新藏公路新疆段冻土涵洞分析与设计

【摘 要】以多年冻土地区桥涵的既有结构现状为出发点，从涵洞偏心、强度、基底应力计算等方面分析了该类涵洞的结构特点，并对基础埋深、结构稳定性设计、施工注意事项加以介绍，总结出多年冻土地区桥涵避免冻融危害的经验，可确保桥涵设计安全可靠。

【Abstract】 From the present structure situation of culvert in frozen soil area, the structural characteristics were analyzed in aspects of culvert eccentricity, strength and base stress calculation. Through introducing the design of depth of foundation and structural stability and construction cautions, the experience to avoid freeze?鄄thaw damage in frozen soil area was summarized, which can ensure that the design of bridge and culvert is safe and reliable.

【关键词】公路涵洞；冻土地区；基础埋深；结构设计

【Key words】 highway culvert; frozen soil area; foundation depth; structure design

中图分类号：U449.31 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)06-0065-04

0 引言

新藏公路（G219线）全长约2 143 km，位于新疆、境内，起于新疆喀什地区叶城县，自G315线引出，止于日喀则地区的拉孜县，与G318线相连，路线总体呈北南走向，是连接新疆与两地的惟一干线公路，也是中国西南边陲最重要的国防干线。本设计段落为G219线K194+400～K290+222.761段，位于中昆仑山腹地，海拔高程5 000～6 000 m，河流下切沟床海拔高程在3 800 m以上，地貌分区为高山深切峡谷区。

1 工程概述

1.1 地质概况

项目K212+300～K222+800段，海拔高程在4 700 m以上，为多年冻土分布地区，根据钻孔取样及含水量化验分析，多年冻土为多冰冻土，冻土工程地质分区属低温基本稳定、岛状多年冻土区，融沉分级为Ⅱ级，融沉类别为弱融沉；其余段落为季节性冻土区段［1］。根据地层条件，涵洞基础持力层为冻结深度以下的卵砾石，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）［2］，碎石土的平均冻胀率不大于1。冻胀等级为Ⅰ级，冻胀类别为不冻胀土。

1.2 桥涵现状

既有涵洞建筑材料大部分为浆砌块石，其主要病害由冻土作用引起，表现为：涵台及涵身开裂下沉，涵底铺砌冻裂、破碎，铺砌底有常流水掏空及下沉；部分涵洞由于处在地阴面，涵内淤积冻冰层厚达1 m左右；涵洞进出口端墙、八字墙存在开裂及倾斜下沉，洞口铺砌及截水墙破损，进出口坍塌；涵洞基础常遇到季节活动层冻胀和融沉反复作用造成的冻融疲劳破坏，导致既有涵洞墙身产生倾斜下沉等冻融破损，进而引发涵洞严重破坏。

1.3 主要技术标准

G219线公路等级为三级；设计速度为40 km·h-1；汽车荷载为公路Ⅱ级；环境类别为Ⅱ类；地震基本烈度为Ⅶ度；新建涵洞宽度与路基同宽。

2 地基土产生冻胀的原因

作为建筑地基的冻土，是指具有负温或零温度并含有冰的岩土。根据冻结状态持续时间，将不到1年的冻土称为季节冻土；将冻结不融在2年及以上的冻土称为多年冻土，又称永久冻土。冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的特殊土类，一方面它具有一般土的共性，另一方面它又是一种多相复杂体系，并被冰胶结。地基土冻胀是指土冻结时体积发生膨胀，土中原有的水分冻结成冰，土中其他地方水分冻结锋面迁移冻结。水分、土质和负温度，作为地基土产生冻胀的三要素，缺一不可。冻胀程度一般用冻胀率表示：冻胀率越大，冻胀就越严重。冻胀率沿季节冻深的分布是不均匀的，一般上大下小，最下面存在一层冻而不胀的土层，冻土融化后在自重作用下下沉，融化后土体中的水在外荷下逐渐排出，使土压缩变形。

3 涵洞结构类型及孔径的确定

根据青藏公路养护部门的病害整治经验和青藏铁路科研成果，结合实际调查，分析出G219线多年冻土地区产生涵洞病害的原因是：涵洞基础下地基土反复冻融，不均匀冻胀与融沉反复作用引起了结构变形。因此，首选的涵洞结构，应能适应一定变形能力；圆涵及盖板涵，应能适应地基的轻微变形，但圆涵由于其结构原因，当涵洞有微小变形时，涵节间沉降缝会开裂，引起水流下渗，加剧沉降的发展。参考青藏铁路试验段两座圆涵初期沉降观测资料及设计经验，总结出多年冻土区不宜采用圆涵，宜选择适应地基变形能力较强的盖板涵。本项目选择孔径为2、3、4 m的盖板涵, 洞身净高不小于1.5 m，以满足排洪及沟槽泥石流清淤养护需要。

4 下部结构分析计算

4.1 基础埋深确定

本线K212+300～K222+800的多年冻土段落，位于年平均低温-2.0 ℃以上-1.0 ℃以下的低温基本稳定冻土区和低于-2.0 ℃的低温稳定冻土区，鉴于本项目与青藏铁路冻土特点相似，参照青藏铁路盖板涵基础埋置深度设计。冻土上限采用+1 m［3］，可减少因涵洞基底冻土融化引起的基底下沉；按保护多年冻土的设计原则，既考虑到冻土上限下降的影响，又满足基础最小埋置深度采用1.2倍天然上限深度的要求；既有季节性冻土段落的涵洞，基础埋置深度按冻土上限以下0.25 m设计。