多年凍土地區的橋涵工程設計

劉 秀，張松濤

(1.黑龍江省公路勘察設計院;2.哈爾濱工業大學)

多年凍土地區的橋涵工程設計

劉 秀1，2，張松濤1

(1.黑龍江省公路勘察設計院;2.哈爾濱工業大學)

我國是多年凍土大國，不可避免地要在多年凍土地區修建工程。凍土地區橋涵工程的設計成為一個難題。考慮多年凍土特殊的性質，對多年凍土地區的橋涵設計進行闡述，可為多年凍土區橋涵工程設計提供參考。

多年凍土;橋涵工程;設計

1 凍土地區橋梁基礎的類型

(1)鉆孔灌注樁基礎

實踐證明，鉆孔灌注樁基礎對地基多年凍土的熱擾動最小，帶給凍土的熱量更小，能夠保持多年凍土的常年處于凍結狀態，適用于凍土上限深度深，凍結比較穩定的區域。另外鉆孔灌注樁基礎抗凍脹能力較好，能有效的防止橋梁的凍脹現象，所以鉆孔灌注樁基礎成為近年來多年凍土地區采用最多的基礎。但在鉆孔和澆筑混凝土時，會給多年凍土地基帶來一部分熱量，所以在施工時要考慮施工部門的設備能力、施工季節等。當地基為嚴重融沉土或融沉土，且橋梁高度較大時，要充分考慮凍土的流變產生的不均勻下沉。

(2)擴大基礎

擴大基礎由于施工簡單，工程造價較低，是基礎承載力較好地區的橋梁基礎主要采用的類型，多年凍土由于處于凍結狀態，基底承載力較高，所以擴大基礎也常是多年凍土地區小橋基礎采用的類型。但基坑開挖以及施工過程中，使大部分凍土處于裸漏狀態，受日光照射以及其它影響會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狀態角度出發，冬季施工進行基坑開挖比夏季有利，如果施工時間在夏季應盡量減少基坑暴露面積，暴露時間，同時應盡早砌筑，盡早回填。

(3)打入樁及沉井

打入樁對凍土的熱擾動小，承載力比較高，但當土溫較低、處于堅硬凍結狀態時打樁有困難。所以該種基礎僅適用于個別融區或凍土上限很深的地區，同時應進行較為全面的方案設計，認為可行，方可采用但受施工機械的限制，樁徑也不大。

2 基礎埋置深度及防止凍脹的措施

2.1 基礎的埋置深度

多年凍土地區橋涵基礎的埋置深度，應根據地基凍土的性質、凍脹線深度、受流水沖刷情況以及橋涵結構的性質等綜合考慮。

規范規定，橋涵基礎其地基為凍脹土層時，應將基底埋入凍結線以下不小于0.25 m。由于橋墩臺同地基的熱交換過程很復雜，是一種多維不穩定的傳導過程，目前尚無精確的計算方法。凍土的上限深度，建議按天然上限深度乘相應的經驗系數，明挖基礎可采用1.2，樁基礎采用1.1來確定。以上說所的都是采用保持地基土凍結的原則時，基礎的埋深，如在非凍脹性地基上，基礎的埋置深度，應按非凍脹性上的基礎埋深確定，可以埋在季節性融凍層之內。

2.2 防止凍脹的措施

(1)如果采用擴大基礎，應加大基礎尺寸，增加基礎自身重量。

(2)加大基礎埋置深度，使其處于凍脹線以下。

(3)為減小凍脹力作用，當季節融化層為凍脹土及嚴重凍脹土時，墩臺周圍要換非凍脹性土(如卵石、碎石、粗砂等)°

(4)在凍脹層范圍內減小圬工表面積及粗糙度。

(5)修建在寒冰地區的橋梁，除應進行水文孔徑計算和

合理采用結構方案外，尚需要考慮流冰，聚冰，河冰丘的影響，并設置擋冰結構物。

3 凍土地區涵洞

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普遍存在，也是比較嚴重的。凡是地基為細粒土(粘性土、細砂、粉砂等)，含水量大于塑限，涵洞基礎埋在人為上限以上的，均產生凍脹隆起及熱融下沉變形。當地基為粗顆粒土(卵石、礫石、粗砂)，其中細顆粒含量很小，且為非飽和含水時，不論基礎深度如何，均不發生凍脹隆起及熱融下沉變形。這是因為粗顆粒土互相間的連接很弱，薄膜水量微小，吸附力差，不能形成水分轉移，所以一般不會產生凍脹及下沉。但要注意，粗顆粒土中細顆粒含量不易過大。

(2)砌體開裂

這種現象亦較為普遍和嚴重。它與涵洞變形有關系，是由于基礎不均勻凍脹，隆起及熱融下沉變形造成的。所以在工程措施方面應留沉降縫。

(3)冰塞現象

多發生在坡面有細弱地下水流出地段。由于水溫低、流速小，常常是沒有流出管口就在管內結凍。隨時間增加，冰層加厚，最后洞涵將堵塞，使涵管凍裂。因此，遇到這種情況時應加大孔徑或采用小橋。

3.2 涵洞基礎的埋置深度及注意事項

(1)當基底為不凍脹或不融沉土時，各種涵洞基礎埋置深度可按一般地區規定確定。

(2)當基底為凍脹土或融沉土和嚴重凍脹土或嚴重融沉土時，按保持基底凍結狀態設計，基礎埋入人為上限以下。

(3)基底為微凍脹或微融沉土時，涵洞基礎可以按允許基底凍土融化的原則設計。

多年凍土地區涵洞設置除滿足一般地區相關規定外，還應考慮以下幾點:

(1)按照原有溝渠布設涵洞，盡量不要合并，同時減少改河改渠等。

(2)涵洞基底盡量不要下挖，盡量在原有溝渠河床布設涵洞°

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

多年凍土地區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，橋涵構造物的修建必將改變凍土的性質，所以在設計時，應充分的調查多年凍土上限深度及其與地形、地貌、地質、植被、地表條件的關系。

［1］中華人民共和國行業標準.鐵路橋涵地基與基礎設計規范(TB10002.5-2005)［S］.北京:中國鐵道出版社，2005:147-154.

［2］中華人民共和國行業標準.凍土地區建筑地基基礎設計規范(JGJ 118-98)［S］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

［3］中華人民共和國交通部部標準.公路橋涵地基與基礎設計規范(JTJ 024-85)［S］.北京:人民交通出版社，1985:29 ～36.

［4］ 高大釗.土質學與土力學［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。