季節性凍土地區橋梁設計要點

羅紹仟(國家林業局昆明勘察設計院, 云南昆明 650216)

季節性凍土地區橋梁設計要點

羅紹仟
(國家林業局昆明勘察設計院, 云南昆明 650216)

文章通過季節性凍土地區某橋梁的下部結構設計，總結出在季節性凍土地區設計橋梁時應該注意的要點。

季節性凍土；抗凍拔穩定；切向凍脹；抗腐蝕

雙湖縣隸屬于西藏自治區那曲地區，位于西藏那曲地區西北部，東鄰安多縣，南與班戈縣與申扎縣接壤，西與尼瑪縣毗鄰，北跨可可西里與新疆維吾爾自治區和青海省交界，平均海拔在5 000 m以上。

國道317線至雙湖縣城公路(三級公路)為班戈縣至雙湖縣的主要公路，線路途經班戈、申扎、雙湖3個縣。起點與國道317線(班戈至雄梅段)三級公路相接，終點接雙湖縣縣城所在地索嘎魯瑪鎮南側索嘎中路。在西藏自治區省道網規劃中本項目已列為省道S208線的組成路段，也是西藏自治區公路交通超常規發展建設的重點項目之一。扎加藏布大橋為該項目中一座跨越扎加藏布河的大橋,橋型為5×20 m后張預應力空心板。本文以該橋為例，討論季節性凍土地區橋梁下部結構設計時的注意要點。

1 地質狀況

根據地質調繪及各勘察手段的實驗分析，該橋位處于季節性凍土區。根據巖土室內試驗成果及現場原位測試成果各地層的物理力學指標，大多數只在橋梁下部結構常規計算中能用到，在此不再詳細介紹。

水文地質方面該橋跨越扎加藏布河，在扎加藏布河取水樣兩件，鉆孔中采取兩件地下水試樣，分別進行了室內水質分析試驗。腐蝕性離子實測值如表1所示。

表1 水質腐蝕性實測值

備注：環境類型為II類。

根據水質分析結果，參照JTGC 20-2011《公路工程地質勘察規范》有關標準進行水質對建筑材料的腐蝕性判定，根據規范中的參考值，判定均為微腐蝕性。

2 橋梁下部結構的設計與分析

2.1 基礎型式的選型

墩臺與基礎設計主要依據JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》與JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》中的相關規定，堅持因地制宜、就地取材、節約資源的原則。根據水文、地質、地形、荷載、材料供應、上部結構形式和施工條件合理選用。

本橋根據勘察資料及現場調查的情況，上部結構為20 m的標準跨徑，所跨越的河流流量較小，橋墩以承受豎直力為主，故橋墩選用d120 cm、樁基選用d140 cm的樁柱式(雙柱)橋墩；橋臺所處位置已有基巖出露，承載能力尚可，為平衡太后土壓力，采用重力式擴大基礎的U型橋臺。

2.2 墩、臺的常規計算

橋墩橋臺的設計計算和構造要求，以及JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》、JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》、JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》及JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》等規范，進行橋墩相關承載能力、裂縫及變形位移的計算和橋臺的穩定性、抗傾覆、抗滑移及沉降變形計算校核。

橋墩橋臺的內力組合均應考慮該區域內地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度Ⅶ度，地震動反應譜特征周期0.40 s的地震作用組合，地震作用符合JTG B02-2013《公路工程抗震規范》中的規定。

經過計算，該橋墩臺均滿足相關規范的要求。

2.3 基礎最小埋置深度

根據JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》的要求，當墩臺基礎設置在季節性凍脹土層中時，基底的最小埋置深度可按下式計算：

dmin=zd-hmax

(1)

zd=ψzsψzwψzeψzgψzfz0

(2)

式中：dmin為基底最小埋置深度(m)；zd為設計凍深(m)；z0為標準凍深(m)；ψzs為土的類別對凍深的影響系數；ψzw為土的凍脹性對凍深的影響系數；ψze為環境對凍深的影響系數；ψzg為地形坡向對凍深的影響系數；ψzf為基礎對凍深的影響系數；hmax為基礎地面下容許最大凍層厚度(m)。

經計算，該橋位處標準凍深2.2 m，基礎最小埋置深度2.2 m，設計凍深2.8 m。

2.4 墩臺的抗凍拔穩定計算

根據JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》附錄L的要求，季節性凍土區地基墩、臺和基礎抗凍拔穩定性按下式計算：

Fk+Gk+Qsk≥kTk

(3)

Qsk=qsk·As

Tk=zdtsku

(4)

式中：Fk為作用在基礎上的結構自重(kN)；Gk為基礎自重及襟邊上的土自重(kN)；Qsk為基礎周邊融化層的摩阻力標準值(kN)；k為凍脹力修正系數；Tk為對基礎的切向凍脹力標準值 (kN)；qsk為基礎側面與融化層的摩阻力標準值(kPa)；As為融化層中基礎的側面面積(m2)；tsk為季節性凍土切向凍脹力標準值(kPa)；u為季節性凍土層中基礎的平均周長(m)；zd的符號及計算見式(2)。

本橋計算結果見表2，滿足規范對抗拔穩定性的要求。

表2 橋臺抗拔穩定計算成果

季節性凍土區樁(柱)基礎抗凍拔穩定性按下列公式驗算：

Fk+Gk+Qfk≥kTk

Qfk=0.4uΣqik·li

(5)

式中：Fk為作用在樁(柱)頂上的豎向結構自重(kN)；Gk為樁(柱)自重(kN)；Qfk為樁凍結線以下各層土摩阻力標準值之和；u為樁的周長(m)；qik為凍結線以下各層土的摩阻力標準值(kPa)；li為凍結線以下各層土的厚度(m)；Tk為每根樁切向凍脹力標準值(kN)。

計算結果見表3，滿足規范對抗拔穩定性的要求。

表3 橋墩抗拔穩定計算成果

2.5 橋梁下部結構的耐久性分析

根據地勘報告中水質腐蝕性離子的實測值，依據現行《公路工程地質勘查規范》的要求，該橋位處地表水和地下水均為微腐蝕性，根據現行《公路橋涵施工技術規范》及《混凝土用水標準》，該水源可用于施工拌合混凝土用水。

項目所處區域年平均氣溫0 ℃左右，為保證混凝土耐久性，必須對樁基混凝土的質量進行控制，必須滿足周圍介質在負溫條件下，各項性能力學指標達到或超過設計要求。在滿足強度增長的前提下，隨灌注過程帶入樁孔的熱量較小，混凝土的水化熱引起的溫升對周圍凍土結構不產生明顯的破壞作用；具有較強的抗融破壞、抵抗有害離子滲透、耐硫酸鹽腐蝕、抗堿-骨料反應的能力。

GB 50010-2010樁基構造上，新編的《混凝土結構設計規范》對保護層的厚度有了新的要求，“……從混凝土碳化、脫鈍和鋼筋銹蝕的耐久性角度考慮，不再以縱向受力鋼筋的外緣，而以最外層鋼筋(包括箍筋、構造筋、分布鋼筋等)的外緣計算混凝土保護層厚度……”，故應考慮從最外緣鋼筋計算保護層厚度，本橋設計中已經考慮進去。

3 總結與結論

藏北一帶海拔高，地勢平坦，多為凍土區，而這樣的區域往往是凍土伴隨鹽漬土共同存在。根據本橋地勘資料中的水質腐蝕性分析結果，該橋所處水域為微腐蝕性，通過對該橋的設計與總結，季節性凍土與微腐蝕性水共同存在的區域，橋梁的下部設計與應當采取的措施如下：

(1)根據地勘資料進行橋梁墩、臺的常規承載力及位移變形等計算是一直以來必不可少的。

(2)很多人設計墩、臺基礎時只記得有個最小埋置深度就可以，而這并不完全，必須要經過墩、臺基礎的抗凍拔穩定性計算才行。特別是在一些小跨徑橋梁中，橋梁上部結構自重較小，基礎埋置不大，這類橋在基礎抗拔穩定性計算時往往滿足不了，抗凍拔計算成了控制墩、臺基礎設計之因素。設計中可以適當增加基礎埋深和在凍脹層加潤滑措施等，但如果增加埋深太大就不經濟了，應改用深基礎。

(3)墩、臺基礎的切向凍脹力(上拔力)與基礎表面和凍脹土層的摩阻力有關，故可將護筒埋入凍土上限以下不小于0.5 m，并于護筒外涂l cm厚的瀝青渣油，減少護簡外表面的親水程度，降低凍土對樁基礎的上拔力。采取不拆鋼護筒的措施，讓鋼護筒起到一個犧牲性保護，一方面降低凍土層與樁(墩)摩阻力，一方面適當阻止水對墩的侵蝕，降低凍融破壞的幾率。

(4)為防止箍筋銹蝕，混凝土保護層厚度宜從箍筋外表面算起。

(5)最小混凝土保護層厚度除考慮使用環境外，還應根據設計使用年限區別對待。

(6)規范所規定的最小保護層厚度應該理解為是標定值，設計圖紙所標明的保護層厚度值應計入施工允許的公差值，對設計成果一定要有定量的把握。

[1] 中華人民共和國交通部標準.JTG C20-2011 公路工程地質勘察規范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[2] 中華人民共和國交通部標準.JTG D63-2007 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 中華人民共和國交通部標準.JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范 [S].北京:人民交通出版社，2004.

[4] 中華人民共和國交通部標準.JTG D60-2004 公路橋涵設計通用規范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5] 中華人民共和國交通部標準.JTG D61-2005公路圬工橋涵設計規范 [S].北京:人民交通出版社，2005.

[6] 中華人民共和國行業標準.JTG/T D31-04-2012 多年凍土地區公路設計與施工技術細則 [S].北京:人民交通出版社，2012.

[7] 中華人民共和國住房與城鄉建設部標準.GB 50010-2010 混凝土結構設計規范 [S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[8] 中華人民共和國行業標準.JGJ 118-2011 凍土地區建筑地基基礎設計規范 [S].北京:中國建筑工業出版社，2011.

[9] 中華人民共和國行業標準.JGJ 63-2006 混凝土用水標準[S].北京:中國建筑工業出版社，2006.

[10] 趙亞飛, 周建庭, 吳恒, 等.提高高寒地區橋梁混凝土結構耐久性的設計技術探討[J].公路,2012(8):106-110.

[11] 嚴莉華.高寒凍土地區橋梁病害機理及處理方法研究[D].西安：長安大學，2010.

羅紹仟(1982～)，男，布依族，學士學位，工程師，國家一級注冊結構工程師，從事道路與橋梁設計。

TU375.4

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[定稿日期]2016-06-28