訥河市灌排渠道橋梁破壞成因分析及處理措施

梁愛國(guó)

(訥河市同心鄉(xiāng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江訥河)

訥河市地處位于黑龍江省西北部，屬高寒地區(qū)，為季節(jié)性凍土分布地區(qū)，冬季氣溫很低，常年冬季平均氣溫在－1℃，最低氣溫達(dá)到－40℃，凍結(jié)期為每年的10月末至來年5月中旬。由于四季的凍融變化，使渠道建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生沉降，對(duì)渠道建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，尤其是渠道橋梁破壞更為嚴(yán)重，通過對(duì)灌區(qū)幾十座橋梁的多年觀測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)，灌排渠道上農(nóng)道橋的使用壽命80%以上都不能達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，給人民的生產(chǎn)生活帶來了很大的不便。

1 造成破壞的幾種原因

1)地質(zhì)條件不明，沒有鉆孔取樣分析，或已取樣，但試驗(yàn)資料不準(zhǔn)，勘察報(bào)告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況。

2)地基地質(zhì)差異太大，岸、坡處的地質(zhì)不同，甚至個(gè)別地段存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉陷。

3)結(jié)構(gòu)荷載差異太大，在地質(zhì)條件相同的情況下，由于樁基礎(chǔ)埋深不一致，引起引起不均勻沉陷。

4)斷樁(灌注樁施工中，混凝土中夾泥土或孔壁倒塌導(dǎo)致混凝土中夾泥形成斷樁)。

5)施工措施不得力，在施工中基礎(chǔ)處理不好或混凝土強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求等。

6)凍脹破壞:在寒土地區(qū)，由于凍融破壞的影響，在冬季由于凍脹力的產(chǎn)生，導(dǎo)致基礎(chǔ)上抬，夏季土體融化，基礎(chǔ)下沉，當(dāng)樁柱受力不均時(shí)，產(chǎn)生破壞。

2 凍脹破壞最為嚴(yán)重

其中最主要原因是凍脹破壞。據(jù)我們對(duì)訥河市灌排渠道橋梁的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的問題。由于灌排渠道大多位于地勢(shì)低洼地帶，地下水位較高，滿足凍脹力產(chǎn)生的條件，土體含水量越大，凍脹力越大;而農(nóng)道橋的工程造價(jià)低、投資少，施工難度大，施工隊(duì)伍在處理基礎(chǔ)時(shí)措施不到位，造成基礎(chǔ)達(dá)不到設(shè)計(jì)挖深、或基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、或者鉆孔深度不夠等，導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻沉陷或凍拔破壞，進(jìn)而造成樁柱上抬或下沉，形成“羅鍋橋”或橋體傾斜，成為危橋以至不能應(yīng)用。

在訥河市七大灌區(qū)的灌排渠系中，大多數(shù)的農(nóng)道橋的結(jié)構(gòu)形式為底梁式結(jié)構(gòu)(淺基)或灌注樁基礎(chǔ)(深基)兩種主要形式，還有一些爆破樁擴(kuò)大式基礎(chǔ)。

表1 訥河市現(xiàn)有農(nóng)橋運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)表

3 樁柱凍拔破壞的原理

樁柱凍拔現(xiàn)象是由作用于樁柱基礎(chǔ)側(cè)表面的凍切力產(chǎn)生的。當(dāng)?shù)鼗林械乃畠鼋Y(jié)成冰時(shí)，產(chǎn)生一種膠結(jié)力，將凍土與基礎(chǔ)側(cè)表面牢固的膠結(jié)在一起，膠結(jié)力又稱凍切力，凍結(jié)力與基礎(chǔ)材料性質(zhì)、粗糙程度、土的種類、溫度等條件有關(guān)。

凍土與基礎(chǔ)側(cè)表面首先產(chǎn)生膠結(jié)力，然后隨著基礎(chǔ)土產(chǎn)生凍脹時(shí)，體積增大，土顆粒間產(chǎn)生相對(duì)位移，但基礎(chǔ)側(cè)表面與土間的膠結(jié)力阻止土粒沿基礎(chǔ)側(cè)表面位移，從而產(chǎn)生凍切力，凍結(jié)力先于凍切力，并且是凍切力的極限值。切向凍脹力的值可參考表2。

表2 切向凍脹力參考值

當(dāng)凍土層發(fā)生向上凍脹位移時(shí)，由于凍層與樁柱凍結(jié)在一起，便產(chǎn)生一種使樁柱拔起的力，簡(jiǎn)稱凍拔力。凍拔力的條件式為:

式中:D為樁柱直徑;h為凍層深;H為不凍層深;f為土與基礎(chǔ)間摩擦力;ζ為凍切力;p為樁柱上部荷載;Q為樁柱自重。

當(dāng)凍拔力大于大于抵抗凍拔力之和時(shí)，樁柱便拔起，反之，樁柱則是穩(wěn)定的。

4 防治措施

目前我省防治樁柱凍拔破壞的措施有以下幾種:

1)增加樁柱打入深度進(jìn)而增大樁柱與土體間總的摩擦力，當(dāng)摩擦力大于切向凍脹力時(shí)，則基礎(chǔ)是穩(wěn)定的;根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地質(zhì)情況，當(dāng)樁柱深度＞15～20 m時(shí)，摩擦力＞1.5倍切向凍脹力，基礎(chǔ)可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)消除或減少凍切力:就是在樁柱周圍作各種隔層或涂層，比如涂瀝青、油渣來減少凍結(jié)力，從而達(dá)到減少凍切力的目的，一般較少用。

3)爆破樁基礎(chǔ):利用樁底部的大頭加大抗凍拔力，其原理是凍結(jié)期利用土體本身拉住樁柱被拔起，融化期不因融化層承載能力降低而使基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉陷，現(xiàn)在較少用。

4)在樁柱周圍換填砂礫石，減少凍脹力，但在地下水位較高，填料處于飽和狀態(tài)下，用作換填的砂礫石其粉黏粒含量一定要＜12%，才能達(dá)到預(yù)期效果，這種方法施工難度較大，防止凍拔的效果并不顯著，另外造價(jià)較高，一般很少用。

5)底梁式結(jié)構(gòu)，利用鋼筋混凝土梁將樁柱基礎(chǔ)相連以抵抗凍脹力。但這種基礎(chǔ)必須埋在土體最大凍深以下，中梁比邊梁的基礎(chǔ)要深，利用底梁的整體錨固能力抵抗凍拔力。結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 板梁式基礎(chǔ)示意圖

6)整體式底板，將整個(gè)樁柱設(shè)在一個(gè)整體底板上，見圖2。

圖2 整體式底板

這種結(jié)構(gòu)形式適用于流砂基礎(chǔ)或基礎(chǔ)范圍內(nèi)全部或部分為軟土地基的情況。