哈神公路多年凍土區(qū)橋涵病害及設(shè)計(jì)探討

■郭 娟 ■新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 831401

哈巴克至神仙灣邊防公路(以下簡稱哈神公路)起于國道219線(新藏公路)K404+780處，終點(diǎn)至神仙灣邊防連哨所。哈神公路是我國西部邊防公路體系的重要組成部分，原路因等級低，使用時(shí)間長，道路破損嚴(yán)重，本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是改善該道路的行車條件，增強(qiáng)其抗災(zāi)能力，在無大型自然災(zāi)害的情況下，實(shí)現(xiàn)哈神公路正常季節(jié)全線暢通。

要保證項(xiàng)目的正常運(yùn)行，多年凍土段公路橋涵的修筑無疑是該項(xiàng)工程成敗的關(guān)鍵之一。橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是凍土區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，橋梁工程成敗的關(guān)鍵。哈神公路工程地質(zhì)簡單、水流量較小，設(shè)計(jì)多為中小橋梁，可采用淺基礎(chǔ)。

1 哈神公路凍土分布情況

凍土一般是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土。按巖土凍結(jié)狀態(tài)保持時(shí)間的長短，凍土又可分為多年凍土與季節(jié)凍土，凍結(jié)數(shù)年至數(shù)萬年以上的稱為多年凍土。

1．1 季節(jié)性凍土

路線在K0+000～K15+000段為季節(jié)性凍土，沿線氣候寒冷，季節(jié)性凍土分布于全路段，類型為季節(jié)融化層，與下覆多年凍土呈銜接關(guān)系。該路段根據(jù)鉆探揭示沿途最大季節(jié)融化深度一般為1～3m，年平均氣溫約為-5．0℃;個(gè)別路段因受河流、巖土類別及地形朝向的影響，最大季節(jié)融化深度可達(dá)4～5m，這與多年凍土上限一致，可認(rèn)為多年凍土上限即為該路段的最大季節(jié)融化深度。

1．2 多年凍土

路線K15+000～K56+500段路線凍土類型主要為少冰凍土～多冰凍土，從探坑揭露來看，結(jié)構(gòu)較緊密，為冰晶所充填，偶爾可見薄冰層，地基土巖性多以含細(xì)粒土礫為主，勘察期(7月—9月)凍土上限在1．5～2．3m，多為少冰凍土，凍土總含水量3% ～5%。

表1 物探點(diǎn)解譯結(jié)果數(shù)據(jù)表

2 哈神公路凍土區(qū)橋涵主要病害及其產(chǎn)生的原因

凍土其成分、結(jié)構(gòu)、熱物理及物理力學(xué)性質(zhì)均有其特殊性，是一種多相體的特殊類土。因此，凍土區(qū)的工程建筑由于其活動(dòng)層每年都發(fā)生著季節(jié)性融化和凍結(jié)，并伴生有不同類型的凍土不良地質(zhì)現(xiàn)象，產(chǎn)生了一系列得特殊工程地質(zhì)問題。凍脹和融沉是凍土區(qū)公路兩大病害。凍脹常見破壞是凍脹翻漿，占工程病害的15%，其中對橋涵構(gòu)造物影響極大，由于凍脹作用導(dǎo)致涵臺(tái)、涵底、八字墻開裂傾斜等;凍土區(qū)公路病害中的85%由融沉引起，主要表現(xiàn)為路基凹陷、縱向開裂以及路基邊坡開裂、滑塌等。

2．1 哈神公路老路其橋涵工程病害類型

哈神公路老路其橋涵工程病害主要類型有:⑴梁產(chǎn)生較大的撓曲變形;⑵伸縮縫掉落、堵塞;⑶墩臺(tái)嚴(yán)重剝蝕，部分樁柱露筋，輕型基礎(chǔ)墩臺(tái)沉降，墩臺(tái)身開裂;⑷錐形溜坡凍脹沉陷破壞;⑸導(dǎo)流堤凍脹、沉陷坍塌;⑹過水路面老化等。

2．2 哈神公路老路橋涵工程病害產(chǎn)生的原因

⑴哈神公路等級較低，橋涵多為小橋涵。因小橋涵中部的空氣流動(dòng)，改變了溫度，使得多年凍土上限上升，而涵端和涵洞洞口多年凍土上限下降，致使凍脹融沉不均程度加劇，使小橋涵的兩端和洞口產(chǎn)生開裂下沉;排入涵洞的水，因兩端和洞口的開裂滲漏于涵鋪砌層下，水中的熱量進(jìn)入多年凍土層內(nèi)，多年凍土上限下移，使凍脹、融沉加劇，當(dāng)小橋涵工程難于抵抗這種反復(fù)凍脹、融沉作用時(shí)，就加劇產(chǎn)生了破壞。

⑵橋涵的基礎(chǔ)開挖，使得施工中熱量介入原地層，改變了水熱交換條件，使地溫升，基底凍土融化，降低了地基的承載能力，導(dǎo)致橋梁的淺基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降形成了豎向裂縫，涵洞的基礎(chǔ)、洞身、洞口開裂變形?；A(chǔ)施工時(shí)，由于材料供應(yīng)不及時(shí)或其它原因造成基坑暴露時(shí)間過長，大量的輻射熱進(jìn)入凍土基礎(chǔ)，使多年凍土局部融化，形成積水，上限下移。置于承載能力極低的淤泥上的基礎(chǔ)，產(chǎn)生不均勻沉降，使橋涵基礎(chǔ)在施工階段就產(chǎn)生了破壞。

3 哈神公路凍土地區(qū)公路橋涵設(shè)計(jì)

3．1 橋涵地基設(shè)計(jì)原則

在橋涵地基的設(shè)計(jì)中，為使哈神公路橋涵在日后能夠正常使用，主要采取以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì):

(1)允許融化原則。即涵洞工程正常使用期間，容許其在某一定深度的地基處于融化狀態(tài)的原則。不融沉土和融化后基礎(chǔ)沉降量不超過容許值的弱融沉土適用于此原則。如在融沉土、強(qiáng)融沉土或融陷土地段，必須采用人工預(yù)先融化壓密或挖除換填等措施。根據(jù)凍土融化過程不同，可分為自然融化和預(yù)先融化:①自然融化:自然融化一般適用于少冰凍土和多冰凍土地區(qū)。凍土不穩(wěn)定區(qū)的橋涵工程地基凍土不能保證其長期處于凍結(jié)狀態(tài)，需要按融化狀態(tài)計(jì)算地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其因地基土融化而引起地基沉降量不超過允許沉降量;②預(yù)先融化:在高溫不穩(wěn)定的多年凍土區(qū)域，當(dāng)?shù)鼗嗄陜鐾翆雍穸容^小時(shí)，修筑基礎(chǔ)前應(yīng)采用人工融化或挖除換填非凍脹土的方法，避免其大面積的沉降。

(2)保持凍結(jié)原則。這一原則適用于多年凍土低溫穩(wěn)定區(qū)年平均地溫低于-1．0℃的地區(qū)。地基土設(shè)計(jì)時(shí)，采用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型和施工方法、選擇的施工季節(jié)和時(shí)段應(yīng)盡可能減少對地基凍土的熱侵入。以保持橋涵建筑物的地基土在規(guī)定的使用期間始終處于凍結(jié)狀態(tài)。

3．2 涵洞結(jié)構(gòu)類型選擇

哈神公路中多年凍土區(qū)涵洞的設(shè)計(jì)，結(jié)合青藏鐵路設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，主要采用以下兩種形式:(1)合金鋼波紋管涵。合金鋼波紋管涵是一種適應(yīng)變形能力很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，有橢園和園形兩種。這種管涵由工廠預(yù)制，具有運(yùn)輸方便、對基礎(chǔ)要求較低，施工簡便，且施工工期短，并可大大減少開挖工作量，對土層的熱擾動(dòng)小。非常適用于多年凍土地區(qū)。(2)鋼筋混凝土蓋板涵。鋼筋混凝土蓋板涵主要由鋼筋混凝土蓋板和涵臺(tái)兩部分組成，是常見的涵洞形式。涵臺(tái)的臨水面為豎直面，背面為豎直或斜坡。涵臺(tái)頂面可以做成平面，也可做成L型企口，使之在支承蓋板的同時(shí)，借助板的支承作用來加強(qiáng)涵臺(tái)穩(wěn)定。當(dāng)河底采用干砌片石加固時(shí)，為加強(qiáng)涵臺(tái)的穩(wěn)定，兩個(gè)涵墻基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置支撐梁;當(dāng)河底采用漿砌片石或混凝土加固時(shí)支撐梁可以不設(shè)。

4 結(jié)束語

通過對哈神公路多年凍土區(qū)橋涵的分析，新疆多年凍土區(qū)的墩臺(tái)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)充分重視凍脹力計(jì)算，重視凍土區(qū)的凍脹和融沉特性。采用適宜的施工方法、改性材料、外加劑，提高耐久性、減少水化熱。

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTGTF50-2011)》［S］．人民交通出版社，2011．

［2］汪雙杰，陳國靖．多年凍土地區(qū)公路修筑技術(shù)［M］．人民交通出版社，2008．

［3］交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院．高原多年凍土地區(qū)涵洞工程結(jié)構(gòu)類型研究報(bào)告［R］．交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院，1999．

［4］章金釗．高原多年凍土涵洞工程研究［J］．公路，2002．

［5］章金釗．高原多年凍土地區(qū)橋涵設(shè)計(jì)與施工研究［J］．中國鐵道科學(xué)，2001．

［6］馬東濤．新藏公路新疆段多年凍土特征及其災(zāi)害初探［J］．山地學(xué)報(bào)，2004．