浅谈季节性冻土地区的桥梁抗冻胀设计

浅谈季节性冻土地区的桥梁抗冻胀设计

赵伟

天津市政工程设计研究总院有限公司

摘要：本文通过对东北严寒地区某跨湖泡桥梁的设计实例，介绍了季节性冻土地区桥梁抗冰冻设计及防范措施，具体涉及基础埋置深度的确定、严寒地区板式橡胶支座及桥梁伸缩缝橡胶带材料的选择、处于冻融环境下的桥梁墩柱混凝土附加防腐措施设计、桥台抗冻胀措施以及台后搭板布置方式等。

关键词：季节性冻土； 冻胀量 ；冻胀力

引言：

冻土,一般是指温度在0℃或0℃以下,并含有冰的各种岩土和土壤。按土的冻结状态保持时间的长短,冻土一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年至数万年以上)。冻土是地球系统五大圈层之一冰冻圈的重要组成部分,它覆盖全球陆地表面的很大面积,地球上多年冻土、季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中,多年冻土面积占陆地面积的25%。在我国,冻土也有广泛的分布,季节性冻土和多年冻土影响的面积约占中国陆地总面积的70%,如果算上短时冻土其面积则要占到90%左右,其中多年冻土约占22%。

本文通过工程实例简要介绍修建于季节性冻土之上的桥梁工程在考虑严寒、冻胀环境时应该注意的一些设计细节：

1)处于季节性冻土层中的桥梁下部结构设计；

2)严寒地区板式橡胶支座及模数式伸缩缝有关橡胶材料的选用；

3)台后换填土的要求及桥台搭板设置方式；

1工程概况

工程设计标准为城市主干道、桥梁按上、下幅双行桥设计，桥面标准宽度12.5m，两幅桥净距0.5米。桥面布置形式为：0.5米（人行道栏杆）+3.0米（人行道）+8.5米（车行道）+0.5（防撞护栏）。桥梁标准跨径20米，上部结构为后张预制板梁，梁高0.95米；下部结构为桩接柱接盖梁结构，桥台结构为桩接盖梁式轻型桥台，桥梁桩基为端承桩，中墩桩径1.5米，桥台桩径1.2米，桩端入中风化岩层不小于2.0米。

工程所属地区牡丹江市属中纬度寒温带大陆性季风气候区。冬季寒冷漫长，夏季炎热短促，秋季降温迅速，春季升温快。年均气温3.5℃左右；冬季最低气温一般在零下30-33度，一月平均气温为零下18.4度；夏季最高气温30-34度（1955年8月15日最高气温37.5度），七月平均气温22度。该地区标准冻深为1.80米。桥位处工程地质概况为杂填土、淤泥、粗砂、圆砾、中砂、强风化岩层、砂岩、强风化砂砾岩、中风化、砂岩、泥质粉砂岩、中风化砂砾岩。其中淤泥层为冻胀土，平均冻胀率η>12，冻胀等级为Ⅴ级，冻胀类别为特强冻胀土。

2桥梁设计

2.1　桥梁下部结构抗冰冻设计

桥梁工程除起终点桥台位于岸边外，其余桥梁中墩均位于湖泡中，该湖泡为市区雨水汇集区，湖面水位高程受降水量控制，湖面没有净空要求。桥面距湖面常水位距离3.6～5.0米之间，梁底距湖面冰面距离2.86～4.26米之间，在桥梁盖梁构造设计时应考虑盖梁底与湖面冰层净距应满足不小于40cm要求，针对本桥梁的实际情况，采用倒T盖梁以减小盖梁结构高度来满足盖梁距冰面层距离的要求。

由于桥梁中墩墩柱均位于冬季冻冰层内（见桥梁横断面图1），为减少冰冻胀及冰刻蚀现象对墩柱的损伤，设计中考虑两种方案加以解决：

1）、在墩柱外侧加厚20cm的混凝土保护层，设置范围从盖梁底到现状河床底。墩柱浇注完成后，在墩柱外侧刷涂料层作为隔离层，然后再浇注20cm的保护层。墩柱设计抗冻融等级不低于F300。

2）、大桥盖梁底距湖面常水位距离在1.02～2.10米范围内，桥下空间狭小，不便于日后检查维修；湖区为城市雨水汇集区，湖面水位受降雨影响较大，盖梁处在干湿交替工作环境下的可能性较大，为了降低后期检查维修难度，延长检查维修周期，降低后期维护成本，设计考虑对盖梁及墩柱采用附加防腐蚀措施进行防护。根据工程所处地理位置及使用环境建议在盖梁及墩柱表面涂刷厚浆型防腐蚀涂层，防腐蚀涂层材料应满足的基本要求为：

（1）涂层具有一定厚度且富有弹性，可减弱冰压力；自身在冰压力作用下不破坏。

（2）涂层具有隔水作用，以防盖梁在浸水冰胀情况下的混凝土剥落。

（3）涂层能在低温情况下正常工作。

以上两种方法应结合工程的项目投资与工程环境的最终评定加以选择。

图2.1.1　桥梁横断面图

图1：桥梁横断面图

桥台位于湖岸迎水坡角处，桥台盖梁梁底位于常水位以下，为了避免冰层切向冻胀力、水平冻胀力及竖向冻胀力对桥台盖梁及桩基的影响，设计要求台前放坡成二台构造，放坡回填土同路基为无冻胀土，坡面浆砌片石护砌。

2.2严寒地区板式橡胶支座及模数式伸缩缝有关橡胶材料的选用

对于橡胶支座使用的主要材料橡胶，国内外大致相同，有氯丁胶、天然胶、三元乙丙胶。三种胶料各有优缺点，选择哪种胶料，主要是根据支座使用温度条件进行选择，一般来讲，寒冷地带，如我国东北、内蒙古地区可选用三元乙丙胶为原料的支座；华北地区可选用天然胶为原料的支座；华中、华南地区可选用氯丁胶为原料的支座。由于牡丹江市区地理位置独特，冬季气温明显高于同纬度其他地区，冬季最低气温一般在零下30-33度，故本工程桥梁支座橡胶材料选为天然橡胶。模数式伸缩缝橡胶带选用方法同板式橡胶支座同样选为天然橡胶。

2.3　桥头搭板设置方式

台后搭板是解决桥头跳车的有效措施之一，为使搭板正常工作应避免搭板脱空，目前避免搭板脱空常采取的措施为：

（1）台背填料确保密实

若台背填料不密实，尤其是高填方路段的路基填筑材料不均匀、碾压不密实，在车辆荷载作用和震动下填料沉降，从而造成板底脱空。

（2）避免雨水流入，填料流失

若接缝养护不及时，导致雨雪水进入搭板下，在车辆荷载作用下形成唧浆和泥浆顺桥台流出，致使板底下的路基材料不断减少，进而形成脱空。

（3）避免车辆超载的破坏

在车辆荷载尤其是超载车辆的作用下，面板受到巨大的垂直荷载作用，不断地对板底路基进行补充压实，最后形成脱空。

（4）处于季节性冻土地区的桥梁搭板易横桥向浇筑为整体避免设置顺桥向施工缝

台后搭板在长期活载作用下易在顺桥向施工缝处出现裂缝漏水，漏水在搭板下聚集，在长期车辆活载冲击下，积水对路基产生冲刷从而加剧搭板脱空；冬季低温状况下，搭板下积水结冰冻胀，顶升搭板造成路面出现裂缝，并且搭板设计通常模拟为支撑于地基上的弹性地基梁，若搭板下积水结冰顶升搭板则使搭板处于悬臂状态，改变了搭板的受力状态，促使搭板折断破坏。

3、结束语

我国北方地区的桥梁工程，在冬季运营阶段大部分存在冰冻、冻融、地基土冻胀作用的问题，对这些问题若不针对处理轻则影响结构使用性能，重则危及结构安全。本文通过东北严寒地区的一处工程实例，简要论述了处于季节性冻土地区桥梁设计过程中的一些注意事项，虽然处理方法具有一定的局限性，但问题所在具有普遍性，希望能引以注意。

参考文献：

[1]公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2015).北京:人民交通出版社2018

[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG3362-2018).北京:人民交通出版社2018

[3]公路桥涵地基与基础设计规范(JTG3363-2019).北京:人民交通出版社2020

[4]水工建筑物抗冰冻设计规范(GB/T50662-2011).北京:中国计划出版社社2012

1