季节性冻土地区桥梁设计要点

2017-01-09罗绍仟国家林业局昆明勘察设计院云南昆明650216

四川建筑 2016年6期

关键词：腐蚀性季节性设计规范

罗绍仟(国家林业局昆明勘察设计院, 云南昆明 650216)

季节性冻土地区桥梁设计要点

罗绍仟
(国家林业局昆明勘察设计院, 云南昆明 650216)

文章通过季节性冻土地区某桥梁的下部结构设计，总结出在季节性冻土地区设计桥梁时应该注意的要点。

季节性冻土；抗冻拔稳定；切向冻胀；抗腐蚀

双湖县隶属于西藏自治区那曲地区，位于西藏那曲地区西北部，东邻安多县，南与班戈县与申扎县接壤，西与尼玛县毗邻，北跨可可西里与新疆维吾尔自治区和青海省交界，平均海拔在5 000 m以上。

国道317线至双湖县城公路(三级公路)为班戈县至双湖县的主要公路，线路途经班戈、申扎、双湖3个县。起点与国道317线(班戈至雄梅段)三级公路相接，终点接双湖县县城所在地索嘎鲁玛镇南侧索嘎中路。在西藏自治区省道网规划中本项目已列为省道S208线的组成路段，也是西藏自治区公路交通超常规发展建设的重点项目之一。扎加藏布大桥为该项目中一座跨越扎加藏布河的大桥,桥型为5×20 m后张预应力空心板。本文以该桥为例，讨论季节性冻土地区桥梁下部结构设计时的注意要点。

1 地质状况

根据地质调绘及各勘察手段的实验分析，该桥位处于季节性冻土区。根据岩土室内试验成果及现场原位测试成果各地层的物理力学指标，大多数只在桥梁下部结构常规计算中能用到，在此不再详细介绍。

水文地质方面该桥跨越扎加藏布河，在扎加藏布河取水样两件，钻孔中采取两件地下水试样，分别进行了室内水质分析试验。腐蚀性离子实测值如表1所示。

表1 水质腐蚀性实测值

备注：环境类型为II类。

根据水质分析结果，参照JTGC 20-2011《公路工程地质勘察规范》有关标准进行水质对建筑材料的腐蚀性判定，根据规范中的参考值，判定均为微腐蚀性。

2 桥梁下部结构的设计与分析

2.1 基础型式的选型

墩台与基础设计主要依据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》与JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》中的相关规定，坚持因地制宜、就地取材、节约资源的原则。根据水文、地质、地形、荷载、材料供应、上部结构形式和施工条件合理选用。

本桥根据勘察资料及现场调查的情况，上部结构为20 m的标准跨径，所跨越的河流流量较小，桥墩以承受竖直力为主，故桥墩选用d120 cm、桩基选用d140 cm的桩柱式(双柱)桥墩；桥台所处位置已有基岩出露，承载能力尚可，为平衡太后土压力，采用重力式扩大基础的U型桥台。

2.2 墩、台的常规计算

桥墩桥台的设计计算和构造要求，以及JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》、JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》及JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》等规范，进行桥墩相关承载能力、裂缝及变形位移的计算和桥台的稳定性、抗倾覆、抗滑移及沉降变形计算校核。

桥墩桥台的内力组合均应考虑该区域内地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度Ⅶ度，地震动反应谱特征周期0.40 s的地震作用组合，地震作用符合JTG B02-2013《公路工程抗震规范》中的规定。

经过计算，该桥墩台均满足相关规范的要求。

2.3 基础最小埋置深度

根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》的要求，当墩台基础设置在季节性冻胀土层中时，基底的最小埋置深度可按下式计算：

dmin=zd-hmax

(1)

zd=ψzsψzwψzeψzgψzfz0

(2)

式中：dmin为基底最小埋置深度(m)；zd为设计冻深(m)；z0为标准冻深(m)；ψzs为土的类别对冻深的影响系数；ψzw为土的冻胀性对冻深的影响系数；ψze为环境对冻深的影响系数；ψzg为地形坡向对冻深的影响系数；ψzf为基础对冻深的影响系数；hmax为基础地面下容许最大冻层厚度(m)。

经计算，该桥位处标准冻深2.2 m，基础最小埋置深度2.2 m，设计冻深2.8 m。

2.4 墩台的抗冻拔稳定计算

根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》附录L的要求，季节性冻土区地基墩、台和基础抗冻拔稳定性按下式计算：

Fk+Gk+Qsk≥kTk

(3)

Qsk=qsk·As

Tk=zdtsku

(4)

式中：Fk为作用在基础上的结构自重(kN)；Gk为基础自重及襟边上的土自重(kN)；Qsk为基础周边融化层的摩阻力标准值(kN)；k为冻胀力修正系数；Tk为对基础的切向冻胀力标准值 (kN)；qsk为基础侧面与融化层的摩阻力标准值(kPa)；As为融化层中基础的侧面面积(m2)；tsk为季节性冻土切向冻胀力标准值(kPa)；u为季节性冻土层中基础的平均周长(m)；zd的符号及计算见式(2)。

本桥计算结果见表2，满足规范对抗拔稳定性的要求。

表2 桥台抗拔稳定计算成果

季节性冻土区桩(柱)基础抗冻拔稳定性按下列公式验算：

Fk+Gk+Qfk≥kTk

Qfk=0.4uΣqik·li

(5)

式中：Fk为作用在桩(柱)顶上的竖向结构自重(kN)；Gk为桩(柱)自重(kN)；Qfk为桩冻结线以下各层土摩阻力标准值之和；u为桩的周长(m)；qik为冻结线以下各层土的摩阻力标准值(kPa)；li为冻结线以下各层土的厚度(m)；Tk为每根桩切向冻胀力标准值(kN)。

计算结果见表3，满足规范对抗拔稳定性的要求。

表3 桥墩抗拔稳定计算成果

2.5 桥梁下部结构的耐久性分析

根据地勘报告中水质腐蚀性离子的实测值，依据现行《公路工程地质勘查规范》的要求，该桥位处地表水和地下水均为微腐蚀性，根据现行《公路桥涵施工技术规范》及《混凝土用水标准》，该水源可用于施工拌合混凝土用水。

项目所处区域年平均气温0 ℃左右，为保证混凝土耐久性，必须对桩基混凝土的质量进行控制，必须满足周围介质在负温条件下，各项性能力学指标达到或超过设计要求。在满足强度增长的前提下，随灌注过程带入桩孔的热量较小，混凝土的水化热引起的温升对周围冻土结构不产生明显的破坏作用；具有较强的抗融破坏、抵抗有害离子渗透、耐硫酸盐腐蚀、抗碱-骨料反应的能力。

GB 50010-2010桩基构造上，新编的《混凝土结构设计规范》对保护层的厚度有了新的要求，“……从混凝土碳化、脱钝和钢筋锈蚀的耐久性角度考虑，不再以纵向受力钢筋的外缘，而以最外层钢筋(包括箍筋、构造筋、分布钢筋等)的外缘计算混凝土保护层厚度……”，故应考虑从最外缘钢筋计算保护层厚度，本桥设计中已经考虑进去。

3 总结与结论

藏北一带海拔高，地势平坦，多为冻土区，而这样的区域往往是冻土伴随盐渍土共同存在。根据本桥地勘资料中的水质腐蚀性分析结果，该桥所处水域为微腐蚀性，通过对该桥的设计与总结，季节性冻土与微腐蚀性水共同存在的区域，桥梁的下部设计与应当采取的措施如下：

(1)根据地勘资料进行桥梁墩、台的常规承载力及位移变形等计算是一直以来必不可少的。

(2)很多人设计墩、台基础时只记得有个最小埋置深度就可以，而这并不完全，必须要经过墩、台基础的抗冻拔稳定性计算才行。特别是在一些小跨径桥梁中，桥梁上部结构自重较小，基础埋置不大，这类桥在基础抗拔稳定性计算时往往满足不了，抗冻拔计算成了控制墩、台基础设计之因素。设计中可以适当增加基础埋深和在冻胀层加润滑措施等，但如果增加埋深太大就不经济了，应改用深基础。

(3)墩、台基础的切向冻胀力(上拔力)与基础表面和冻胀土层的摩阻力有关，故可将护筒埋入冻土上限以下不小于0.5 m，并于护筒外涂l cm厚的沥青渣油，减少护简外表面的亲水程度，降低冻土对桩基础的上拔力。采取不拆钢护筒的措施，让钢护筒起到一个牺牲性保护，一方面降低冻土层与桩(墩)摩阻力，一方面适当阻止水对墩的侵蚀，降低冻融破坏的几率。

(4)为防止箍筋锈蚀，混凝土保护层厚度宜从箍筋外表面算起。

(5)最小混凝土保护层厚度除考虑使用环境外，还应根据设计使用年限区别对待。

(6)规范所规定的最小保护层厚度应该理解为是标定值，设计图纸所标明的保护层厚度值应计入施工允许的公差值，对设计成果一定要有定量的把握。

[1] 中华人民共和国交通部标准.JTG C20-2011 公路工程地质勘察规范[S].北京:人民交通出版社，2011.

[2] 中华人民共和国交通部标准.JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社，2007.

[3] 中华人民共和国交通部标准.JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 [S].北京:人民交通出版社，2004.

[4] 中华人民共和国交通部标准.JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[5] 中华人民共和国交通部标准.JTG D61-2005公路圬工桥涵设计规范 [S].北京:人民交通出版社，2005.

[6] 中华人民共和国行业标准.JTG/T D31-04-2012 多年冻土地区公路设计与施工技术细则 [S].北京:人民交通出版社，2012.

[7] 中华人民共和国住房与城乡建设部标准.GB 50010-2010 混凝土结构设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[8] 中华人民共和国行业标准.JGJ 118-2011 冻土地区建筑地基基础设计规范 [S].北京:中国建筑工业出版社，2011.

[9] 中华人民共和国行业标准.JGJ 63-2006 混凝土用水标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2006.