吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

多年凍土地區(qū)橋涵工程設計

吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，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，勢必要遇到大量的特有工程技術問題。文章從凍土的分布、橋涵的基礎類型、埋置深度等對凍土地區(qū)的橋梁和涵洞設計進行了較細致的分析，并提出防止凍脹相應的措施。

凍土;基礎類型;埋置深度;防凍措施;設計原則

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、植被、地下水活動的不同而不同，尤其是水流的存在，使熱交換的介質與過程不同，從而構成了河溝凍土的各種特點。

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。砂土較黏性土導熱系數(shù)大、熱容量小，故凍土上限較深。當覆蓋土的含水量較大時，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果，形成河流溝谷多年凍土分布的特征。

2 橋梁基礎類型及設計原則

在多年凍土地區(qū)，合理選擇地基設計原則、基礎類型及埋置深度，是橋梁工程中重要技術問題。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狀態(tài)的設計原則。反之應采取允許凍土地基逐漸融化的設計原則進行。

在多年凍土地區(qū)，常用幾種橋梁基礎類型的適用范圍如下:

2.1 鉆孔灌注樁基礎

樁基礎在施工及使用過程中對地基多年凍土的熱動態(tài)影響很小，符合保持地基凍土的凍結狀態(tài)的設計原則。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條件地方;特別當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、且基坑開挖困難時，采用此法更能發(fā)揮其優(yōu)越性。對提高施工進度，降低造價，保證地基多年凍土的穩(wěn)定性等效果顯著。灌注樁計算公式按《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》〔JTG－D63－2007〕中公式，進行灌注樁入土深度和抗凍拔驗算:

2.1.1 鉆孔灌注樁容許承載力計算

計算公式為:

式中:［Ra］為單樁受壓承載力容許值;u為樁身周長;qik為樁側第i層土的摩阻力標準值;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平均重度;h為樁端的埋置深度

2.1.2 樁基礎抗凍拔穩(wěn)定性計算

計算公式為:

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

式中:z0為標準凍深;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為地形坡向對凍深的影響系數(shù);φzf為基礎對凍深的影響系數(shù);τsk為季節(jié)性凍土切向凍脹力標準值。

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

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

2.2 明挖基礎

基礎結構型式為:混凝土圬工基礎，混凝土一字型橋臺，混凝土雙柱式墩臺，混凝土柱及實體墩臺等。

這種基礎，施工簡單，可以就地取材，是凍土地區(qū)橋基礎的主要類型。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狀態(tài)進行設計。從保持凍土的原則出發(fā)，冬季進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，用天然凍結法施工，可以減小抽水及支撐作業(yè)。基礎圬工應采用低溫早強混凝土及防凍砂漿。夏季施工應盡量減少基坑暴露時間，做到及時砌筑，及時回填?；A及墩臺應盡量用預制拼裝結構。

2.3 打入樁及沉井

該種基礎不適用于地基為多年凍土的河流上，因為在凍土中打樁及下沉沉井均十分困難。僅在個別融區(qū)或凍土上限很深的大河，經(jīng)過全面比較認為合理可行時，方可采用。

3 橋梁基礎埋置深度

多年凍土地區(qū)橋梁基礎埋置深度，除滿足基底強度，偏心穩(wěn)定性及沖刷深度等要求外，還要依據(jù)基礎的設計原則及橋梁的結構類型、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過程中凍結狀態(tài)，基礎的埋置深度要在人為上限以下。人為上限深度應根據(jù)基礎類型及地基土層導熱性能，通過熱力計算確定。橋梁地基人為上限深度，建議按橋址天然上限深度乘一個經(jīng)驗系數(shù)來確定(通常為1.0～1.2)。

基礎深度在人為上限以下的，要根據(jù)基底的凍土類型、基礎類型及建筑物等級來詳細確定。一般對明挖基礎當基底為融沉土時，建議≥0.5 m;基底為嚴重融沉土時≥1.0 m;當樁基基底為嚴重融沉土、融沉土及微融沉土時，樁應埋入人為上限以下≥4.0 m處。以上所述都是采用保持地基土凍結的原則時，基礎的埋深。

4 涵洞基礎埋置深度

涵洞基礎埋置深度應根據(jù)基底凍土特征、凍土上限變化規(guī)律和涵洞的結構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，結合多年凍土特點應注意以下幾點:

1)盡可能原溝設涵，一般設一溝一涵，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

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的技術措施，從而防止、減少橋涵凍害。

5.2 消除或削弱季節(jié)活動層的凍脹和融沉

土體產(chǎn)生凍脹的影響因素很多，但土質、水分及土中負溫值是產(chǎn)生凍脹的3大基本要素。如能消除或削弱這3個基本要素中的1個，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，同樣可以達到削弱或消除地基凍脹的目的。

5.3 增強橋梁涵洞自身抵抗和適應凍融變形能力

涵洞結構可選用下列型式:剛性結構以抵抗凍脹、融沉變形對涵洞的危害;柔性結構以適應凍脹、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、耐久混凝土可抵抗風化作用，提高結構使用壽命。

5.4 人工冷卻地基

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

6 結論

多年凍土橋涵地基基礎設計可以采取以下兩種設計原則即“保持凍土”和“容許融化”的原則。

［1］ 涅特里加.水工建筑物設計手冊［K］.北京:水利電力出版社，1992.

［2］ 中水東北勘測設計研究有限責任公司.SL211－2006水工建筑物抗冰凍設計規(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，高級工程師。