吴 红
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)
多年冻土地区桥涵工程设计
吴 红
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)
我国幅员广大的多年冻土区,约占全国总面积的22.3%。在这些地区从事工程建设,势必要遇到大量的特有工程技术问题。文章从冻土的分布、桥涵的基础类型、埋置深度等对冻土地区的桥梁和涵洞设计进行了较细致的分析,并提出防止冻胀相应的措施。
冻土;基础类型;埋置深度;防冻措施;设计原则
河沟多年冻土分布及类别与其它地貌单元有明显的差别。这是由于地形、冻层土质、植被、地下水活动的不同而不同,尤其是水流的存在,使热交换的介质与过程不同,从而构成了河沟冻土的各种特点。
由于水的热容量大,在融化季节河水的平均温度比地表平均气温高,水温的差值比气温小。因此,在热循环过程中,因水流与土层的温差大,传递热量多。因此地表水不断流入地下水中,也把热量带进土层里,对多年冻土起破坏作用,使冻土上限加深。
河床上无草皮的地方,其冻土上限比有草皮的状况下深0.2~0.3 m。河床表土的物理特征对多年冻土的影响很大。砂土较黏性土导热系数大、热容量小,故冻土上限较深。当覆盖土的含水量较大时,因热容量大,则融化深度较小。
根据河流沟谷的形态、水流情况、植物和覆盖土、地形特征等综合作用的结果,形成河流沟谷多年冻土分布的特征。
在多年冻土地区,合理选择地基设计原则、基础类型及埋置深度,是桥梁工程中重要技术问题。对于温度低、厚度大、较为稳定的地段,最好按保持冻土地基处于冻结状态的设计原则。反之应采取允许冻土地基逐渐融化的设计原则进行。
在多年冻土地区,常用几种桥梁基础类型的适用范围如下:
桩基础在施工及使用过程中对地基多年冻土的热动态影响很小,符合保持地基冻土的冻结状态的设计原则。由于冻土的人为上限深度较小,则不需要采取人工的保温措施。它可适用于各种地基岩性、各类冻土及各种水文地质条件地方;特别当基底为冰层及饱冰冻土或地下水发育、河流施工水位高的深基础、且基坑开挖困难时,采用此法更能发挥其优越性。对提高施工进度,降低造价,保证地基多年冻土的稳定性等效果显著。灌注桩计算公式按《公路桥涵地基与基础设计规范》〔JTG-D63-2007〕中公式,进行灌注桩入土深度和抗冻拔验算:
2.1.1 钻孔灌注桩容许承载力计算
计算公式为:
式中:[Ra]为单桩受压承载力容许值;u为桩身周长;qik为桩侧第i层土的摩阻力标准值;qr为端阻处土的承载力容许值;Ap为桩端面积;m0为清底系数;λ为修正系数;[fa0]为桩端处土的承载力基本容许值;k2为容许承载力随深度的修正系数;γ2为桩端以上各土层的加权平均重度;h为桩端的埋置深度
2.1.2 桩基础抗冻拔稳定性计算
计算公式为:
式中:Fk为作用在桩顶上的竖向结构自重,kN;Gk为桩自重,kN。式中:μ为桩的周长,m;τi为冻结线以下各土层对桩壁的极限磨阻力之和;Li为冻结线以下各土层的厚度;k为冻胀力修正系数。
式中:z0为标准冻深;φzs为土的类别对冻深的影响系数;φzw为土的冻胀性对冻深的影响系数;φze为环境对冻深的影响系数;φzg为地形坡向对冻深的影响系数;φzf为基础对冻深的影响系数;τsk为季节性冻土切向冻胀力标准值。
经地基承载力和抗冻拔稳定计算,桩长由计算成果作为控制满足设计要求。
在选择钻孔灌注混凝土桩基础时,要根据桥址冻土特征、河流水文、地形特征进行综合比较。
基础结构型式为:混凝土圬工基础,混凝土一字型桥台,混凝土双柱式墩台,混凝土柱及实体墩台等。
这种基础,施工简单,可以就地取材,是冻土地区桥基础的主要类型。只要施工方法及工期安排合理,仍能保证基底多年冻土不致被破坏。如地基热动态及冻土上限在建桥后变化不大,故仍能按保持基底冻土冻结状态进行设计。从保持冻土的原则出发,冬季进行基坑开挖较夏季有利,特别是地表水及地下水发育的河流,用天然冻结法施工,可以减小抽水及支撑作业。基础圬工应采用低温早强混凝土及防冻砂浆。夏季施工应尽量减少基坑暴露时间,做到及时砌筑,及时回填。基础及墩台应尽量用预制拼装结构。
该种基础不适用于地基为多年冻土的河流上,因为在冻土中打桩及下沉沉井均十分困难。仅在个别融区或冻土上限很深的大河,经过全面比较认为合理可行时,方可采用。
多年冻土地区桥梁基础埋置深度,除满足基底强度,偏心稳定性及冲刷深度等要求外,还要依据基础的设计原则及桥梁的结构类型、基底冻土含冰量及冻土人为上限的深度,来满足建筑物稳定的要求。
为了保持基底冻土在长期人为活动过程中冻结状态,基础的埋置深度要在人为上限以下。人为上限深度应根据基础类型及地基土层导热性能,通过热力计算确定。桥梁地基人为上限深度,建议按桥址天然上限深度乘一个经验系数来确定(通常为1.0~1.2)。
基础深度在人为上限以下的,要根据基底的冻土类型、基础类型及建筑物等级来详细确定。一般对明挖基础当基底为融沉土时,建议≥0.5 m;基底为严重融沉土时≥1.0 m;当桩基基底为严重融沉土、融沉土及微融沉土时,桩应埋入人为上限以下≥4.0 m处。以上所述都是采用保持地基土冻结的原则时,基础的埋深。
涵洞基础埋置深度应根据基底冻土特征、冻土上限变化规律和涵洞的结构类型等条件综合考虑、确定。
多年冻土地区涵洞布置及要求除遵循一般规定外,结合多年冻土特点应注意以下几点:
1)尽可能原沟设涵,一般设一沟一涵,不宜合并。
2)沟底不宜下挖,亦不宜提高,尽可能按原沟床设涵。
3)涵洞孔径除满足一般地区要求外,在多年冻土区应特别注意冰椎、冰丘、融冻泥流和有无产生积冰阻塞孔径的可能性。
选择合理的施工季节、施工方法和缩短工期是减少施工对多年冻土热扰动的技术措施,从而防止、减少桥涵冻害。
土体产生冻胀的影响因素很多,但土质、水分及土中负温值是产生冻胀的3大基本要素。如能消除或削弱这3个基本要素中的1个,原则上可以消除或削弱土体的冻胀,从而减少涵洞工程的冻害。换填桥涵地基土就是这种减弱土体冻胀的措施之一。只要能控制水源条件,同样可以达到削弱或消除地基冻胀的目的。
涵洞结构可选用下列型式:刚性结构以抵抗冻胀、融沉变形对涵洞的危害;柔性结构以适应冻胀、融沉变形,使冻融变形对涵洞的危害减至最小。采用低温、早强、耐久混凝土可抵抗风化作用,提高结构使用寿命。
采用热桩制冷技术,可使多年冻土地温降低,强化多年冻土地基,减少或削弱冻土活动层冻胀、融沉量,达到防止桥梁涵洞冻融破坏的目的。
多年冻土桥涵地基基础设计可以采取以下两种设计原则即“保持冻土”和“容许融化”的原则。
[1] 涅特里加.水工建筑物设计手册[K].北京:水利电力出版社,1992.
[2] 中水东北勘测设计研究有限责任公司.SL211-2006水工建筑物抗冰冻设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2006.
U442
B
1007-7596(2011)05-0078-02
2011-07-03
吴红(1965-),女,黑龙江哈尔滨人,高级工程师。