哈神公路多年冻土区桥涵病害及设计探讨

■郭 娟 ■新疆交通职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 831401

哈巴克至神仙湾边防公路(以下简称哈神公路)起于国道219线(新藏公路)K404+780处，终点至神仙湾边防连哨所。哈神公路是我国西部边防公路体系的重要组成部分，原路因等级低，使用时间长，道路破损严重，本项目的主要目标是改善该道路的行车条件，增强其抗灾能力，在无大型自然灾害的情况下，实现哈神公路正常季节全线畅通。

要保证项目的正常运行，多年冻土段公路桥涵的修筑无疑是该项工程成败的关键之一。桥梁基础设计是冻土区桥梁设计的重点，桥梁工程成败的关键。哈神公路工程地质简单、水流量较小，设计多为中小桥梁，可采用浅基础。

1 哈神公路冻土分布情况

冻土一般是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土。按岩土冻结状态保持时间的长短，冻土又可分为多年冻土与季节冻土，冻结数年至数万年以上的称为多年冻土。

1．1 季节性冻土

路线在K0+000～K15+000段为季节性冻土，沿线气候寒冷，季节性冻土分布于全路段，类型为季节融化层，与下覆多年冻土呈衔接关系。该路段根据钻探揭示沿途最大季节融化深度一般为1～3m，年平均气温约为-5．0℃;个别路段因受河流、岩土类别及地形朝向的影响，最大季节融化深度可达4～5m，这与多年冻土上限一致，可认为多年冻土上限即为该路段的最大季节融化深度。

1．2 多年冻土

路线K15+000～K56+500段路线冻土类型主要为少冰冻土～多冰冻土，从探坑揭露来看，结构较紧密，为冰晶所充填，偶尔可见薄冰层，地基土岩性多以含细粒土砾为主，勘察期(7月—9月)冻土上限在1．5～2．3m，多为少冰冻土，冻土总含水量3% ～5%。

表1 物探点解译结果数据表

2 哈神公路冻土区桥涵主要病害及其产生的原因

冻土其成分、结构、热物理及物理力学性质均有其特殊性，是一种多相体的特殊类土。因此，冻土区的工程建筑由于其活动层每年都发生着季节性融化和冻结，并伴生有不同类型的冻土不良地质现象，产生了一系列得特殊工程地质问题。冻胀和融沉是冻土区公路两大病害。冻胀常见破坏是冻胀翻浆，占工程病害的15%，其中对桥涵构造物影响极大，由于冻胀作用导致涵台、涵底、八字墙开裂倾斜等;冻土区公路病害中的85%由融沉引起，主要表现为路基凹陷、纵向开裂以及路基边坡开裂、滑塌等。

2．1 哈神公路老路其桥涵工程病害类型

哈神公路老路其桥涵工程病害主要类型有:⑴梁产生较大的挠曲变形;⑵伸缩缝掉落、堵塞;⑶墩台严重剥蚀，部分桩柱露筋，轻型基础墩台沉降，墩台身开裂;⑷锥形溜坡冻胀沉陷破坏;⑸导流堤冻胀、沉陷坍塌;⑹过水路面老化等。

2．2 哈神公路老路桥涵工程病害产生的原因

⑴哈神公路等级较低，桥涵多为小桥涵。因小桥涵中部的空气流动，改变了温度，使得多年冻土上限上升，而涵端和涵洞洞口多年冻土上限下降，致使冻胀融沉不均程度加剧，使小桥涵的两端和洞口产生开裂下沉;排入涵洞的水，因两端和洞口的开裂渗漏于涵铺砌层下，水中的热量进入多年冻土层内，多年冻土上限下移，使冻胀、融沉加剧，当小桥涵工程难于抵抗这种反复冻胀、融沉作用时，就加剧产生了破坏。

⑵桥涵的基础开挖，使得施工中热量介入原地层，改变了水热交换条件，使地温升，基底冻土融化，降低了地基的承载能力，导致桥梁的浅基础产生不均匀沉降形成了竖向裂缝，涵洞的基础、洞身、洞口开裂变形。基础施工时，由于材料供应不及时或其它原因造成基坑暴露时间过长，大量的辐射热进入冻土基础，使多年冻土局部融化，形成积水，上限下移。置于承载能力极低的淤泥上的基础，产生不均匀沉降，使桥涵基础在施工阶段就产生了破坏。

3 哈神公路冻土地区公路桥涵设计

3．1 桥涵地基设计原则

在桥涵地基的设计中，为使哈神公路桥涵在日后能够正常使用，主要采取以下原则进行设计:

(1)允许融化原则。即涵洞工程正常使用期间，容许其在某一定深度的地基处于融化状态的原则。不融沉土和融化后基础沉降量不超过容许值的弱融沉土适用于此原则。如在融沉土、强融沉土或融陷土地段，必须采用人工预先融化压密或挖除换填等措施。根据冻土融化过程不同，可分为自然融化和预先融化:①自然融化:自然融化一般适用于少冰冻土和多冰冻土地区。冻土不稳定区的桥涵工程地基冻土不能保证其长期处于冻结状态，需要按融化状态计算地基强度和稳定性，使其因地基土融化而引起地基沉降量不超过允许沉降量;②预先融化:在高温不稳定的多年冻土区域，当地基多年冻土层厚度较小时，修筑基础前应采用人工融化或挖除换填非冻胀土的方法，避免其大面积的沉降。

(2)保持冻结原则。这一原则适用于多年冻土低温稳定区年平均地温低于-1．0℃的地区。地基土设计时，采用的基础结构类型和施工方法、选择的施工季节和时段应尽可能减少对地基冻土的热侵入。以保持桥涵建筑物的地基土在规定的使用期间始终处于冻结状态。

3．2 涵洞结构类型选择

哈神公路中多年冻土区涵洞的设计，结合青藏铁路设计的经验，主要采用以下两种形式:(1)合金钢波纹管涵。合金钢波纹管涵是一种适应变形能力很强的结构，有椭园和园形两种。这种管涵由工厂预制，具有运输方便、对基础要求较低，施工简便，且施工工期短，并可大大减少开挖工作量，对土层的热扰动小。非常适用于多年冻土地区。(2)钢筋混凝土盖板涵。钢筋混凝土盖板涵主要由钢筋混凝土盖板和涵台两部分组成，是常见的涵洞形式。涵台的临水面为竖直面，背面为竖直或斜坡。涵台顶面可以做成平面，也可做成L型企口，使之在支承盖板的同时，借助板的支承作用来加强涵台稳定。当河底采用干砌片石加固时，为加强涵台的稳定，两个涵墙基础之间应设置支撑梁;当河底采用浆砌片石或混凝土加固时支撑梁可以不设。

4 结束语

通过对哈神公路多年冻土区桥涵的分析，新疆多年冻土区的墩台及基础设计应充分重视冻胀力计算，重视冻土区的冻胀和融沉特性。采用适宜的施工方法、改性材料、外加剂，提高耐久性、减少水化热。

［1］中华人民共和国行业标准．《公路桥涵施工技术规范(JTGTF50-2011)》［S］．人民交通出版社，2011．

［2］汪双杰，陈国靖．多年冻土地区公路修筑技术［M］．人民交通出版社，2008．

［3］交通部第一公路勘察设计院．高原多年冻土地区涵洞工程结构类型研究报告［R］．交通部第一公路勘察设计院，1999．

［4］章金钊．高原多年冻土涵洞工程研究［J］．公路，2002．

［5］章金钊．高原多年冻土地区桥涵设计与施工研究［J］．中国铁道科学，2001．

［6］马东涛．新藏公路新疆段多年冻土特征及其灾害初探［J］．山地学报，2004．