刍议多年冻土地基桥涵的设计和施工要点

周立军

(青冈县水务局，黑龙江青冈151600)

多年冻土(permafrost)，又称永久冻土，指的是持续3 a或3 a以上的冻结不融的土层。其表层冬冻夏融，称季节融化层。多年冻土层顶面距地表的深度，称冻土上限，是多年冻土地区工程基础设计的重要数据[1]。多年冻土分为两层:上部是夏融冬冻的活动层;下部是终年不融的多年冻结层。中国的多年冻土面积约215万km2，占世界第三位，主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山等区域。中国东北的多年冻土区位于欧亚大陆高纬度多年冻土区的南缘，其南端可达46.6°N。

当岩土的温度降至0℃以下，岩土中水就冻结形成冻土。如果该处地表一年中的吸热量大于散热量，冷季形成的冻土在暖季半年全部融化，便为季节冻土。如果该处地表一年中的吸热量小于散热量，冷季形成的冻土在暖季不全部融化，年复一年，就成为多年冻土。多年冻土随纬度和垂直高度而变化。在北半球，其深度自北向南增大，厚度自北向南减薄以至消失。如西伯利亚北部多年冻土的厚度为200 m左右，最厚可达620 m，活动层＜0.5 m。向南到中国黑龙江省，多年冻土南界厚度仅1～2 m，活动层厚达1.5～3.0 m。多年冻土的厚度由高海拔向低海拔变薄，活动层也相应增厚。无论在南北方向或者垂直方向上，多年冻土都存在3个区:连续多年冻土区;连续多年冻土内出现岛状融区;岛状多年冻土区。这些区域的出现都与温度条件有关。年均气温低于－5℃，出现连续多年冻土区;岛状融区的多年冻土区，年均气温一般为－1～－5℃。

1 多年冻土的分类[2]

按冻土的成因分为后生冻土层、共生冻土层、多生冻土。多数多年冻土是在物质沉积之后自上而下冻结形成的，称为后生多年冻土，其特点是含冰量少，多为整体结构或层状结构;在沼泽、冲积平原和洪积扇等堆积地区，有时在沉积过程中发生冻结，产生自下而上冻结的多年冻土，称为共生多年冻土，它是与堆积土层同时形成的，特点是含冰量多，多为层状或网状结构;由后生和共生作用混合形成的冻土称为多生冻土。

作为桥涵地基的多年冻土，根据土颗粒的粒径，冻土的天然含水量，按照冻土融化后使墩台发生沉陷的情况，结合土的冻胀性质，《公路桥涵设计规范》将多年冻土分为不融层，弱融层，融层和强融层四类。

2 设计要点

2.1 确定融冻深度

确定融冻层(活动层)的深度(即冻土上限)对工程设计极为重要。最基本的方法是在融化最盛季节，通过坑探直接观测，或通过电探确定冻土上限。在衔接的多年冻土区，可根据地下冰的特征和位置推断冻土上限深度。同一地区、不同地貌部位和不同物质组成的多年冻土的上限也是不同的。易冻结的黏性土的冻土上限高;不易冻结的沙砾土的冻土上限低;河谷带的冻土上限低，山坡或垭口地带的冻土上限高。

2.2 合理设计基础形式

多年冻土地区桥涵地基应根据多年冻土特征(如冻土发展趋势，处于发展、相对稳定还是退化阶段;冻土厚度、温度、上限深度等)，土的物理力学特征，地下水活动，不良地质现象的存在情况等全面进行工程地质评价，同时考虑桥涵建筑物修筑后地基冻土特征可能变化情况(如上限深度的变化，土温的变化，地基土物理力学性质的变化等)，选择合理的设计方法和基础形式。

当基础周围季节冻融层为冻胀及强冻胀土，基础可能因冻拔而隆起或断裂时，可采用下裂防止冻拔的措施:

1)减小墩台和基础表面的粗糙率;贴以油毛毡或木板或涂以沥青等隔离层;基础周围换填纯净的碎卵石;受冻拔作用范围内的基础做成锥体形式。

2)减小墩台和基础受冻拔作用的面积，如采用截面较小的钢筋混凝土结构等。

3)应尽量减少圬工的施工接缝，并埋置钢筋加强连结。

基础位于冻胀和强冻胀土中的桥梁应进行冻拔稳定性验算。

3 地基设计法

多年冻土地区的地基设计，可分为下列两种方法:

3.1 保持法

设计按保持桥涵地基土在施工和运营中处于冻结状态，地基的计算以冻土的力学指标考虑的方法。这种设计方法对于地基多年冻土属融沉性或强融沉性类的可以保证建筑物的稳定性，因此适用于多年冻土稳定的地区，其厚度较大(大于压缩层厚度)，地温较低(一般距地面10 m处的地温仍低于－0.4℃)。

用“保持法”设计多年冻土地基时应满足基底强度和稳定要求。基础形式应选择在施工和运营期间对地基多年冻土破坏较小的，如钻孔桩。小桥涵一般可用明挖基础，当基础需深埋时，也宜采用钻(挖)孔灌注桩。

基础应埋于多年冻土人为上限以下足够深度，明挖桥梁基础≥0.5 m，桩基不少于是4.0 m。上述数字仅供参考。对于每一个具体的地区，应根据实际经验采用。

当多年冻土上有季节性冻融层，且为冻胀、强冻胀土类时应进行冻拔稳定的验算。

多年冻土人为上限深度(即桥涵在该地区长期使用过程中，其多年冻土地基的稳定上界限)应结合本地区的冻土发展趋势，深入调查已成桥涵建筑物冻土上限变化规律及天然上限的关系来确定，必要时可结合桥涵及基础形式通过热力计算确定。

季节冻结深度和季节融化深度(上限)的确定，可直接采用勘探的方法，根据每个地区的冻土性质及气候特点进行调查决定，或采用各地区的经验数据、经验计算公式决定。

3.2 容许融化法

考虑冻土在施工或运营期间融化的设计方法。又可分为自然融化法和预先融化法:

自然融化法。自然融化法亦称自然破坏法，就是容许地基多年冻土在施工和运营期间逐渐融化，其地基的计算，可按融化后土的力学指标进行设计。当地基多年冻土属于稳定或退化阶段，厚度不大，地温较高(距地面10 m处地温高于－0.4℃)，桥涵修建后保持地基土长期冻结状态技术上限困难，经济上不合理时;或地基多年冻土属不融沉，弱融沉类，压缩性不大时，均宜采用此方法进行设计。

预先融化法亦称人工破坏法。施工时将冻土层挖除，换填非冻胀性土，分层夯实。此法适宜于桥涵基础位在多年冻土地区边缘，基底下融沉性或强融沉性土厚度不大的地点。

采用“容许融化法”设计地基时，应选择能适应地基下沉的结构型式。当地基可能产生不均匀下沉时，宜采用整体性较好的基础型式。

用“容许融化法”设计时，应对地基和基础进行强度和稳定的验算。基础埋置深度除应满足天然地基浅基础埋置深度要求外，并应满足沉降验算的要求。采用“预先融化法”设计时，挖除冻土换填非冻胀土的厚度应根据冻土人为上限深度和地基沉降时计算决定。采用“自然融化法”设计时，如地基为弱融沉、融沉或强融沉的冻土时应进行地基下沉量的验算，要求下沉量不超过容许值。

基础底面以下受压层的总厚度可按下述方法办理:

1)当基底以下融化层厚度小于或等于基底压缩层厚度时，则压缩层厚度等于融化层厚度;

2)当基底以下融化层厚度大于压缩层厚度时，对土自重压力下沉和融化下沉，算至融化层的下限，对于附加压力，等于压缩层的厚度。

4 施工要点[3]

1)在地下水发育、水位高，并缺乏大型抽水设备;地表水流的改移或防护有困难;地基为厚层的融沉或强融沉土;或开挖冰层等情况可采用冬季天然冷气冻结法进行桥涵明挖基础施工。

2)采用“保持法”施工的明挖基础，一般宜于冬季施工，如在夏季施工时，应遵守下列规定:

①严禁地表水灌入基坑;②及时排除季节各层内的地下水和冻土本身融化水;③必须搭设遮阳、防雨棚;④施工前作好充分准备，组织快速施工，作完基础立即回填封闭;一般不宜间歇，必须间歇时，应以草袋加以覆盖。

3)基础埋置在季节冻融层以下，于冬季施工时，应缩短基底暴露时间，以防止冻层继续加深，减少建成后的冻胀和下沉。

4)基底开挖边坡，视气温、土温及土的类别而定。在冬季施工时，一般边坡可采用1∶0.1～1∶0.2。

5)地基开挖后，应对地质情况按设计提供资料进行核对。

6)当基底为融沉土时，在基础圬工砌筑前，应铺设一层10～20 cm厚的粗砂垫层或其他隔热层。

7)基础圬工宜采用抗冻砂浆砌筑或灌筑低温早强混凝土;必要时可适当提高标号。

5 结语

我国多年冻土地区桥涵地基基础的研究始于上世纪70年代。公路、铁路部门先后在青藏公路清水河、昆仑山以及五道梁桥梁基础试验场开展了各种形式的多年冻土地基基础试验[4]，得到了很多设计与计算方法等研究成果，填补了该领域的空白。随着人类社会的进步和发展，对于多年冻土地基的研究将进一步深入和广泛，也才能更好的、更有效的针对其采取必要的防治措施和改造措施，从而保证工程的安全。

[1]哈斯额尔德尼，张俊平.高原冻土地区路基施工[J].科技资讯;2008，30(2):18－20.

[2]周树滨，王海峰，薛海明.多年冻土地区路基施工[J].黑龙江科技信息;2003，5(2)24－27.

[3]曲祥民，张宾.季节性冻土区水工建筑物抗冻技术[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

[4]郭东信.中国的冻土[M].兰州:甘肃教育出版社，1990.