羅紹仟(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院, 云南昆明 650216)

季節(jié)性凍土地區(qū)橋梁設(shè)計要點

羅紹仟
(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院, 云南昆明 650216)

文章通過季節(jié)性凍土地區(qū)某橋梁的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計，總結(jié)出在季節(jié)性凍土地區(qū)設(shè)計橋梁時應(yīng)該注意的要點。

季節(jié)性凍土；抗凍拔穩(wěn)定；切向凍脹；抗腐蝕

雙湖縣隸屬于西藏自治區(qū)那曲地區(qū)，位于西藏那曲地區(qū)西北部，東鄰安多縣，南與班戈縣與申扎縣接壤，西與尼瑪縣毗鄰，北跨可可西里與新疆維吾爾自治區(qū)和青海省交界，平均海拔在5 000 m以上。

國道317線至雙湖縣城公路(三級公路)為班戈縣至雙湖縣的主要公路，線路途經(jīng)班戈、申扎、雙湖3個縣。起點與國道317線(班戈至雄梅段)三級公路相接，終點接雙湖縣縣城所在地索嘎魯瑪鎮(zhèn)南側(cè)索嘎中路。在西藏自治區(qū)省道網(wǎng)規(guī)劃中本項目已列為省道S208線的組成路段，也是西藏自治區(qū)公路交通超常規(guī)發(fā)展建設(shè)的重點項目之一。扎加藏布大橋為該項目中一座跨越扎加藏布河的大橋,橋型為5×20 m后張預(yù)應(yīng)力空心板。本文以該橋為例，討論季節(jié)性凍土地區(qū)橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計時的注意要點。

1 地質(zhì)狀況

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及各勘察手段的實驗分析，該橋位處于季節(jié)性凍土區(qū)。根據(jù)巖土室內(nèi)試驗成果及現(xiàn)場原位測試成果各地層的物理力學(xué)指標(biāo)，大多數(shù)只在橋梁下部結(jié)構(gòu)常規(guī)計算中能用到，在此不再詳細(xì)介紹。

水文地質(zhì)方面該橋跨越扎加藏布河，在扎加藏布河取水樣兩件，鉆孔中采取兩件地下水試樣，分別進(jìn)行了室內(nèi)水質(zhì)分析試驗。腐蝕性離子實測值如表1所示。

表1 水質(zhì)腐蝕性實測值

備注：環(huán)境類型為II類。

根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，參照J(rèn)TGC 20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水質(zhì)對建筑材料的腐蝕性判定，根據(jù)規(guī)范中的參考值，判定均為微腐蝕性。

2 橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

2.1 基礎(chǔ)型式的選型

墩臺與基礎(chǔ)設(shè)計主要依據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》與JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，堅持因地制宜、就地取材、節(jié)約資源的原則。根據(jù)水文、地質(zhì)、地形、荷載、材料供應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)形式和施工條件合理選用。

本橋根據(jù)勘察資料及現(xiàn)場調(diào)查的情況，上部結(jié)構(gòu)為20 m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，所跨越的河流流量較小，橋墩以承受豎直力為主，故橋墩選用d120 cm、樁基選用d140 cm的樁柱式(雙柱)橋墩；橋臺所處位置已有基巖出露，承載能力尚可，為平衡太后土壓力，采用重力式擴(kuò)大基礎(chǔ)的U型橋臺。

2.2 墩、臺的常規(guī)計算

橋墩橋臺的設(shè)計計算和構(gòu)造要求，以及JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》、JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范，進(jìn)行橋墩相關(guān)承載能力、裂縫及變形位移的計算和橋臺的穩(wěn)定性、抗傾覆、抗滑移及沉降變形計算校核。

橋墩橋臺的內(nèi)力組合均應(yīng)考慮該區(qū)域內(nèi)地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特征周期0.40 s的地震作用組合，地震作用符合JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》中的規(guī)定。

經(jīng)過計算，該橋墩臺均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.3 基礎(chǔ)最小埋置深度

根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的要求，當(dāng)墩臺基礎(chǔ)設(shè)置在季節(jié)性凍脹土層中時，基底的最小埋置深度可按下式計算：

dmin=zd-hmax

(1)

zd=ψzsψzwψzeψzgψzfz0

(2)

式中：dmin為基底最小埋置深度(m)；zd為設(shè)計凍深(m)；z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深(m)；ψzs為土的類別對凍深的影響系數(shù)；ψzw為土的凍脹性對凍深的影響系數(shù)；ψze為環(huán)境對凍深的影響系數(shù)；ψzg為地形坡向?qū)錾畹挠绊懴禂?shù)；ψzf為基礎(chǔ)對凍深的影響系數(shù)；hmax為基礎(chǔ)地面下容許最大凍層厚度(m)。

經(jīng)計算，該橋位處標(biāo)準(zhǔn)凍深2.2 m，基礎(chǔ)最小埋置深度2.2 m，設(shè)計凍深2.8 m。

2.4 墩臺的抗凍拔穩(wěn)定計算

根據(jù)JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄L的要求，季節(jié)性凍土區(qū)地基墩、臺和基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性按下式計算：

Fk+Gk+Qsk≥kTk

(3)

Qsk=qsk·As

Tk=zdtsku

(4)

式中：Fk為作用在基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)自重(kN)；Gk為基礎(chǔ)自重及襟邊上的土自重(kN)；Qsk為基礎(chǔ)周邊融化層的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；k為凍脹力修正系數(shù)；Tk為對基礎(chǔ)的切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值 (kN)；qsk為基礎(chǔ)側(cè)面與融化層的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；As為融化層中基礎(chǔ)的側(cè)面面積(m2)；tsk為季節(jié)性凍土切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；u為季節(jié)性凍土層中基礎(chǔ)的平均周長(m)；zd的符號及計算見式(2)。

本橋計算結(jié)果見表2，滿足規(guī)范對抗拔穩(wěn)定性的要求。

表2 橋臺抗拔穩(wěn)定計算成果

季節(jié)性凍土區(qū)樁(柱)基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性按下列公式驗算：

Fk+Gk+Qfk≥kTk

Qfk=0.4uΣqik·li

(5)

式中：Fk為作用在樁(柱)頂上的豎向結(jié)構(gòu)自重(kN)；Gk為樁(柱)自重(kN)；Qfk為樁凍結(jié)線以下各層土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值之和；u為樁的周長(m)；qik為凍結(jié)線以下各層土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；li為凍結(jié)線以下各層土的厚度(m)；Tk為每根樁切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。

計算結(jié)果見表3，滿足規(guī)范對抗拔穩(wěn)定性的要求。

表3 橋墩抗拔穩(wěn)定計算成果

2.5 橋梁下部結(jié)構(gòu)的耐久性分析

根據(jù)地勘報告中水質(zhì)腐蝕性離子的實測值，依據(jù)現(xiàn)行《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》的要求，該橋位處地表水和地下水均為微腐蝕性，根據(jù)現(xiàn)行《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》及《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》，該水源可用于施工拌合混凝土用水。

項目所處區(qū)域年平均氣溫0 ℃左右，為保證混凝土耐久性，必須對樁基混凝土的質(zhì)量進(jìn)行控制，必須滿足周圍介質(zhì)在負(fù)溫條件下，各項性能力學(xué)指標(biāo)達(dá)到或超過設(shè)計要求。在滿足強(qiáng)度增長的前提下，隨灌注過程帶入樁孔的熱量較小，混凝土的水化熱引起的溫升對周圍凍土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生明顯的破壞作用；具有較強(qiáng)的抗融破壞、抵抗有害離子滲透、耐硫酸鹽腐蝕、抗堿-骨料反應(yīng)的能力。

GB 50010-2010樁基構(gòu)造上，新編的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對保護(hù)層的厚度有了新的要求，“……從混凝土碳化、脫鈍和鋼筋銹蝕的耐久性角度考慮，不再以縱向受力鋼筋的外緣，而以最外層鋼筋(包括箍筋、構(gòu)造筋、分布鋼筋等)的外緣計算混凝土保護(hù)層厚度……”，故應(yīng)考慮從最外緣鋼筋計算保護(hù)層厚度，本橋設(shè)計中已經(jīng)考慮進(jìn)去。

3 總結(jié)與結(jié)論

藏北一帶海拔高，地勢平坦，多為凍土區(qū)，而這樣的區(qū)域往往是凍土伴隨鹽漬土共同存在。根據(jù)本橋地勘資料中的水質(zhì)腐蝕性分析結(jié)果，該橋所處水域為微腐蝕性，通過對該橋的設(shè)計與總結(jié)，季節(jié)性凍土與微腐蝕性水共同存在的區(qū)域，橋梁的下部設(shè)計與應(yīng)當(dāng)采取的措施如下：

(1)根據(jù)地勘資料進(jìn)行橋梁墩、臺的常規(guī)承載力及位移變形等計算是一直以來必不可少的。

(2)很多人設(shè)計墩、臺基礎(chǔ)時只記得有個最小埋置深度就可以，而這并不完全，必須要經(jīng)過墩、臺基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性計算才行。特別是在一些小跨徑橋梁中，橋梁上部結(jié)構(gòu)自重較小，基礎(chǔ)埋置不大，這類橋在基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性計算時往往滿足不了，抗凍拔計算成了控制墩、臺基礎(chǔ)設(shè)計之因素。設(shè)計中可以適當(dāng)增加基礎(chǔ)埋深和在凍脹層加潤滑措施等，但如果增加埋深太大就不經(jīng)濟(jì)了，應(yīng)改用深基礎(chǔ)。

(3)墩、臺基礎(chǔ)的切向凍脹力(上拔力)與基礎(chǔ)表面和凍脹土層的摩阻力有關(guān)，故可將護(hù)筒埋入凍土上限以下不小于0.5 m，并于護(hù)筒外涂l cm厚的瀝青渣油，減少護(hù)簡外表面的親水程度，降低凍土對樁基礎(chǔ)的上拔力。采取不拆鋼護(hù)筒的措施，讓鋼護(hù)筒起到一個犧牲性保護(hù)，一方面降低凍土層與樁(墩)摩阻力，一方面適當(dāng)阻止水對墩的侵蝕，降低凍融破壞的幾率。

(4)為防止箍筋銹蝕，混凝土保護(hù)層厚度宜從箍筋外表面算起。

(5)最小混凝土保護(hù)層厚度除考慮使用環(huán)境外，還應(yīng)根據(jù)設(shè)計使用年限區(qū)別對待。

(6)規(guī)范所規(guī)定的最小保護(hù)層厚度應(yīng)該理解為是標(biāo)定值，設(shè)計圖紙所標(biāo)明的保護(hù)層厚度值應(yīng)計入施工允許的公差值，對設(shè)計成果一定要有定量的把握。

[1] 中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).JTG C20-2011 公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[2] 中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).JTG D63-2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范 [S].北京:人民交通出版社，2004.

[4] 中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).JTG D60-2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5] 中華人民共和國交通部標(biāo)準(zhǔn).JTG D61-2005公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范 [S].北京:人民交通出版社，2005.

[6] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG/T D31-04-2012 多年凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則 [S].北京:人民交通出版社，2012.

[7] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn).GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[8] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ 118-2011 凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[9] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ 63-2006 混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[10] 趙亞飛, 周建庭, 吳恒, 等.提高高寒地區(qū)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計技術(shù)探討[J].公路,2012(8):106-110.

[11] 嚴(yán)莉華.高寒凍土地區(qū)橋梁病害機(jī)理及處理方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

羅紹仟(1982～)，男，布依族，學(xué)士學(xué)位，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事道路與橋梁設(shè)計。

TU375.4

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[定稿日期]2016-06-28