu)方案外，尚需要考慮流冰，聚冰，河冰丘的影響，并設(shè)置擋冰結(jié)構(gòu)物。

3 凍土地區(qū)涵洞

3.1 各類凍土地基與涵洞病害

(1)涵洞凍脹隆起及熱融下沉變形

這種病害在青藏高原地區(qū)普遍存在，也是比較嚴(yán)重的。凡是地基為細(xì)粒土(粘性土、細(xì)砂、粉砂等)，含水量大于塑限，涵洞基礎(chǔ)埋在人為上限以上的，均產(chǎn)生凍脹隆起及熱融下沉變形。當(dāng)?shù)鼗鶠榇诸w粒土(卵石、礫石、粗砂)，其中細(xì)顆粒含量很小，且為非飽和含水時(shí)，不論基礎(chǔ)深度如何，均不發(fā)生凍脹隆起及熱融下沉變形。這是因?yàn)榇诸w粒土互相間的連接很弱，薄膜水量微小，吸附力差，不能形成水分轉(zhuǎn)移，所以一般不會(huì)產(chǎn)生凍脹及下沉。但要注意，粗顆粒土中細(xì)顆粒含量不易過(guò)大。

(2)砌體開(kāi)裂

這種現(xiàn)象亦較為普遍和嚴(yán)重。它與涵洞變形有關(guān)系，是由于基礎(chǔ)不均勻凍脹，隆起及熱融下沉變形造成的。所以在工程措施方面應(yīng)留沉降縫。

(3)冰塞現(xiàn)象

多發(fā)生在坡面有細(xì)弱地下水流出地段。由于水溫低、流速小，常常是沒(méi)有流出管口就在管內(nèi)結(jié)凍。隨時(shí)間增加，冰層加厚，最后洞涵將堵塞，使涵管凍裂。因此，遇到這種情況時(shí)應(yīng)加大孔徑或采用小橋。

3.2 涵洞基礎(chǔ)的埋置深度及注意事項(xiàng)

(1)當(dāng)基底為不凍脹或不融沉土?xí)r，各種涵洞基礎(chǔ)埋置深度可按一般地區(qū)規(guī)定確定。

(2)當(dāng)基底為凍脹土或融沉土和嚴(yán)重凍脹土或嚴(yán)重融沉土?xí)r，按保持基底凍結(jié)狀態(tài)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)埋入人為上限以下。

(3)基底為微凍脹或微融沉土?xí)r，涵洞基礎(chǔ)可以按允許基底凍土融化的原則設(shè)計(jì)。

多年凍土地區(qū)涵洞設(shè)置除滿足一般地區(qū)相關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):

(1)按照原有溝渠布設(shè)涵洞，盡量不要合并，同時(shí)減少改河改渠等。

(2)涵洞基底盡量不要下挖，盡量在原有溝渠河床布設(shè)涵洞°

(3)涵洞孔徑除滿足過(guò)水能力外，還應(yīng)注意冰壺、冰錐、沿流冰等產(chǎn)生阻塞孔徑的可能性，盡量加大孔徑。

多年凍土地區(qū)公路和橋梁建筑物的破壞，大部分是由于凍脹和凍融而引起的，橋涵構(gòu)造物的修建必將改變凍土的性質(zhì)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分的調(diào)查多年凍土上限深度及其與地形、地貌、地質(zhì)、植被、地表?xiàng)l件的關(guān)系。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10002.5-2005)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005:147-154.

［2］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ 118-98)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］中華人民共和國(guó)交通部部標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 024-85)［S］.北京:人民交通出版社，1985:29 ～36.

［4］ 高大釗.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2003:126-127.

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2012-11-11

劉秀(1980-)，男，黑龍江慶安人，工程師，在讀博士。