雷曉峰
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)
位于青海西部柴達(dá)木盆地的察爾汗鹽湖,是世界上最大的鹽湖。于1984年通車的西寧至格爾木鐵路是目前我國(guó)唯一一條穿越該鹽湖的鐵路,全線有32 km修建在鹽湖上。既有西格鐵路建設(shè)時(shí),曾對(duì)鹽湖區(qū)橋涵設(shè)計(jì)建造的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行過(guò)一些試驗(yàn)研究。西格線于2005年開(kāi)工建設(shè)二線,此次在察爾汗鹽湖區(qū)增設(shè)了部分橋梁工點(diǎn)。在總結(jié)既有線相關(guān)設(shè)計(jì)、研究及施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本次設(shè)計(jì)中對(duì)鹽湖區(qū)橋涵的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造措施、防腐問(wèn)題及鹽湖區(qū)橋涵的施工方法等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,提出了相對(duì)可行的對(duì)策措施。
察爾汗鹽湖是一個(gè)內(nèi)陸湖,位于柴達(dá)木盆地的中南部,東西長(zhǎng)150 km,南北寬30~40 km,面積約5 000 km2;高程2 670~2 680 m,地形平坦,四周高山相圍,濕空氣難以侵入。該地區(qū)歷年最高氣溫35.5 ℃,最低氣溫-28.4 ℃,最大日溫差達(dá)28.8 ℃;年平均相對(duì)濕度僅有28%,年均降水量25 mm,蒸發(fā)量高達(dá)3 561 mm,為降水量的140倍以上,是我國(guó)最為干旱少雨的地區(qū)之一。
察爾汗鹽湖為內(nèi)陸封閉型高濃度近代鹽盆,由于干燥少雨、多風(fēng)、溫差大,湖面受強(qiáng)烈蒸發(fā)作用結(jié)晶成鱗狀起伏的干硬鹽殼,厚0.2~0.6 m,因受大氣降塵影響呈土黃色。鹽殼以下為結(jié)晶鹽粒,部分化學(xué)弱膠結(jié),巖芯呈松散~短柱狀,局部具明顯鹽溶現(xiàn)象,夾有粉質(zhì)黏土及粉土薄層,具鹽晶礫質(zhì)結(jié)構(gòu)。鹽晶孔隙之間全部充滿鹵水,水位距地表0.2~0.8 m,礦化度一般為310~410 g/L,最大達(dá)440 g/L(飽和狀態(tài)),相對(duì)密度1.2~1.3。鐵路通過(guò)地段的最大鹽層厚度為17.7 m,巖鹽中氯化鈉的平均含量在70%以上,其他為氯化鎂和氯化鉀等。巖鹽強(qiáng)度隨鹽晶固結(jié)程度、孔隙率和含泥率的不同而變化很大,不受溶蝕影響的天然巖鹽強(qiáng)度遠(yuǎn)大于一般土體。巖鹽底部地層以湖積的粉質(zhì)黏土,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,粉土及細(xì)、中砂為主,這些土層組成第一層承壓水層,一般厚5~8 m,地下潛水礦化度50~294 g/L。
鹽湖以南至格爾木之間,有55 km的超氯鹽漬土及亞氯亞硫酸鹽漬土地段。超氯鹽漬土地段長(zhǎng)22 km,地表1 m深度內(nèi)平均含鹽量8.3%~37.6%(其中硫酸鹽含量為0.4%~1.5%),地表一般結(jié)成較堅(jiān)硬的鹽殼,厚0.15~0.30 m(鹽殼含鹽量一般為40%~55%,最多達(dá)70%以上)。地表下3~5 m以砂黏土、黏砂土為主,下部則以粉細(xì)砂為主,多屬易液化地層,地下水深0.3~2 m,礦化度80~300 g/L。亞氯亞硫酸鹽漬土地段長(zhǎng)約33 km,地表1 m深度內(nèi)平均含鹽量為9.6%~24%(其中硫酸鹽含量超過(guò)2%)。地表一般有一層厚0.1~0.25 m的鹽殼,堅(jiān)硬程度不一,其總含鹽量為40%~80%,屬氯鹽漬土,但其中硫酸鹽含量也較大,一般為4%~12%。在鹽殼以下的鹽漬土,一般總含鹽量小于5%,硫酸鹽含量小于2%。地表1 m范圍內(nèi)的地層一般以黏砂土為主,再以下為砂黏土或黏砂土、粉細(xì)砂互層,地下水深0.5~4 m,礦化度一般為4~6 g/L。
以上這種含有巖鹽和鹽漬土的地層統(tǒng)稱為含鹽地層。
含鹽地層作為一類特殊的工程地質(zhì)體,其工程性能具有易變性、各向異性以及凍脹性等特點(diǎn)。由于含鹽地層中含有易溶鹽,巖、土體的物理力學(xué)性質(zhì)將會(huì)因環(huán)境因素如氣候、地下水和受力性質(zhì)的改變而發(fā)生明顯變化。這必然會(huì)引起許多地基病害,危及建于其上的構(gòu)筑物。
含鹽地層與一般土一樣,也有固、液、氣三相,但土中含有鹽分,其中的難溶鹽類,由于始終呈固相,可看作土的顆粒部分;而其中的易溶鹽則會(huì)因?yàn)橥饨鐥l件的改變而發(fā)生相態(tài)的變化,當(dāng)土中含水量增加時(shí),固態(tài)易溶鹽就會(huì)溶于水而變?yōu)橐簯B(tài),而當(dāng)溫度升高,鹽的溶解度增加,也會(huì)導(dǎo)致固態(tài)的結(jié)晶鹽向液態(tài)溶液轉(zhuǎn)化。反之,當(dāng)土中水分減少或溫度降低時(shí),溶液中的鹽分就會(huì)重新從液態(tài)結(jié)晶轉(zhuǎn)化到固態(tài)。
含鹽地層中各種易溶鹽的性質(zhì)各不相同,氯化物的溶解度大,有明顯吸濕性,結(jié)晶時(shí)體積不發(fā)生變化,能使冰點(diǎn)顯著降低;硫酸鹽沒(méi)有吸濕性,但在結(jié)晶時(shí)會(huì)結(jié)合水分子而使體積增大。在干旱氣候條件下,高礦化度的地下水會(huì)通過(guò)土壤的毛細(xì)作用從地下上升,水分蒸發(fā)后鹽類從溶液中結(jié)晶析出,在地表聚集。含鹽地層表層的含鹽量大,表層以下隨深度增加含鹽量相對(duì)減少。
在干燥狀態(tài)下,含鹽地層的力學(xué)性能較好,可以作為地基材料,但在浸水條件下,其力學(xué)性能迅速降低。含鹽地層的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨含鹽量的增加而增加。巖鹽垂直于層理和平行于層理方向的單軸抗壓強(qiáng)度比為1.5∶1,含有軟弱夾層的巖鹽,主要是軟弱層對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度起決定作用。巖鹽的固結(jié)程度相差懸殊,在一些溶蝕強(qiáng)烈地段,鹽晶顆粒成散粒狀分布,粘結(jié)力很弱,單軸抗壓強(qiáng)度小于0.15 MPa;粘結(jié)力很強(qiáng)時(shí),單軸抗壓強(qiáng)度大于5 MPa,破壞時(shí)出現(xiàn)晶內(nèi)破斷的現(xiàn)象。
2.3.1 強(qiáng)腐蝕性
含鹽地層的腐蝕可以分為物理腐蝕、化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕。物理腐蝕是指鹽溶液滲入混凝土等多孔材料內(nèi)部,在溫度、濕度變化條件下,鹽類結(jié)晶膨脹而導(dǎo)致材料破壞?;瘜W(xué)腐蝕則主要是鹵水中的硫酸鹽等與水泥制品中的Ca(OH)2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致混凝土體積膨大而開(kāi)裂剝落。氯鹽的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕,氯離子的破壞主要表現(xiàn)為從混凝土表面逐漸擴(kuò)散滲入混凝土內(nèi)部,使鋼筋嚴(yán)重銹蝕破壞。
察爾汗鹽湖氣候極端干旱、溫差大、大風(fēng)頻繁,除了幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)的氯化鈉,鹽湖晶間鹵水還含有大量的侵蝕介質(zhì)SO42-、Mg2+,所以結(jié)構(gòu)物因以上幾種腐蝕而引起的破壞相當(dāng)嚴(yán)重,特別是混凝土結(jié)構(gòu)地面以上干濕交替變化區(qū)的破壞速度和破壞程度都很劇烈。
2.3.2 鹽溶
鹽溶按其形態(tài)可分為溶塘、溶溝與溶洞3種,溶洞是鹽溶的主要形態(tài)。鹽溶的形成主要是由于低礦化度承壓水滲入巖鹽層底部發(fā)生溶蝕的結(jié)果,當(dāng)溶蝕貫通整個(gè)巖鹽層、洞口裸露于地表時(shí),形成明洞。當(dāng)溶蝕未貫通整個(gè)巖鹽層時(shí),溶洞埋藏于鹽層內(nèi),形成鹽溶暗洞。由于鹽溶暗洞埋藏在鹽層內(nèi)部,常規(guī)檢查難以發(fā)現(xiàn),而且?guī)r鹽未經(jīng)地質(zhì)成巖作用,晶體之間聯(lián)結(jié)較弱,若不采取有效的防治措施,隨著低礦化度承壓水的滲入溶洞將不斷發(fā)展,洞頂鹽層厚度逐漸減小,當(dāng)洞頂鹽層減小到一定厚度時(shí)將不足以支持上部結(jié)構(gòu)自重和活載而發(fā)生坍塌,直接危及結(jié)構(gòu)物的安全。
2.3.3 地表水溶蝕
1986年~1989年期間發(fā)生在鹽湖地區(qū)的特大洪水,使達(dá)布遜湖水水域面積迅速擴(kuò)大,湖水礦化度降低,約20 km巖鹽路基遭受洪水危害,路基基底被溶蝕出許多大小不等的空洞,路基下沉,嚴(yán)重危及行車安全。因此,為了防止橋址區(qū)地基土被地表水溶蝕,必須研究結(jié)構(gòu)物地基土防水溶蝕的技術(shù)措施,探求經(jīng)濟(jì)可行的防水、隔水方式,防止洪水對(duì)整個(gè)橋址特別是基礎(chǔ)區(qū)土層的溶蝕,確保結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定。
2.3.4 沉降與溶陷
含鹽地層浸水以后,由于所含鹽分的溶解,土體的壓縮性明顯增大。在自重及附加基底應(yīng)力的作用之下,會(huì)產(chǎn)生類似于濕陷性黃土的壓密沉降。除了壓密沉降外,浸水使含鹽地層中的鹽類溶解還會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的附加溶陷。溶陷量的大小與浸水量、浸水時(shí)間、土中鹽的種類和含量以及土的類別有關(guān)。
2.3.5 鹽脹
含鹽地層中鹽類因溫度或濕度變化結(jié)晶膨脹的現(xiàn)象稱為鹽脹。很多鹽類在結(jié)晶時(shí)都有一定的膨脹性,比如硫酸鈉在結(jié)晶時(shí)可以吸收10個(gè)水分子而使體積達(dá)到原來(lái)的3倍。鹽脹主要對(duì)淺基礎(chǔ)和附屬結(jié)構(gòu)如鋪砌護(hù)面等造成破壞。
(1)鹽湖地區(qū)降雨量極小,幾乎不會(huì)形成大的地表逕流,所以一般情況下沒(méi)有必要設(shè)置用于排洪的橋涵。個(gè)別橋梁主要是因立交而設(shè)的公路跨越鐵路的跨線立交橋,涵洞主要是為一些穿越鐵路的管線而設(shè)的護(hù)涵,個(gè)別涵洞用來(lái)平衡鐵路路基兩側(cè)的水位。
(2)為了適應(yīng)含鹽地層這種特殊的地基條件,橋梁一般宜選用小跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)或單孔箱形橋,以適應(yīng)可能產(chǎn)生的較大的基礎(chǔ)沉降量。涵洞首選以不銹鋼制作的金屬波紋管涵。有立交需要且地下水位低的地方,可以少量采用一些建筑高度低、預(yù)制拼裝的鋼筋混凝土矩形涵洞。
(3)為了保證施工質(zhì)量、減少施工期對(duì)巖鹽環(huán)境的破壞,應(yīng)盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)混凝土的澆筑量,可以采用預(yù)制拼裝技術(shù)。
(4)涵洞全部采用明挖基礎(chǔ),如果基底巖鹽層及其以下的流塑狀土層總厚度小于3 m,可以將其全部挖除,以砂礫石換填;當(dāng)鹽殼或巖鹽層厚度小于3 m,但其下有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層等承載力較低的土層時(shí),可以采用擠密砂(碎石)樁加固地基,并將上部巖鹽層全部挖除換填;如果巖鹽層厚度大于3 m,為了防止鹽溶暗洞,提高地基承載能力,也采用擠密砂(碎石)樁加固地基。對(duì)于巖鹽內(nèi)的溶洞,采用礫砂回填搗實(shí),并用就地取材的地下飽和鹵水(晶間鹵水)拌和的泥漿灌注密實(shí)。
(5)位于鹽湖中部巖鹽較厚地層上的橋涵,由于地下水的礦化度很高,加之巖鹽下存在承壓水,所以不宜采用鉆孔灌注樁,主要以明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)為主。如果基底巖鹽層及其以下的軟弱土層總厚度小于3 m,可以將其全部挖除,以砂礫石換填。當(dāng)基底以下巖鹽層厚度大于10 m時(shí),采用擠密砂(碎石)樁加固地基。當(dāng)基底以下巖鹽層厚度小于10 m且大于3 m時(shí),可以在巖鹽層鉆孔,等穿透巖鹽層以后,再打入鋼管樁至硬土層,鋼管樁接鋼筋混凝土承臺(tái)。位于鹽湖邊緣的超氯鹽漬土及亞氯亞硫酸鹽漬土地段,在不穿透承壓水層的情況下,可以采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),鉆孔樁樁徑不宜小于1.25 m。
(6)將明挖基礎(chǔ)及承臺(tái)的底面置于地下水常水位以下1 m左右,頂面高于水位1 m左右。
(7)為防止淡水侵蝕基礎(chǔ)附近地層,可在基礎(chǔ)四周15 m范圍內(nèi)用黏性土填筑防護(hù)平臺(tái),外圍邊坡頂至坡面鋪砌基底用土工合成材料(兩布一膜)作為封閉層,封閉層上用預(yù)制混凝土板鋪砌,筑成擋淡水的屏障,御淡水于橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之外。
基礎(chǔ)混凝土采用耐久混凝土,耐久混凝土配制的基本原則包括:選用低水化熱和較低含堿量的水泥;選用高效減水劑,取用偏低的水膠比;限制混凝土中膠凝材料的用量,并盡可能降低膠凝材料中硅酸鹽水泥的用量;大比例摻加粉煤灰、硅粉、磨細(xì)高爐礦渣粉等礦物摻和料;適當(dāng)采用引氣劑提高混凝土的耐久性,并嚴(yán)格控制原材料引入的氯離子總量?;A(chǔ)采用C50耐久混凝土,最大水膠比0.36,最小膠凝材料用量400 kg/m3,混凝土12周齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于1.5×10-12m2/s;附屬工程采用C45耐久混凝土,最大水膠比0.40,最小膠凝材料用量360 kg/m3。
只有根據(jù)環(huán)境和結(jié)構(gòu)合理確定鋼筋保護(hù)層厚度,才能有效地對(duì)鋼筋提供保護(hù),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性。承臺(tái)及明挖基礎(chǔ)鋼筋凈保護(hù)層最小厚度取90 mm,鉆孔樁鋼筋凈保護(hù)層最小厚度取100 mm。
(1)鋼筋阻銹劑:鋼筋阻銹劑是一種能抑制或延緩鋼筋電化學(xué)腐蝕的化學(xué)外加劑,混凝土中只要能夠保持必要濃度的阻銹劑,鋼筋就可以長(zhǎng)期不銹。在基礎(chǔ)混凝土內(nèi)摻加鋼筋阻銹劑,阻銹劑摻量為15 kg/m3。
(2)不銹鋼鋼筋:雖說(shuō)環(huán)氧涂層鋼筋可以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命,但其環(huán)氧涂層極易損傷,施工質(zhì)量難以控制。所以在這種超強(qiáng)腐蝕環(huán)境中,可以采用不銹鋼鋼筋,比如奧氏體的304型和316型不銹鋼,具有良好的耐腐蝕性、低溫韌性、加工及焊接性能。
(3)混凝土表面防腐涂裝:先在明挖基礎(chǔ)或承臺(tái)的側(cè)面及頂面,涂刷滲透結(jié)晶型混凝土防水防護(hù)劑或進(jìn)行硅烷浸漬處理,再進(jìn)行混凝土保護(hù)涂裝的施工,涂裝層由3層組成,底層噴涂環(huán)氧樹(shù)脂封閉漆;中間層先刮涂環(huán)氧膩?zhàn)?再噴涂300 μm厚的環(huán)氧樹(shù)脂漆;面層噴涂100 μm厚的聚氨酯磁漆;涂層總干膜平均厚度為400 μm。
(4)透水模板襯里:澆筑混凝土?xí)r采用帶透水襯里的模板,可消除混凝土表面的氣泡、砂線,減少表面裂縫,明顯改善混凝土保護(hù)層的施工質(zhì)量,并使混凝土表層密實(shí)。在這種超強(qiáng)腐蝕區(qū),基礎(chǔ)側(cè)面應(yīng)采用透水模板襯里施工。
(5)纖維混凝土:在混凝土中摻加聚丙烯纖維,能有效控制混凝土的裂紋,大大改善混凝土的防裂抗?jié)B性能。明挖基礎(chǔ)及承臺(tái)混凝土中摻加聚丙烯纖維,纖維細(xì)度18~20 μm,摻加量為0.9~1.2 kg/m3。
(6)硅烷浸漬:硅烷浸漬劑對(duì)高性能混凝土有著非常好的防護(hù)效果,吸水率下降50%,氯化物吸收量降低值大于91%,滲透深度達(dá)到4 mm以上。含鹽地層橋涵基礎(chǔ)的頂面及側(cè)面均采用硅烷浸漬處理。
采取措施嚴(yán)格控制混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫,延緩結(jié)構(gòu)的腐蝕。比如承臺(tái)施工時(shí)棄用鋼筋混凝土套箱而改用鋼套箱,承臺(tái)混凝土由多次灌注改為一次灌注。冬季澆筑混凝土?xí)r,混凝土入模溫度不低于5 ℃;夏季混凝土入模溫度不宜高于氣溫且不超過(guò)30 ℃;當(dāng)周圍大氣溫度與養(yǎng)護(hù)中的混凝土表面溫度之差超過(guò)20 ℃時(shí),混凝土必須覆蓋保溫。為了減少混凝土表面的裂縫,除了設(shè)置受力鋼筋外,在主鋼筋保護(hù)層內(nèi)距混凝土表面32 mm處再設(shè)置一層不銹鋼防裂網(wǎng)片。
鋼管樁表面涂裝加強(qiáng)型3層環(huán)氧涂層,底層為厚度大于300 μm的重防腐型SEBF-6-1型涂料,中間層采用厚度大于300 μm的SEBF-6-2型環(huán)氧粉末涂層,面層采用厚度大于200 μm的SEBF-6-3涂層,3層總體涂層厚度大于800 μm。鋼管樁也可以采用不銹鋼鋼材制作。
由于橋涵基礎(chǔ)大部分需要現(xiàn)澆施工,所以在巖鹽地層中如何保證基礎(chǔ)的施工質(zhì)量至關(guān)重要。圖1為西格二線某跨線立交橋的基礎(chǔ)施工方案圖,基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),地基采用擠密碎石樁加固。為防止施工期間鹵水對(duì)未凝固的混凝土造成破壞,碎石樁及墊層施工完成以后,將基坑內(nèi)的鹵水抽干,在基底鋪設(shè)碾壓30 cm厚的瀝青混凝土隔離層,基礎(chǔ)周圍用30號(hào)石油瀝青浸漬普通磚砌筑一圈厚50 cm、高出地面0.5 m的護(hù)壁,護(hù)壁內(nèi)側(cè)及基底用一氈兩油作為第一道防水層,然后在第一道防水層上噴涂2 mm厚的STAN02防腐抗?jié)B防護(hù)膜,最后澆筑基礎(chǔ)混凝土?;A(chǔ)施工完且其防腐保護(hù)層及防腐涂裝施工好以后,再以C45纖維混凝土回填瀝青磚護(hù)壁與基礎(chǔ)、臺(tái)身之間的空隙。地面以上2 m至基頂范圍內(nèi)的臺(tái)身在混凝土表面防腐涂裝層施工完以后再以30 cm厚的C45纖維混凝土包裹。
圖1 橋臺(tái)基礎(chǔ)施工方案(單位:cm)
含鹽地層特別是巖鹽地層中鉆孔灌注樁施工的難點(diǎn)是成孔和灌注混凝土。如果在鉆孔過(guò)程中使用常規(guī)的淡水泥漿,將會(huì)使樁周含鹽地層中的結(jié)晶鹽粒溶化,從而無(wú)法保證成孔過(guò)程中的孔壁穩(wěn)定。采用水溶抑制性泥漿(如飽和鹽水泥漿或油基泥漿)可以避免以上問(wèn)題,鋼護(hù)筒跟進(jìn)工藝也能保證順利成孔。為了保證樁身混凝土的質(zhì)量,在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以前,必須將灌注后的混凝土與樁周的土體和高礦化度地下水嚴(yán)格隔離,防止腐蝕介質(zhì)滲入還未達(dá)到強(qiáng)度的樁身混凝土內(nèi)。目前有一種裹體樁技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),其主要方法就是在鋼筋籠外側(cè)套一層高強(qiáng)度防腐型土工布袋。裹體樁的關(guān)鍵技術(shù)是土工布袋的安裝。
鹽湖區(qū)的含鹽地層是一類特殊的工程地質(zhì)體,設(shè)計(jì)中必須根據(jù)具體的地層選用合適的基礎(chǔ)類型及地基加固處理方式。含鹽地層中混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕十分嚴(yán)重,因此必須全面研究結(jié)構(gòu)的防腐問(wèn)題,制定各類基礎(chǔ)的綜合防腐蝕方案,延長(zhǎng)其使用壽命。含鹽地層中的基礎(chǔ)施工不同于常規(guī)地區(qū),為了保證施工質(zhì)量,需對(duì)各種基礎(chǔ)特別是鉆孔灌注樁的施工方法進(jìn)行深入研究。
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