多年凍土地區(qū)橋涵工程設(shè)計(jì)

吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

多年凍土地區(qū)橋涵工程設(shè)計(jì)

吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

我國幅員廣大的多年凍土區(qū)，約占全國總面積的22.3%。在這些地區(qū)從事工程建設(shè)，勢必要遇到大量的特有工程技術(shù)問題。文章從凍土的分布、橋涵的基礎(chǔ)類型、埋置深度等對凍土地區(qū)的橋梁和涵洞設(shè)計(jì)進(jìn)行了較細(xì)致的分析，并提出防止凍脹相應(yīng)的措施。

凍土;基礎(chǔ)類型;埋置深度;防凍措施;設(shè)計(jì)原則

1 河流溝谷多年凍土的分布

河溝多年凍土分布及類別與其它地貌單元有明顯的差別。這是由于地形、凍層土質(zhì)、植被、地下水活動(dòng)的不同而不同，尤其是水流的存在，使熱交換的介質(zhì)與過程不同，從而構(gòu)成了河溝凍土的各種特點(diǎn)。

1.1 水流的熱作用

由于水的熱容量大，在融化季節(jié)河水的平均溫度比地表平均氣溫高，水溫的差值比氣溫小。因此，在熱循環(huán)過程中，因水流與土層的溫差大，傳遞熱量多。因此地表水不斷流入地下水中，也把熱量帶進(jìn)土層里，對多年凍土起破壞作用，使凍土上限加深。

1.2 植被和覆蓋土的熱作用

河床上無草皮的地方，其凍土上限比有草皮的狀況下深0.2～0.3 m。河床表土的物理特征對多年凍土的影響很大。砂土較黏性土導(dǎo)熱系數(shù)大、熱容量小，故凍土上限較深。當(dāng)覆蓋土的含水量較大時(shí)，因熱容量大，則融化深度較小。

根據(jù)河流溝谷的形態(tài)、水流情況、植物和覆蓋土、地形特征等綜合作用的結(jié)果，形成河流溝谷多年凍土分布的特征。

2 橋梁基礎(chǔ)類型及設(shè)計(jì)原則

在多年凍土地區(qū)，合理選擇地基設(shè)計(jì)原則、基礎(chǔ)類型及埋置深度，是橋梁工程中重要技術(shù)問題。對于溫度低、厚度大、較為穩(wěn)定的地段，最好按保持凍土地基處于凍結(jié)狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則。反之應(yīng)采取允許凍土地基逐漸融化的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。

在多年凍土地區(qū)，常用幾種橋梁基礎(chǔ)類型的適用范圍如下:

2.1 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)在施工及使用過程中對地基多年凍土的熱動(dòng)態(tài)影響很小，符合保持地基凍土的凍結(jié)狀態(tài)的設(shè)計(jì)原則。由于凍土的人為上限深度較小，則不需要采取人工的保溫措施。它可適用于各種地基巖性、各類凍土及各種水文地質(zhì)條件地方;特別當(dāng)基底為冰層及飽冰凍土或地下水發(fā)育、河流施工水位高的深基礎(chǔ)、且基坑開挖困難時(shí)，采用此法更能發(fā)揮其優(yōu)越性。對提高施工進(jìn)度，降低造價(jià)，保證地基多年凍土的穩(wěn)定性等效果顯著。灌注樁計(jì)算公式按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》〔JTG－D63－2007〕中公式，進(jìn)行灌注樁入土深度和抗凍拔驗(yàn)算:

2.1.1 鉆孔灌注樁容許承載力計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中:［Ra］為單樁受壓承載力容許值;u為樁身周長;qik為樁側(cè)第i層土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qr為端阻處土的承載力容許值;Ap為樁端面積;m0為清底系數(shù);λ為修正系數(shù);［fa0］為樁端處土的承載力基本容許值;k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù);γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度;h為樁端的埋置深度

2.1.2 樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中:Fk為作用在樁頂上的豎向結(jié)構(gòu)自重，kN;Gk為樁自重，kN。式中:μ為樁的周長，m;τi為凍結(jié)線以下各土層對樁壁的極限磨阻力之和;Li為凍結(jié)線以下各土層的厚度;k為凍脹力修正系數(shù)。

式中:z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深;φzs為土的類別對凍深的影響系數(shù);φzw為土的凍脹性對凍深的影響系數(shù);φze為環(huán)境對凍深的影響系數(shù);φzg為地形坡向?qū)錾畹挠绊懴禂?shù);φzf為基礎(chǔ)對凍深的影響系數(shù);τsk為季節(jié)性凍土切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)地基承載力和抗凍拔穩(wěn)定計(jì)算，樁長由計(jì)算成果作為控制滿足設(shè)計(jì)要求。

在選擇鉆孔灌注混凝土樁基礎(chǔ)時(shí)，要根據(jù)橋址凍土特征、河流水文、地形特征進(jìn)行綜合比較。

2.2 明挖基礎(chǔ)

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為:混凝土圬工基礎(chǔ)，混凝土一字型橋臺(tái)，混凝土雙柱式墩臺(tái)，混凝土柱及實(shí)體墩臺(tái)等。

這種基礎(chǔ)，施工簡單，可以就地取材，是凍土地區(qū)橋基礎(chǔ)的主要類型。只要施工方法及工期安排合理，仍能保證基底多年凍土不致被破壞。如地基熱動(dòng)態(tài)及凍土上限在建橋后變化不大，故仍能按保持基底凍土凍結(jié)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從保持凍土的原則出發(fā)，冬季進(jìn)行基坑開挖較夏季有利，特別是地表水及地下水發(fā)育的河流，用天然凍結(jié)法施工，可以減小抽水及支撐作業(yè)?；A(chǔ)圬工應(yīng)采用低溫早強(qiáng)混凝土及防凍砂漿。夏季施工應(yīng)盡量減少基坑暴露時(shí)間，做到及時(shí)砌筑，及時(shí)回填。基礎(chǔ)及墩臺(tái)應(yīng)盡量用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。

2.3 打入樁及沉井

該種基礎(chǔ)不適用于地基為多年凍土的河流上，因?yàn)樵趦鐾林写驑都跋鲁脸辆掷щy。僅在個(gè)別融區(qū)或凍土上限很深的大河，經(jīng)過全面比較認(rèn)為合理可行時(shí)，方可采用。

3 橋梁基礎(chǔ)埋置深度

多年凍土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)埋置深度，除滿足基底強(qiáng)度，偏心穩(wěn)定性及沖刷深度等要求外，還要依據(jù)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原則及橋梁的結(jié)構(gòu)類型、基底凍土含冰量及凍土人為上限的深度，來滿足建筑物穩(wěn)定的要求。

為了保持基底凍土在長期人為活動(dòng)過程中凍結(jié)狀態(tài)，基礎(chǔ)的埋置深度要在人為上限以下。人為上限深度應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)類型及地基土層導(dǎo)熱性能，通過熱力計(jì)算確定。橋梁地基人為上限深度，建議按橋址天然上限深度乘一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來確定(通常為1.0～1.2)。

基礎(chǔ)深度在人為上限以下的，要根據(jù)基底的凍土類型、基礎(chǔ)類型及建筑物等級(jí)來詳細(xì)確定。一般對明挖基礎(chǔ)當(dāng)基底為融沉土?xí)r，建議≥0.5 m;基底為嚴(yán)重融沉土?xí)r≥1.0 m;當(dāng)樁基基底為嚴(yán)重融沉土、融沉土及微融沉土?xí)r，樁應(yīng)埋入人為上限以下≥4.0 m處。以上所述都是采用保持地基土凍結(jié)的原則時(shí)，基礎(chǔ)的埋深。

4 涵洞基礎(chǔ)埋置深度

涵洞基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)根據(jù)基底凍土特征、凍土上限變化規(guī)律和涵洞的結(jié)構(gòu)類型等條件綜合考慮、確定。

多年凍土地區(qū)涵洞布置及要求除遵循一般規(guī)定外，結(jié)合多年凍土特點(diǎn)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)盡可能原溝設(shè)涵，一般設(shè)一溝一涵，不宜合并。

2)溝底不宜下挖，亦不宜提高，盡可能按原溝床設(shè)涵。

3)涵洞孔徑除滿足一般地區(qū)要求外，在多年凍土區(qū)應(yīng)特別注意冰椎、冰丘、融凍泥流和有無產(chǎn)生積冰阻塞孔徑的可能性。

5 橋涵防止凍脹的措施

5.1 減少施工對多年凍土的熱擾動(dòng)

選擇合理的施工季節(jié)、施工方法和縮短工期是減少施工對多年凍土熱擾動(dòng)的技術(shù)措施，從而防止、減少橋涵凍害。

5.2 消除或削弱季節(jié)活動(dòng)層的凍脹和融沉

土體產(chǎn)生凍脹的影響因素很多，但土質(zhì)、水分及土中負(fù)溫值是產(chǎn)生凍脹的3大基本要素。如能消除或削弱這3個(gè)基本要素中的1個(gè)，原則上可以消除或削弱土體的凍脹，從而減少涵洞工程的凍害。換填橋涵地基土就是這種減弱土體凍脹的措施之一。只要能控制水源條件，同樣可以達(dá)到削弱或消除地基凍脹的目的。

5.3 增強(qiáng)橋梁涵洞自身抵抗和適應(yīng)凍融變形能力

涵洞結(jié)構(gòu)可選用下列型式:剛性結(jié)構(gòu)以抵抗凍脹、融沉變形對涵洞的危害;柔性結(jié)構(gòu)以適應(yīng)凍脹、融沉變形，使凍融變形對涵洞的危害減至最小。采用低溫、早強(qiáng)、耐久混凝土可抵抗風(fēng)化作用，提高結(jié)構(gòu)使用壽命。

5.4 人工冷卻地基

采用熱樁制冷技術(shù)，可使多年凍土地溫降低，強(qiáng)化多年凍土地基，減少或削弱凍土活動(dòng)層凍脹、融沉量，達(dá)到防止橋梁涵洞凍融破壞的目的。

6 結(jié)論

多年凍土橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以采取以下兩種設(shè)計(jì)原則即“保持凍土”和“容許融化”的原則。

［1］ 涅特里加.水工建筑物設(shè)計(jì)手冊［K］.北京:水利電力出版社，1992.

［2］ 中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.SL211－2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.

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1007－7596(2011)05－0078－02

2011－07－03

吳紅(1965－)，女，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師。