試論高寒凍土地區(qū)的橋涵病害研究及預(yù)防治理措施

劉美萍

摘 要：近年來，我國凍土范圍在逐漸增加，大部分出現(xiàn)在東北大興安嶺、小興安嶺、青藏高原以及西部高山等地方，整體面積在214萬平方公里左右。所謂高寒凍土主要是由水、冰、顆粒以及氣體等物質(zhì)構(gòu)成的繁雜體系。本文將主要圍繞高寒凍土地區(qū)的橋涵病害形成原因展開分析，并提出具體預(yù)防治理措施以供參考。

關(guān)鍵詞：高寒凍土；橋涵病害；預(yù)防治理

1 引言

大部分橋涵設(shè)計(jì)人員通常僅關(guān)注于規(guī)范對構(gòu)造強(qiáng)度謀劃方面的安全性需求，卻往往忽視高寒凍土條件下橋涵的經(jīng)久性和可靠性。大量橋梁即使符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度需求，但卻在使用的3-11年間便由于經(jīng)久力較差產(chǎn)生質(zhì)量問題，從而影響其整體構(gòu)造的安全。因此設(shè)計(jì)人員要充分重視高寒凍土區(qū)域的橋涵病害。

2 高寒凍土地區(qū)的橋涵病害形成原因

2.1 橋梁基礎(chǔ)不均衡凍脹

因?yàn)樗Y(jié)成冰過程中，體積會(huì)增加9%。所以通常情況下，土壤中的水的凍結(jié)和冰體的增長，引發(fā)土體膨脹、地表不均衡凸起，這種現(xiàn)象便是凍脹。土體凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致水分流動(dòng)，其不但會(huì)造成自身位置的結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)在滲透力的影響下，水分會(huì)從原本位置流向凍結(jié)鋒面再次成冰，增強(qiáng)凍脹效果。地基中水分的凍結(jié)，會(huì)形成連鎖反應(yīng)，讓較為穩(wěn)固的基礎(chǔ)與其一同產(chǎn)生凍脹力。如果出現(xiàn)基礎(chǔ)的分量和附屬荷載無法處于平衡狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)會(huì)在凍脹力的影響下出現(xiàn)拔變形現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生凍脹。在自然環(huán)境中，因?yàn)榈鼗械耐临|(zhì)、凍結(jié)、水分條件均有所差異，橋梁樁基礎(chǔ)的凍脹也將會(huì)是不均衡的，這是造成高寒凍土地區(qū)的橋涵冰寒的主要原因。

2.2 土地負(fù)荷能力變低

建設(shè)橋涵基礎(chǔ)、挖掘基坑、修建基礎(chǔ)圬等工作，更改了原來地層的水熱交換要求。施工過程中熱量的產(chǎn)生，讓地表溫度增加，地基底部凍土逐漸消融，上限下降，減少了地基的負(fù)荷能力，造成橋梁出現(xiàn)生淺基礎(chǔ)、不均衡下沉、縱向裂縫以及涵洞基礎(chǔ)、洞口、洞身的撕裂和變形現(xiàn)象。還有一些施工中，因?yàn)椴牧咸峁r(shí)間過晚或者一些其他因素導(dǎo)致基坑顯露時(shí)間大大延長，產(chǎn)生積水，過量的太陽熱量直射到凍土基礎(chǔ)中，讓多年凍土開始逐漸融化、上限下降。但是基礎(chǔ)處于負(fù)荷能力較差的泥土中，讓橋涵基礎(chǔ)在早期施工階段就大大遭到損壞[1]。

2.3 通風(fēng)作用造成小橋涵損壞

橋涵的通風(fēng)效果更改了多年凍土的水熱均衡要求，讓小橋涵中間區(qū)域的多年凍土上限升高，而橋涵頂端和洞口的多年凍土上限下降，導(dǎo)致橋涵洞墩、涵臺(tái)流水方向土體的凍脹和融化沉降不均勻程度加劇，造成小橋涵的兩側(cè)以及洞口形成裂縫以及沉降等問題。因?yàn)樾蚝那捌谄屏严鲁?，進(jìn)入涵洞的水，一部分流入鋪設(shè)層下，水中的潛熱融入多年凍土層中，讓其上限下降，季節(jié)活動(dòng)層厚度增加，加快融沉與凍脹的發(fā)生。一旦小橋涵無法應(yīng)對這種重復(fù)融沉與凍脹的過程，將會(huì)釀成各種種類、程度的損壞問題出現(xiàn)。

3 高寒凍土地區(qū)的橋涵病害預(yù)防治理措施

3.1 提高地基多年凍土的冷儲(chǔ)量

提高地基多年凍土的冷儲(chǔ)量，是保證地基多年凍土溫度保持在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度的一種切實(shí)可行的重要舉措。地基冷儲(chǔ)量的加大，將促使地基中多年凍土的溫度變低。這也就代表著地基多年凍土強(qiáng)度會(huì)大大增強(qiáng)，負(fù)載能力也就隨之提高，蠕變變形范圍縮小，地基基礎(chǔ)的穩(wěn)固性從而得到有效增加。歸屬這種方式的工程策略主要有兩種，一種是熱棒，另一種是拋石碓層。前者是用熱棒降低橋涵地基的溫度；后者是把石塊或者片石聚集成堆，將其全面鋪設(shè)在橋涵地基基礎(chǔ)上，以此提高冬季進(jìn)入地基多年凍土的冷量。

3.2 削弱施工過程中對地基多年凍土的熱干擾

橋涵基礎(chǔ)在施工過程中，要盡可能的縮短基坑的顯露時(shí)間，強(qiáng)化臨時(shí)阻擋熱量的預(yù)防工作，以防讓多年凍土直接呈現(xiàn)在陽光強(qiáng)照下，以及基坑積水的形成?；A(chǔ)施工完畢后，要積極對坑基進(jìn)行回填處理。在樁基施工過程中，鉆孔時(shí)最好使用旋挖鉆機(jī)。在不得不用泥漿反復(fù)展開鉆進(jìn)時(shí)，要盡可能降低所用泥漿溫度。及時(shí)做好施工前期預(yù)備工作，最大程度的減少樁基施工工期。

另外，制作混凝土?xí)r要嚴(yán)格按照一定配比，關(guān)鍵是要減少其中的水灰比，水泥水化需要的水分只是全部重量的24%左右，如果水量變多，過剩的水會(huì)脫離析出，形成間隙，充足后便會(huì)造成凍脹。

3.3 強(qiáng)化排水、導(dǎo)水設(shè)備

建造橋涵工程過程中，盡可能的避免更改河流、溝渠的流向條件。橋位位置的河槽最好避免施壓，以及改溝設(shè)涵。針對多年凍土區(qū)域，最正確的做法是一個(gè)溝槽搭配一橋涵。及時(shí)正確的建設(shè)河床，以防橋下河床出現(xiàn)積水現(xiàn)象。同時(shí)還要對橋涵底部進(jìn)行積極建造，為預(yù)防流水進(jìn)入涵洞地基奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，要始終保持鋪設(shè)橋涵的溝槽暢通狀態(tài)，避免涵前積水問題的發(fā)何時(shí)能。以上這些方法均能在預(yù)防冰丘、冰錐的形成上起到一定作用，同時(shí)還能及時(shí)應(yīng)對橋涵地基多年凍土上限的改變。

3.4 選擇抗凍融材料

鋼纖維硅粉混凝土是重要的抗凍融材料。首先，鋼纖維在水泥膠塊中穿梭，讓膠塊能夠密切貼合，在鋼纖維與基體黏結(jié)力的影響下，增加了裂縫應(yīng)力聚集區(qū)朝基體內(nèi)部的擴(kuò)散時(shí)間，并且鋼纖維的限制裂縫能力，又可以有效阻止混凝土的前期塑性破裂，阻礙和疏散裂縫的伸展以及程度加深，制約凍脹壓力發(fā)生的裂縫，讓基體內(nèi)部處于良好環(huán)境，這在分割后的凍融情況中能分辨出其狀況和沒有凍融前的基本一致。其次，高活性硅粉的融入，轉(zhuǎn)變了基體的功能，其不但填補(bǔ)了水泥間隙，而且硅粉能攝取水泥縫隙中的氫氧化鈣離子，產(chǎn)生較多的C-S-H凝膠，提高了混凝土的凝膠比重，水泥石較大的空隙變少，增加混凝土密度，滲透能力也隨之削弱。這時(shí)混凝土的孔構(gòu)造和孔與孔之間的空隙符合抗凍性的需求，水分在這樣的孔徑范疇中，難以移動(dòng)到相鄰的縫隙中去，凍融反復(fù)發(fā)生時(shí)形成液體壓力便相對困難。此外，硅粉完善了水泥漿和纖維界面區(qū)與集料的構(gòu)造，提高了界面間的相互黏結(jié)力，基體與鋼纖維黏結(jié)力的大幅度增強(qiáng)，促進(jìn)鋼纖維更好的顯現(xiàn)其自身功效，在抑制裂縫、提高強(qiáng)韌度上具有重要意義。

4 結(jié)論

綜上所述，高寒凍土地區(qū)的橋涵病害大部分是由于融沉和凍脹而引發(fā)的構(gòu)造改變，橋涵構(gòu)件如果遭受損害，不僅對往來行車帶來嚴(yán)重的安全隱患，而且后期修復(fù)也十分繁難。在凍土區(qū)域，針對橋涵病害的預(yù)防治理不能單單注重設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、施工過程，在平常維修養(yǎng)保養(yǎng)中同樣要加以重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭良宇.多年凍土地區(qū)橋涵病害防治原則與主要對策[J].科技視界，2014（28）：313.

[2] 秦毅.新疆多年凍土地區(qū)橋涵病害調(diào)查及防治措施[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014（14）：114～117.