桥梁涵洞冻害的防治措施探究

马海峰

摘 要：文章结合北方寒冷季节性冻土地区的特征，分析了桥梁涵洞冻害现象及原因，提出了有效防治冻害防治措施。

关键词：冻害特征；破坏原因；防治措施

1、桥梁涵洞的冻害特征

1.1 洞身的冻胀隆起和融化下沉

涵洞一般顺水流方向较长，通常由数节管组成，当涵洞基础较浅时，冬季各管节将由于冻胀作用产生不均匀的隆起，进出口管节冻胀隆起高度较大，愈往中间隆起高度愈小，使整体涵洞明显呈凹曲型。在融化期，冻胀力消失，涵洞又开始产生融化下沉。季节冻土地区涵洞的冻胀隆起和融化下沉变化大体与上述过程相同，其不同特点主要在于多年冻土地区涵洞的融化下沉有逐年加大的趋势。

1.2 挡墙开裂及涵洞管节错位和脱离

涵洞进出口挡墙开裂是最常见的冻害现象。进出口管节冻胀上抬和融化下沉量一般大于中间管节，使靠近进出口管节与中部管节接缝处产生错位；又由于冻胀和融沉的往复作用使各管节在接缝处脱离。管节在接缝处脱离和错位使止水破坏，在渗流或水流直接的淘刷下往往导致涵洞在短期内被破坏。当涵洞管节过长或采用刚性接头时，由于沿纵向不能适应地基的冻胀或融沉变形，往往被折断，产生环向裂缝。

2、桥梁涵洞的冻害破坏原因

涵洞的冻害破坏主要是由于涵洞进出口及洞身中间部分的交换条件和上部荷载往往有很大差异，致使沿涵洞纵向产生不均匀冻胀或融沉变形。涵洞进出口直接与外界进行热交换，冬季先冻结，地基的冻结深度和作用于底部的法向冻胀力都大于洞身中部，且一般涵洞进出口管节上部填土厚度也小于洞身中间部分。由于上述条件，在冻胀期，涵洞进出口管节先产生大于洞身中间管节的冻胀上台；在融化期，进出口地基先融化，进出口管节先产生融化下沉。涵洞进出口管节和洞身中将管节冻胀上台和融化下沉在时间和数量上的差异，是导致涵洞管节接缝错位和脱离的主要原因。常见的涵洞进出口挡墙开裂，就是涵洞冻胀土上台造成的结果。挡墙两段插入渠提，中间部分被涵洞穿成缺口，当涵洞进出口管节冻胀上台时，将直接作用于挡墙缺口上部，而挡墙两端受土体约束，中间部分断面又小，这是挡墙开裂的主要原因。涵洞地基土的冻融作用，使管节接缝脱离、错位，挡墙开裂，上述现象不能直接造成涵洞破坏，但可以为涵洞的渗漏和被淘刷毁坏创造条件，总的来说桥墩倾斜原因分析如下：

1）由于受水流冲刷的影响，使桥墩靠近水边的一侧土体逐渐减少，桥墩除受切向冻胀力作用外，还将受到坡面上下两侧不均匀水平冻胀力的作用。

2）桥墩基础混凝土尺寸小，自重小，再加上桥墩基础埋深不够，基础底部位于冻结线之上，桥墩基础周边除受冻切力作用外，其底部还将受到法向冻胀力作用；桥面荷载、桥墩自重不足以抵抗冻胀力作用时，桥墩基础便产生冻胀上抬。

3）由于桥墩基础两侧含水量条件不同，左侧桥墩接近过水部分地基土壤含水量大，作用于基础左侧的水平冻胀力和切向冻胀力大于右侧，在两侧不平衡力作用下使墩基础向右倾斜。

3、桥梁涵洞冻害破坏的防治措施

涵洞的冻害可以通过改变地基土的冻胀条件或采取结构措施来防治，一般选用以下五种防治措施。

3.1 换填措施

换填砂。对于厚度≤最大冻深的冻胀性敏感土（如粘性土、粉砂等），其下为透水砂或卵石；在整个冻结过程中地下水位始终低于冻结锋面；夏季无冲刷，冬季无结冰的桥涵地基，可选用换填中粗砂的方法处理基础冻害。但要严格控制换填材料质量，如粉粘粒含量不得超过15 等。换填范围一般为0.5至1.0m，换填深度至最大冻深；换填碎（卵）石。用换填碎（卵）石处理桥涵基础冻害，它不受各种冻胀性敏感的土及其厚度限制，不受含水量限制，不受地下水位限制，是一种应用范围较广，使用效果较好的方法。换填范围和深度同换填中粗砂一样要求；换填沥青砂（卵石）。在强冻胀和特强冻胀地基中，桥涵基础可用换填沥青砂（卵石）的方法防治冻害。由于沥青是一种憎水物质，即在低温状态下也呈塑性状态，因此沥青砂（卵石）是一种较好的防冻性材料。可用4至7 的沥青（渣油）和干净的粗砂或卵石拌合均匀，然后分层回填并夯实（每层20至30cm）。换填范围与深度同换填砂、碎（卵）石要求相同。

3.2 物理化学法

物理化学法有多种，一般常用的主要有人工盐渍化改良土、用憎水物质改良土和使土颗粒聚集或分散改良土三种方法。人工盐渍化法是指向土体中加入一定量的可溶无机盐类，如氯化钠、氯化钙、氯化钾等，使之成为人工盐渍土。用憎水性物质使地基土改良方法，是指在土中掺少量憎水性物质，使土颗粒表面具有良好憎水性，减弱或消除地表水下渗和阻止地下水上升，使土体的含水量减少，进而削弱土体冻胀及地基土与建筑物间的冻结强度。通常用石油产品和其它化学表面活性剂掺到土中制作憎水土。为防治涵洞基础在侧表面切向冻胀力下上台，可在其基础侧表面铺设一定厚度的憎水土，其厚度一般在15cm至25cm。

3.3 保温措施

保温法是指在建筑物基础底部或四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基土的冻结，提高土中温度，减少冻结深度，进而起到防治冻胀的一种方法。保温法用来作为隔热的材料是相当多的，如柴草、草皮、树皮、炉渣、陶块、泡沫混凝土、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫等等，在某些条件下，甚至像冰、雪等亦可做为隔热材料。例如聚苯乙烯泡沫做为隔热层在水利工程基础防冻胀中经常被利用，据有关试验资料介绍，1cm厚的泡沫塑料保温层相当于14 cm 厚填土的保温效果。这种设置可以提高冻结温度，可以改变水分迁移方向，减少桩柱基础附近的冻结强度，从而减少作用于基础侧表面的切向冻胀力值。保温法是防治冻胀的有效方法之一，它所用的保温材料来源广泛，造价低廉，具有使用寿命长，运输和施工方便等特点。可用来做为隔热的材料是相当多的，如草皮、树皮、干草、炉渣、聚苯乙烯泡沫等。

3.4 结构措施

将涵洞基础置于冻层以下也是防止冻害的有效途径之一，但在冻深加大地区修建小型涵洞往往基础工程量较大。在寒冷地区许多工程实践表明，小型涵洞自重力小，在冻胀力作用下难以维持自身稳定，虽然涵洞失稳也不影响涵洞正常运用，但可按允许冻胀变形进行设计，这种设计的关键是增强涵洞结构适应变形的能力。

3.5 隔离法

指在基础与周围土质间采用隔离的一种回避措施。使基础侧表面与土之间不产生冻结作用（即不产生冻结力），进而消除切向冻胀力对基础的作用。桩柱基础常用的是在基础侧表面涂料的隔离方法。就是采用收敛性不冻材料及憎水材料，涂刷基础冻层内的侧表面，用来涂刷的材料有：树脂、黑油、枸油、原油、沥青玛蹄脂、聚乙烯薄膜等。具体施工方法是，在回填前，清除冻层间桩柱表面的杂物脏土，然后在桩柱侧表面涂刷5至10mm的黄油，用油毡纸或塑料薄膜包裹一层，再用黄油在油毡纸或塑料薄膜上涂刷，共用三层油毡纸或塑料薄膜包裹，回填时分层夯筑，同时注意不要碰破油毡纸或塑料薄膜，以防止该措施失效。

4、结语

随着交通运输事业的迅速发展，在我国北方寒冷季节性冻土地区修建了大量的桥涵工程。由于工程技术人员在当时没有认识和掌握季节性冻土的自然规律，以及未能相应采取防治冻胀措施，致使许多桥梁涵洞出现冻害。它严重地影响了正常交通，危害了人民生命和财产的安全，给国家造成经济损失。所有如上所述问题，都有待广大公路工作者进一步研究和探索。