周有祿,熊治文,王起才,李建新

青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形特征及成因分析

周有祿1,2,熊治文2,王起才1,李建新1

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000)

根據(jù)對青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁工程出現(xiàn)的主要變形進行的現(xiàn)場調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,總結青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形病害現(xiàn)狀及特點,揭示病害機理,對橋梁墩臺變形機理、發(fā)展趨勢和變化規(guī)律進行分析,提出通過改善地基多年凍土環(huán)境、減少地基土凍脹及增加樁基承載力等方式來控制橋梁墩臺變形的整治措施,以保證青藏鐵路的可持續(xù)安全運營。

青藏鐵路;多年凍土;橋梁墩臺;變形;整治

青藏鐵路經過中、低緯度地帶海拔最高、多年凍土分布面積最廣、厚度最大、溫度較低的地區(qū),其自然條件惡劣,工程地質條件復雜。青藏鐵路格拉段穿越多年凍土區(qū)長約547 km,橋梁共有675座總長159 km,其中多年凍土區(qū)橋梁447座總長118.6 km,分別占格拉段橋梁總數(shù)和總長的66.2%和74.6%,保持多年凍土區(qū)橋梁良好的技術狀態(tài)對青藏鐵路的安全運營意義重大。

多年凍土區(qū)橋梁病害問題的實質是橋梁墩臺的變形,而橋梁墩臺變形是地基-基礎系統(tǒng)綜合作用的結果。因此,對運營后多年凍土區(qū)橋梁工程出現(xiàn)的主要技術問題進行現(xiàn)場調查,找出多年凍土區(qū)橋梁墩臺的變形特點,分析變形成因及趨勢,提出青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形綜合整治措施,對保證青藏鐵路的安全運營具有重要意義。

1 多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形概況

據(jù)調查,墩臺變形較嚴重的16座分布在昆侖山至扎加藏布。其中只有1座位于融區(qū),其余15座均位于多年凍土區(qū),且屬高含冰量多年凍土,其中這15座橋有8座橋地基土屬高溫凍土,7座屬低溫凍土。融區(qū)橋下是常年性河流,其他15座處在季節(jié)性河流上。16座病害橋梁有單孔橋8座,多孔橋8座;面向拉薩,有7座橋梁為上坡,最大坡度20‰;7座橋是下坡,最大坡度15‰;2座橋梁是水平的?？梢?上述病害橋梁與多年凍土條件是密切相關的。

2 多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形病害特征分析

2.1 多年凍土區(qū)橋梁墩、臺變形病害形式

通過調查發(fā)現(xiàn)橋梁主要病害形式有:①墊石裂縫;②部分梁端上翼緣或下翼緣頂緊,成了剛性接觸;③限位塊裂縫或斷裂;④支座移動;⑤抗震樁破壞。這些病害現(xiàn)象均反映出橋梁的墩臺發(fā)生過異常變形,見圖1～圖4。

圖1 橋臺墊石裂縫

圖2 梁左側上翼緣頂緊

圖3 橋臺限位塊斷裂

圖4 橋臺支座移動

2.2 多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形特征

從16座病害橋梁中,根據(jù)橋跨、線路縱坡、凍土條件等綜合考慮,選取變形較大且具有代表性的橋梁進行如下分析。

例如A橋的變形情況為:橋臺自2009年1月至2009年10月豎向變形量很小,在2009年10月至2010年4月緩慢脹起,其后又開始回落,總體上豎向變形穩(wěn)定,遵循“寒季脹起,暖季回落”規(guī)律。B橋主要變形情況為:橋臺在整個觀測期間內沉降變形量很小;1號墩發(fā)生沉降,變形主要發(fā)生在2009年及2010年暖季,累計變形量達8 mm;2號墩整體發(fā)生沉降變形,最大為4 mm;橋臺觀測期內呈“寒季脹起,暖季沉降”的趨勢,最大凍脹變形量為5 mm,差異變形不明顯。C橋主要變形情況如下。

(1)沉降變形

該橋臺、1號橋墩的沉降變形曲線見圖5、圖6 (注:負值代表沉降,正值代表脹起)。

由圖5和圖6可以看出,觀測期內,該大橋橋臺略有脹起,最大達到7 mm;1號墩的豎向變形均較小。橋臺有“寒季脹起”的現(xiàn)象?？偟膩碚f,該大橋在觀測期間的豎向變形方面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 C橋臺沉降變形曲線

圖6 C橋1號墩沉降變形曲線

(2)縱向變形

觀測期間該橋臺傾斜角度變化曲線見圖7(注:以拉薩方向為前進方向,正值表示前傾即向前進方向傾斜,負值表示后傾即向格爾木方向傾斜)。圖中傾斜角度為橋臺前墻邊線與豎直線間夾角相對于初始值的變化量。

圖7 C橋臺傾斜角度變化曲線

該橋臺的傾斜觀測自2009年9月開始。觀測期間橋臺傾斜變化量很小,但總的趨勢是向前傾。

該橋臺胸墻與左右片梁端間距變化曲線,見圖8、圖9(注:負值代表間距減小,正值代表間距增大)。

圖8 C橋臺線路左側梁端間距變化曲線

圖9 C橋臺線路右側梁端間距變化曲線

由圖8、圖9可以看出:該橋臺與梁端間距自2009年4月～9月和2010年4月～9月間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,在10月至次年3月間呈相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于每年4月初天氣轉暖,至9月氣溫多處于正溫狀態(tài),梁體出現(xiàn)受熱伸長現(xiàn)象,故梁端與橋臺胸墻的間距減小;相反,10月至次年3月間,氣溫處于大幅降溫或較低負溫狀態(tài)下,梁體長度應變小,梁端與橋臺胸墻的間距應增大,則觀測到的10月至次年3月間梁端與橋臺胸墻的間距相對不變的現(xiàn)象說明,橋臺和1號墩之間相對距離減小。綜合橋臺墊石出現(xiàn)的壓剪裂縫、1號墩支座螺栓彎曲現(xiàn)象和圖7橋臺在11月至次年2月有前傾趨勢,可以判定該橋橋臺在寒季向前傾斜。

3 多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形病害原因分析

對C橋多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形的原因加以分析,并總結出病害橋梁墩臺的變形機理。該橋位于昆侖山區(qū),地勢起伏較大,左高右低,植被稀疏。橋頭路基結構為“片石路基+片石護道”,路基沉降變形量較大,導致片石護道內側形成陷槽,擋水埝與路基坡腳之間排水不暢,水從路基基底滲過,熱侵蝕嚴重(圖10)。

圖10 橋頭路基左側坡腳積水

該橋上限附近存在高含冰量多年凍土,橋頭路基右側路肩填高6.4 m,8.2～9.2 m(圓礫土)為含土冰層,但是在9.2～10.5 m為融土,由勘察試驗資料可知該層含水飽和。這主要是由于基底過水熱侵蝕造成含冰量較低部位融化形成的。

該橋橋頭路基填料粉黏粒含量為25.8%,通過對該橋橋頭路基土體進行開敞系統(tǒng)下的凍脹性試驗,其凍脹率達14.9%,為特強凍脹土體。觀測發(fā)現(xiàn),橋臺下地基土粉黏粒含量較高,為特強凍脹土體。該橋工程地質斷面見圖11。

圖11 C橋臺及橋頭路基工程地質斷面

該橋天然地面孔地溫曲線和橋臺后左路肩地溫曲線見圖12、圖13,天然地面孔、橋臺左路肩孔的地溫場特征值如表1所示。

圖12 C橋天然地面孔地溫

圖13 C橋臺后左路肩地溫

表1 C橋地溫場特征值

由圖12、圖13及表1可知,該橋所處地段年平均地溫較低,為低溫穩(wěn)定區(qū),天然地面孔地溫曲線類型為“過渡型”,左路肩孔地溫曲線類型為“吸熱型”,橋臺地基多年凍土有退化趨勢。

由于融化夾層土質為圓礫土,具有較強的透水作用,從路基左側坡腳地表補給的水,通過透水性較好且處于融化狀態(tài)的圓礫土時,其熱影響范圍應該足以達到承臺部位,臺后路基大量融化下沉的現(xiàn)象從側面證明了這一點,也就是說承臺下可能同樣存在融化夾層。這樣,寒季融化夾層回凍時,承臺底面是有可能受到法向凍脹力的。

根據(jù)以上分析,該橋橋臺變形的主要原因如下。

(1)由于臺后路基填土粉黏粒含量高,在橋頭路基大量下沉的情況下,由線路縱向朝臺后路基填土補水的條件具備,臺后路基填土具有較強的凍脹性。由于臺后路基存在路基表面、路基側面和橋臺臨空面等3個受熱面,在臺后路基填土凍結的過程中,豎直方向和水平方向同時發(fā)生凍結,使臺背受到水平凍脹力的作用,而且隨著深度的增加,臺背方向水平凍脹作用逐漸凸顯。

(2)橋臺的變形主要是在法向凍脹和水平凍脹的共同作用下發(fā)生的。受承臺下樁基的豎向約束作用,橋臺的豎直方向的沉降變形較小;但在水平方向,樁基的約束作用較小,故可發(fā)生較顯著的變形,且在線路荷載影響下,水平變形難以恢復。

4 多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形整治措施

4.1 橋梁墩臺變形整治原則

從凍土學原理出發(fā),橋梁墩臺變形病害整治應遵循以下原則。

(1)治水優(yōu)先的原則

由于水的比熱大、導熱系數(shù)較大,所以土中滲流的水往往攜帶著大量的熱量。對于多年凍土來說,外來水的熱侵蝕是凍土穩(wěn)定性最大的威脅;另一方面,水是臺后路基填土發(fā)生凍脹的必要條件,為了防止橋臺受到水平凍脹,必須杜絕水滲入臺后路基。

(2)工程環(huán)境治理優(yōu)先的原則

這里所謂的工程環(huán)境,是指多年凍土區(qū)工程周圍一定范圍的地表條件、地層條件和排水條件等。對于多年凍土區(qū)工程而言,基底多年凍土的穩(wěn)定,依賴于工程環(huán)境的保持和改善。

(3)橋頭路基與橋臺并重的原則

橋臺的變形往往與橋頭路基的下沉病害相伴發(fā)生,在治理橋臺變形病害時,必須同時對橋頭路基下沉病害加以整治,否則橋臺的穩(wěn)定是難以單獨達到的。

4.2 橋梁墩臺變形整治工程措施

多年以來,科技工作者對適用于青藏鐵路多年凍土區(qū)橋涵工程采取了“熱棒”、“片石保溫護坡”、“通風管路基”、“保溫材料”、“遮陽板”等保護多年凍土工程措施及“擋水埝”、“隔水板”等截排水工程措施實驗研究。對于既有工程,在不得影響行車的條件限制下,一般采用“熱棒”、“片石保溫”以及截排水措施進行綜合整治。

因此,從維護多年凍土穩(wěn)定和消除凍脹發(fā)生的必要條件出發(fā),橋梁墩臺變形病害整治措施主要有以下幾類:①加強截、排水,減少地表水及凍結層上水對橋臺附近多年凍土的影響;②抬升人為上限至承臺底面以上,減緩并消除法向凍脹力的作用;③切斷橋臺背后土體水分補給來源,降低橋臺背后土體凍脹作用;④對承載力不足橋墩進行加樁補強,同時降低多年凍土地溫以提高樁基承載力;⑤對臺后路基填土和地基一定深度的凍脹性土體及高含冰量凍土采用非凍脹土進行換填;⑥在臺背和路橋過渡段設保溫板。

5 結語

青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形病害是高原環(huán)境與地基——基礎系統(tǒng)綜合作用的結果,涉及到多年凍土穩(wěn)定、地基土水分條件、地基土土性成分、季節(jié)融化層厚度等多方面。本文研究采用現(xiàn)場調查、工程地質勘察、變形及地溫監(jiān)測等手段相結合的方法,得到如下主要結論。

(1)橋臺的變形相對較為復雜,有向臺前的傾斜和向臺后的傾斜等情況,并伴有橋臺的沉降或脹起變形。按照是否存在梁對橋臺的縱向約束作用,可以將橋臺的變形分為前后兩部分:梁體支座正常工作時,梁對橋臺沒有縱向約束力,病害橋臺向臺前傾斜,并產生沉降;當支座失效直至梁端與胸墻頂緊后,梁對橋臺的縱向約束作用逐漸增強,橋臺可能出現(xiàn)“脹起”并向臺后傾斜。

(2)青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺豎向出現(xiàn)微小的變形,變形規(guī)律整體呈“寒季脹起,暖季沉降”的趨勢,但是差異變形不明顯,橋臺基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在觀測期內,橋臺在縱向上出現(xiàn)傾斜變形,但是變形量不大,可以認為主要是由于前期橋臺整體變形造成了梁端擠死,目前已經沒有了縱向變形的空間。

(3)青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁墩臺變形主要是由于橋臺后土體水分及土體粉黏粒遷移引起的水平凍脹、地基多年凍土退化導致臺下地基土的不均勻法向凍脹增加以及由于多年凍土條件的改變引起的樁基承載力減弱等引起,對于青藏鐵路多年凍土區(qū)既有橋臺則需要從水、熱兩方面入手進行病害整治。

[1] 中鐵西北科學研究院.青藏鐵路橋梁墩臺變形監(jiān)測與穩(wěn)定性評價研究報告[R].蘭州:中鐵西北科學研究院,2012.

[2] 邱國慶,程國棟,周幼吾,等.中國凍土[M].北京:科學出版社,2000.

[3] 吳少海.青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁設計特點[J].中國鐵路, 2002(9):35-37.

[4] 米維軍,李勇,石剛強,等.青藏鐵路多年凍土橋梁樁基穩(wěn)定性探討[J].鐵道工程學報,2010(9):15-19.

[5] 曹玉新,魏慶朝.青藏鐵路多年凍土地區(qū)樁基礎設計研究[J].鐵道工程學報,2004(2):127-131.

[6] 吳少海.青藏鐵路格拉段橋涵設計簡介[J].鐵道標準設計, 2004(12):31-36.

[7] 李勇,韓龍武,許國琪.青藏鐵路多年凍土路基穩(wěn)定性及防治措施研究[J].冰川凍土,2011(4):880-883.

[8] 董昶宏,趙相卿.青藏鐵路多年凍土區(qū)路基變形特征及影響因素分析[J].鐵道標準設計,2013(6):5-8.

[9] 馬衛(wèi)東,李成.青藏鐵路凍土區(qū)路基工程技術措施的探討[J].鐵道標準設計,2004(11):17-20.

[10]石剛強,李永強.多年凍土區(qū)鐵路運營初期路基工程狀態(tài)研究[J].鐵道工程學報,2012(5):14-17.

[11]錢征宇.青藏鐵路多年凍土區(qū)主要工程問題及其對策[J].中國鐵路,2002(8):23-27.

[12]牛富俊,林戰(zhàn)舉,魯嘉濠,等.青藏鐵路路橋過渡段沉降變形影響因素分析[J].巖土力學,2011(S2):372-377.

Deformation Characteristic and Reason Analysis of Bridge Piers and Abutments on Qinghai-Tibet Railway in Permafrost Region

ZHOU You-lu1,XIONG Zhi-wen2,WANG Qi-cai1,LI Jian-xin1
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Northwest Research Institute Co.,Ltd.,China Railway Engineering Corporation,Lanzhou 730000,China)

Based on field investigation and monitoring data analysis of the main deformations appearing at the bridges on the Qinghai-Tibet Railway in permafrost region,this paper summarized the present situation and the characteristics of the deformation disease of the bridge piers and abutments in this region,revealed the disease mechanism,and analyzed the mechanism,development trend and change rule of the bridge pier and abutment deformation.Moreover,to ensure sustainable security operation of the Qinghai-Tibet Railway,the relevant treatment measures for controlling bridge pier and abutment deformation were put forward in this paper,such as improving the permafrost environment of subsoil, decreasing the frost heave of subsoil,enhancing the bearing capacity of pile foundations,etc.

Qinghai-Tibet Railway;permafrost;piers and abutments of bridge;deformation;treatment

U443.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.008

1004-2954(2014)04-0033-04

2013-07-27;

2013-08-12

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT1139)

周有祿(1984—),男,碩士研究生,E-mail:you-lu@163.com。