橋梁涵洞凍害的防治措施探究

馬海峰

摘 要：文章結(jié)合北方寒冷季節(jié)性凍土地區(qū)的特征，分析了橋梁涵洞凍害現(xiàn)象及原因，提出了有效防治凍害防治措施。

關(guān)鍵詞：凍害特征；破壞原因；防治措施

1、橋梁涵洞的凍害特征

1.1 洞身的凍脹隆起和融化下沉

涵洞一般順?biāo)鞣较蜉^長，通常由數(shù)節(jié)管組成，當(dāng)涵洞基礎(chǔ)較淺時，冬季各管節(jié)將由于凍脹作用產(chǎn)生不均勻的隆起，進出口管節(jié)凍脹隆起高度較大，愈往中間隆起高度愈小，使整體涵洞明顯呈凹曲型。在融化期，凍脹力消失，涵洞又開始產(chǎn)生融化下沉。季節(jié)凍土地區(qū)涵洞的凍脹隆起和融化下沉變化大體與上述過程相同，其不同特點主要在于多年凍土地區(qū)涵洞的融化下沉有逐年加大的趨勢。

1.2 擋墻開裂及涵洞管節(jié)錯位和脫離

涵洞進出口擋墻開裂是最常見的凍害現(xiàn)象。進出口管節(jié)凍脹上抬和融化下沉量一般大于中間管節(jié)，使靠近進出口管節(jié)與中部管節(jié)接縫處產(chǎn)生錯位；又由于凍脹和融沉的往復(fù)作用使各管節(jié)在接縫處脫離。管節(jié)在接縫處脫離和錯位使止水破壞，在滲流或水流直接的淘刷下往往導(dǎo)致涵洞在短期內(nèi)被破壞。當(dāng)涵洞管節(jié)過長或采用剛性接頭時，由于沿縱向不能適應(yīng)地基的凍脹或融沉變形，往往被折斷，產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

2、橋梁涵洞的凍害破壞原因

涵洞的凍害破壞主要是由于涵洞進出口及洞身中間部分的交換條件和上部荷載往往有很大差異，致使沿涵洞縱向產(chǎn)生不均勻凍脹或融沉變形。涵洞進出口直接與外界進行熱交換，冬季先凍結(jié)，地基的凍結(jié)深度和作用于底部的法向凍脹力都大于洞身中部，且一般涵洞進出口管節(jié)上部填土厚度也小于洞身中間部分。由于上述條件，在凍脹期，涵洞進出口管節(jié)先產(chǎn)生大于洞身中間管節(jié)的凍脹上臺；在融化期，進出口地基先融化，進出口管節(jié)先產(chǎn)生融化下沉。涵洞進出口管節(jié)和洞身中將管節(jié)凍脹上臺和融化下沉在時間和數(shù)量上的差異，是導(dǎo)致涵洞管節(jié)接縫錯位和脫離的主要原因。常見的涵洞進出口擋墻開裂，就是涵洞凍脹土上臺造成的結(jié)果。擋墻兩段插入渠提，中間部分被涵洞穿成缺口，當(dāng)涵洞進出口管節(jié)凍脹上臺時，將直接作用于擋墻缺口上部，而擋墻兩端受土體約束，中間部分斷面又小，這是擋墻開裂的主要原因。涵洞地基土的凍融作用，使管節(jié)接縫脫離、錯位，擋墻開裂，上述現(xiàn)象不能直接造成涵洞破壞，但可以為涵洞的滲漏和被淘刷毀壞創(chuàng)造條件，總的來說橋墩傾斜原因分析如下：

1）由于受水流沖刷的影響，使橋墩靠近水邊的一側(cè)土體逐漸減少，橋墩除受切向凍脹力作用外，還將受到坡面上下兩側(cè)不均勻水平凍脹力的作用。

2）橋墩基礎(chǔ)混凝土尺寸小，自重小，再加上橋墩基礎(chǔ)埋深不夠，基礎(chǔ)底部位于凍結(jié)線之上，橋墩基礎(chǔ)周邊除受凍切力作用外，其底部還將受到法向凍脹力作用；橋面荷載、橋墩自重不足以抵抗凍脹力作用時，橋墩基礎(chǔ)便產(chǎn)生凍脹上抬。

3）由于橋墩基礎(chǔ)兩側(cè)含水量條件不同，左側(cè)橋墩接近過水部分地基土壤含水量大，作用于基礎(chǔ)左側(cè)的水平凍脹力和切向凍脹力大于右側(cè)，在兩側(cè)不平衡力作用下使墩基礎(chǔ)向右傾斜。

3、橋梁涵洞凍害破壞的防治措施

涵洞的凍害可以通過改變地基土的凍脹條件或采取結(jié)構(gòu)措施來防治，一般選用以下五種防治措施。

3.1 換填措施

換填砂。對于厚度≤最大凍深的凍脹性敏感土（如粘性土、粉砂等），其下為透水砂或卵石；在整個凍結(jié)過程中地下水位始終低于凍結(jié)鋒面；夏季無沖刷，冬季無結(jié)冰的橋涵地基，可選用換填中粗砂的方法處理基礎(chǔ)凍害。但要嚴格控制換填材料質(zhì)量，如粉粘粒含量不得超過15 等。換填范圍一般為0.5至1.0m，換填深度至最大凍深；換填碎（卵）石。用換填碎（卵）石處理橋涵基礎(chǔ)凍害，它不受各種凍脹性敏感的土及其厚度限制，不受含水量限制，不受地下水位限制，是一種應(yīng)用范圍較廣，使用效果較好的方法。換填范圍和深度同換填中粗砂一樣要求；換填瀝青砂（卵石）。在強凍脹和特強凍脹地基中，橋涵基礎(chǔ)可用換填瀝青砂（卵石）的方法防治凍害。由于瀝青是一種憎水物質(zhì)，即在低溫狀態(tài)下也呈塑性狀態(tài)，因此瀝青砂（卵石）是一種較好的防凍性材料。可用4至7 的瀝青（渣油）和干凈的粗砂或卵石拌合均勻，然后分層回填并夯實（每層20至30cm）。換填范圍與深度同換填砂、碎（卵）石要求相同。

3.2 物理化學(xué)法

物理化學(xué)法有多種，一般常用的主要有人工鹽漬化改良土、用憎水物質(zhì)改良土和使土顆粒聚集或分散改良土三種方法。人工鹽漬化法是指向土體中加入一定量的可溶無機鹽類，如氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀等，使之成為人工鹽漬土。用憎水性物質(zhì)使地基土改良方法，是指在土中摻少量憎水性物質(zhì)，使土顆粒表面具有良好憎水性，減弱或消除地表水下滲和阻止地下水上升，使土體的含水量減少，進而削弱土體凍脹及地基土與建筑物間的凍結(jié)強度。通常用石油產(chǎn)品和其它化學(xué)表面活性劑摻到土中制作憎水土。為防治涵洞基礎(chǔ)在側(cè)表面切向凍脹力下上臺，可在其基礎(chǔ)側(cè)表面鋪設(shè)一定厚度的憎水土，其厚度一般在15cm至25cm。

3.3 保溫措施

保溫法是指在建筑物基礎(chǔ)底部或四周設(shè)置隔熱層，增大熱阻，以推遲地基土的凍結(jié)，提高土中溫度，減少凍結(jié)深度，進而起到防治凍脹的一種方法。保溫法用來作為隔熱的材料是相當(dāng)多的，如柴草、草皮、樹皮、爐渣、陶塊、泡沫混凝土、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫等等，在某些條件下，甚至像冰、雪等亦可做為隔熱材料。例如聚苯乙烯泡沫做為隔熱層在水利工程基礎(chǔ)防凍脹中經(jīng)常被利用，據(jù)有關(guān)試驗資料介紹，1cm厚的泡沫塑料保溫層相當(dāng)于14 cm 厚填土的保溫效果。這種設(shè)置可以提高凍結(jié)溫度，可以改變水分遷移方向，減少樁柱基礎(chǔ)附近的凍結(jié)強度，從而減少作用于基礎(chǔ)側(cè)表面的切向凍脹力值。保溫法是防治凍脹的有效方法之一，它所用的保溫材料來源廣泛，造價低廉，具有使用壽命長，運輸和施工方便等特點。可用來做為隔熱的材料是相當(dāng)多的，如草皮、樹皮、干草、爐渣、聚苯乙烯泡沫等。

3.4 結(jié)構(gòu)措施

將涵洞基礎(chǔ)置于凍層以下也是防止凍害的有效途徑之一，但在凍深加大地區(qū)修建小型涵洞往往基礎(chǔ)工程量較大。在寒冷地區(qū)許多工程實踐表明，小型涵洞自重力小，在凍脹力作用下難以維持自身穩(wěn)定，雖然涵洞失穩(wěn)也不影響涵洞正常運用，但可按允許凍脹變形進行設(shè)計，這種設(shè)計的關(guān)鍵是增強涵洞結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形的能力。

3.5 隔離法

指在基礎(chǔ)與周圍土質(zhì)間采用隔離的一種回避措施。使基礎(chǔ)側(cè)表面與土之間不產(chǎn)生凍結(jié)作用（即不產(chǎn)生凍結(jié)力），進而消除切向凍脹力對基礎(chǔ)的作用。樁柱基礎(chǔ)常用的是在基礎(chǔ)側(cè)表面涂料的隔離方法。就是采用收斂性不凍材料及憎水材料，涂刷基礎(chǔ)凍層內(nèi)的側(cè)表面，用來涂刷的材料有：樹脂、黑油、枸油、原油、瀝青瑪蹄脂、聚乙烯薄膜等。具體施工方法是，在回填前，清除凍層間樁柱表面的雜物臟土，然后在樁柱側(cè)表面涂刷5至10mm的黃油，用油氈紙或塑料薄膜包裹一層，再用黃油在油氈紙或塑料薄膜上涂刷，共用三層油氈紙或塑料薄膜包裹，回填時分層夯筑，同時注意不要碰破油氈紙或塑料薄膜，以防止該措施失效。

4、結(jié)語

隨著交通運輸事業(yè)的迅速發(fā)展，在我國北方寒冷季節(jié)性凍土地區(qū)修建了大量的橋涵工程。由于工程技術(shù)人員在當(dāng)時沒有認識和掌握季節(jié)性凍土的自然規(guī)律，以及未能相應(yīng)采取防治凍脹措施，致使許多橋梁涵洞出現(xiàn)凍害。它嚴重地影響了正常交通，危害了人民生命和財產(chǎn)的安全，給國家造成經(jīng)濟損失。所有如上所述問題，都有待廣大公路工作者進一步研究和探索。