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高原凍土對(duì)道路橋涵的危害及防治

文檔作者：宋學(xué)東許召強(qiáng) 程傳超王熙文孫曉杰王龍飛文檔來源：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年10月13日
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第41卷第2期
2014年2月
建筑技術(shù)開發(fā)
Budilding Technique Development
Vo1．41．No．2
Feb．2O14
高原凍土對(duì)道路橋涵的危害及防治
宋學(xué)東 許召強(qiáng) 程傳超 王熙文 孫曉杰 王龍飛
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018)
【摘 要】 在我國(guó)的西北和東北，尤其在青藏高原地區(qū)，凍土廣布。動(dòng)土的存在，使得土壤的不穩(wěn)定性增加，給我國(guó)的路
橋交通的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)帶來了不少麻煩，嚴(yán)重威脅著路橋的穩(wěn)定性。在憑借相關(guān)施工案例，參考大量文獻(xiàn)的基
礎(chǔ)上，總結(jié)介紹了凍土對(duì)道路橋涵的危害、動(dòng)土的防治措施，減少后期養(yǎng)護(hù)的工程量。
[關(guān)鍵詞】 高原凍土；道路橋涵；危害與防治
【中圖分類號(hào)】 U443．17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A 【文章編號(hào)】 1001—523X(2014)02-0048—04
A BREAK TALK ABoUT THE HAI M AND PREVETIoN AND
CURE oF FoRZEN SoIL oN PLATEAU
Song Xue—-dong Xu Zhao··qiang Cheng Chuan-chao Wang Xi--wen Sun Xiao-jie Wang Long··fei
【Keywords]
In China S northwest and northeast，especially in the Tibetan Plateau，widespread permafrost．Groundbreaking
presence，making the soil increased instability to the country's road and bridge construction and maintenance of
transportation has brought a lot of trouble，a serious threat to the stability of the bridge．In this paper，by virtue of
the relevant construction cases，on the basis of extensive literature references，presents a summary of permafrost
hazards of road bridges and culverts，ground—breaking prevention measures to reduce the amount of post
maintenance works．
plateau frozen earth；road bridge；hazards and control
在高緯度和海拔較高的高原、高山地區(qū)，一年中
有相當(dāng)一段時(shí)間氣溫處于零度以下，這是貯藏在土
中的水便會(huì)凝結(jié)成冰，冰與土凍結(jié)成整體，形成凍
土。凍土又分為多年凍土和季節(jié)性凍土。根據(jù)海拔
高度和緯度的不同。兩種凍土的分布呈現(xiàn)出一定的
規(guī)律性。一般在緯度高于北緯35。、海拔在4 300 m
以上的地區(qū)均有不同程度的凍土。例如，青藏交界
的唐古拉山區(qū)、西藏的阿里郎地區(qū)北部、喜馬拉雅山
脈高山臺(tái)地都是多年凍土相對(duì)集中的地方。在西
藏，除林芝、山南的個(gè)別低海拔峽谷盆地外，季節(jié)性
凍土遍布全藏各地。在這些地區(qū)修建的公路、橋梁、
涵洞及其他人工構(gòu)造物，經(jīng)常會(huì)由于凍土的凍脹作
收稿日期：2013一l1—15
作者簡(jiǎn)介：宋學(xué)東(1962一)，男，山東省青州市人，畢業(yè)于山東省水利
學(xué)校，本科學(xué)歷，山東省農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，從事實(shí)驗(yàn)室研究
與管理工作。
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用而造成不同程度的破壞。
工程實(shí)踐證明：在凍土地區(qū)的公路建設(shè)中，低溫
凍脹引起的過大變形和過大應(yīng)力往往是路面強(qiáng)度、
厚度和結(jié)構(gòu)組合的關(guān)鍵因素，而在小橋涵，擋墻，排
水溝等漿砌工程中，各種凍脹力又往往是在設(shè)計(jì)施
工中必須加以研究的控制因素。
1 凍土對(duì)公路橋涵的危害
1．1 凍脹和凍脹力
1．1．1 凍脹及影響凍脹的主要因素
土凍結(jié)時(shí)體積的膨脹作用，除土中原有的水分
凍結(jié)成冰體積膨脹外，主要是土凍結(jié)過程中，水分向
凍結(jié)鋒面遷移凍結(jié)所致，這種現(xiàn)象稱為土的凍脹作
用，簡(jiǎn)稱凍脹。它是土體凍結(jié)時(shí)最主要的物理力學(xué)
過程。凍脹深度的分布是不均勻的，在多年凍土區(qū)，
土的最大凍脹率出現(xiàn)在地表下1／3左右的凍結(jié)深度
處。
第41卷 宋學(xué)東，等：高原凍土對(duì)道路橋涵的危害及防治 第2期
影響凍脹的主要因素：
1)土體類型：粗顆粒土凍脹小甚至不凍脹，而細(xì)
顆粒土一般凍脹較大。
2)含水狀況：土體含水量大，則凍脹嚴(yán)重；當(dāng)土體
含水量小于某一值時(shí)，土的凍脹率為零。
3)凍結(jié)條件-凍脹速度快則形成整體構(gòu)造凍土，
凍脹1b,凍結(jié)速度慢時(shí)，一般凍脹較嚴(yán)重。
1．1．2 凍脹力及其分類
伴隨土的凍脹，在建筑物基礎(chǔ)將產(chǎn)生凍脹力。
當(dāng)建筑物的重量和附加荷載不足以與之平衡時(shí)，建
筑物將在凍脹力的作用下產(chǎn)生凍脹變形，嚴(yán)重時(shí)將
引起建筑物的破壞。依據(jù)凍脹力作用于基礎(chǔ)表面的
部位和方向，可分為切向凍脹力、水平凍脹力(側(cè)面法
向凍脹力1、法向凍張力。見圖1。
脹力
f 1 f f f f f l T-法向凍脹力
圖1 凍脹力示意
土基凍結(jié)時(shí)，土中的大部分水變成冰，導(dǎo)致土體
膨脹，使土顆粒產(chǎn)生位移，造成地面和土地的其他臨
界面隆起，膨脹，但當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層、橋涵構(gòu)造物及其
他防護(hù)工程修建在凍土地區(qū)時(shí)，凍土層的膨脹受到
限制而不能膨脹時(shí)，便產(chǎn)生相當(dāng)大的凍脹力，作用于
構(gòu)造物與凍脹土的接觸面上。在土、水、溫度和約束
力四個(gè)方面相互作用下，造成對(duì)結(jié)構(gòu)物的嚴(yán)重破壞。
1．2 對(duì)路基及路面的凍害
1．2．1 沉陷
路基的沉陷病害是高原凍土地區(qū)最常見、最主
要的路基病害，一些高原凍土地區(qū)的路基沉陷問題
普遍存在；在青藏公路最嚴(yán)重的某波浪路段，其波峰
與波谷的沉陷落差近1．5 11"1。高原凍土地區(qū)的沉陷
病害主要表現(xiàn)出路基不同程度、不同形狀的下沉，從
而形成路基的波浪現(xiàn)象、反拱現(xiàn)象等；出現(xiàn)這些現(xiàn)象
的實(shí)質(zhì)就是因路基施工，使原有的地表層增厚并變
得相對(duì)松軟，這樣就導(dǎo)致其對(duì)太陽的輻射熱易于向
地表深部傳遞，讓路基下的凍土層在熱傳遞的過程
中發(fā)生融化、凝固的反復(fù)出現(xiàn)，另外，高原凍土上限
附近的冰凍層厚度存在著一定的差異，其路基的表
層由于不同因素的影響，其對(duì)太陽輻射熱的吸收及
傳遞其熱量的大小都存在一定的差別，從而導(dǎo)致路
基的固結(jié)沉降量的不同，使高原凍土地區(qū)路基出現(xiàn)
不同程度、不均勻沉陷。
1．2．2 翻漿
冬季，路基在含水量處于飽和或超飽和的狀態(tài)
下，土體中的水分在溫差作用下開始向冰凍線移動(dòng)，
路基上層水分增多，并且逐漸結(jié)成聚冰層，體積急劇
增大。大量水分積聚在土基上層，隨著氣溫的下降，
零度等溫線不斷下移，形成一層、兩層或多層聚冰
層。路面產(chǎn)生不均勻膨脹、變形嚴(yán)重影響行車的安
全性和舒適性。春季氣溫逐漸回升，使基上層的土
體首先融化，下層土體尚未解凍，形成不透水層，致
使水分滲透不下去，使土基強(qiáng)度很快降低以至失去
承載能力，在行車作用出現(xiàn)翻漿、彈簧斷裂鼓包等現(xiàn)
象，嚴(yán)重妨礙行車，甚至中斷交通，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)
損失。
1．2．3 路面裂縫
裂縫分為縱向裂縫、橫向裂縫和網(wǎng)狀裂縫(龜
裂)三種形式。產(chǎn)生裂縫的原因，主要有兩種：一是
受路基土的不均勻凍脹和受施工縫影響所引起的路
面縱向裂縫。這種裂縫沿道路縱向開裂，基本與行
車方向平行或稍有傾斜，大多數(shù)分布于路面的中部，
在兩側(cè)行車帶附近和路面的邊緣也有少量縱縫分
布；二是因低溫收縮產(chǎn)生的低溫橫向裂縫。在西藏
的冬季，當(dāng)溫度降低時(shí)，瀝青材料的收縮應(yīng)變與路面
上行車荷載引起的應(yīng)變之和超過材料本身的應(yīng)變能
力，也即當(dāng)?shù)蜏叵聻r青材料的延變能力不足時(shí)，路面
就會(huì)開裂。由于二三級(jí)道路的路面中，縱向比橫向
的累積變形大，所以這種裂縫多表現(xiàn)為橫線裂縫。
1．3 對(duì)橋梁涵洞的凍害
切向凍脹力平行作用于橋涵基礎(chǔ)側(cè)面，是多年
凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制因素。切向凍脹力是土體
類型，土體含水量，溫度及凍結(jié)速度的函數(shù)。依據(jù)有
關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，細(xì)粒土的最大切向凍脹力可達(dá)77．5 kPa，
粗顆粒土可達(dá)6．3 kPa。雖然切向凍脹力的值不是很
大，但由于橋涵基礎(chǔ)的側(cè)表面積很大，作用于基礎(chǔ)的
抬升力一般很大，在切向凍脹力作用下，經(jīng)常出現(xiàn)樁
基礎(chǔ)上拔變形，致使建筑物破壞。
橋涵墩臺(tái)基礎(chǔ)受到凍土的危害時(shí)，個(gè)別涵洞因
基礎(chǔ)埋置深度不足而導(dǎo)致的基礎(chǔ)變形和因臺(tái)背填土
凍脹而導(dǎo)致的涵臺(tái)鼓脹、斷裂，有個(gè)別的涵洞基地埋
置標(biāo)高未達(dá)到最大凍土深度的要求，基礎(chǔ)在法相凍
脹力和切向凍脹力的共同作用下，被不均勻脹力剪
斷，涵臺(tái)身豎向斷裂，多年的凍脹變形積累，使整個(gè)
49
第2期 宋學(xué)東，等：高原凍土對(duì)道路橋涵的危害及防治 第41卷
結(jié)構(gòu)物破壞。也有涵洞基礎(chǔ)和墻身本身強(qiáng)度較高，
橋身本身沒有發(fā)生裂縫破壞現(xiàn)象，但卻造成涵臺(tái)基
礎(chǔ)整體標(biāo)高升高，產(chǎn)生涵洞跳車因臺(tái)背填土凍脹還
造成八字翼墻傾斜變位，甚至整體失穩(wěn)。在多年凍
土地區(qū)的青藏線上還會(huì)造成因人為因素造成天然上
線變化，致使許多橋涵基礎(chǔ)遭受凍害，表現(xiàn)為基礎(chǔ)上
抬、傾斜、橋起拱、涵洞斷裂，甚至失效破壞，嚴(yán)重的
影響正常交通，給國(guó)家造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
多年凍土地區(qū)橋梁病害主要類型總結(jié)為：1)橋
涵基礎(chǔ)變形：主要表征為基礎(chǔ)凍脹和融化下沉，橋面
彎曲變形，涵身傾斜、斷裂。2)橋梁基礎(chǔ)混凝土破
壞：主要現(xiàn)象有混凝土開裂、剝蝕、保護(hù)層脫落、鋼筋
暴露并銹蝕。3)防護(hù)工程破壞：主要表現(xiàn)為錐形護(hù)
坡沉陷、八字墻移位和倒塌。
1．4 對(duì)擋土墻及路基排水設(shè)施的凍害
1)擋土墻的整體傾斜。擋土墻在整體剛度和強(qiáng)
度滿足的情況下，由于墻背填土水平凍脹力的作用
發(fā)生整體傾斜。2)擋土墻不規(guī)則裂縫。由于擋土墻
水文地質(zhì)不良，氣候嚴(yán)寒，漿砌片石擋土墻在凍脹力
作用下產(chǎn)生沿灰漿縫方向不規(guī)則的裂縫，墻體嚴(yán)重
變形乃至喪失抵抗壓力的能力。3)邊溝、截水溝常
常被季節(jié)性凍土破壞的變形，“耍龍”、倒塌、急流槽
斷裂現(xiàn)象非常普遍。這是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)物斷面尺寸
一般比較小，加上都是砌漿片石材料，成品的整體性
很差，在并不強(qiáng)烈的凍脹力作用下就會(huì)產(chǎn)生破壞。
2 凍土地區(qū)公路橋梁凍害的防治
2．1 路基防凍
多年凍土層路基病害的防治目的是確保在路基
修筑后，多年凍土不會(huì)發(fā)生影響路基穩(wěn)定的熱融下
沉，在工程中一般采用改善多年凍土或保護(hù)多年凍
土的措施達(dá)到目的。
1)改善凍土條件
①改善土的凍脹性能?？梢圆扇☆A(yù)融或挖除的
方式完全或部分破壞路基下冰層，當(dāng)采用預(yù)融的方
式時(shí)，在路基填筑前，應(yīng)完全清干凍土融化的水分。
填筑路基的土要選擇水穩(wěn)性好的，強(qiáng)度高的非凍脹
或弱凍脹土，如砂礫、砂、碎礫石等。即便在取料困
難地段，當(dāng)水文地質(zhì)條件不好時(shí)，也應(yīng)該在路基上部
50～80 cm厚度范圍內(nèi)要填筑上述好料，在冰凍嚴(yán)重
地區(qū)，還應(yīng)更厚一些。同時(shí)，對(duì)凍脹地區(qū)的路基壓實(shí)
要做特別的處理，使之達(dá)到最大密實(shí)度，以減少土壤
中毛細(xì)水的上升高度，從而減輕地下水向上轉(zhuǎn)移的
程度，減小凍脹機(jī)會(huì)。②改善路基的水文條件。首
先要做好路基路面的排水設(shè)計(jì)。對(duì)表面水，采取邊
溝、截水溝、排水溝以及路面縱、橫向坡度等措施將
路基范圍內(nèi)的水排到范圍外，防治積水下滲。對(duì)地
下水，可采取設(shè)置盲溝、節(jié)水暗溝等方式，將水截?cái)?
或拍道路及范圍外。設(shè)置隔離層可以防止地下水侵
入路基的上部。透水性隔離層材料宜選用碎石、礫
石、粗砂等。
2)保護(hù)凍土條件
在面對(duì)多年凍土的問題上，我們可以采取讓多
年凍土保持凍結(jié)的方式控制其融化速度。在路基使
用年限范圍內(nèi)，將融化速度、深度控制在允許變形范
圍內(nèi)。我們可以通過調(diào)控輻射、調(diào)控傳導(dǎo)方式和調(diào)
控對(duì)流來解決熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)等熱量從大
氣中向路基傳播的問題。
2．2 瀝青路面低溫裂縫的防治
瀝青路面低溫裂縫的防治，要從路面材料，路面
結(jié)構(gòu)以及混合料級(jí)配等方面進(jìn)行改善，以提高瀝青
路面的抗裂性能，保證其低溫下的使用質(zhì)量。1)從
路面材料著手。瀝青作為瀝青路面的結(jié)合材料，在
高原凍土地區(qū)，要盡量采用在低溫下仍具有一定的
延展性和彈性，且與礦料間的粘結(jié)力較強(qiáng)的高標(biāo)號(hào)
瀝青，盡量采用改性瀝青，瀝青的抗老化能力也是一
項(xiàng)值得關(guān)注的指標(biāo)。瀝青在加熱過程中必須控制加
熱的時(shí)間和溫度，防治高溫老化。防治路面低溫開
裂，瀝青混合料中的礦質(zhì)材料應(yīng)選用堿性材料，(如
石灰?guī)r等)因?yàn)閴A性材料具有較強(qiáng)的吸附性和抗低
溫裂縫能力，所以施工中盡量避免酸性材料。2)嚴(yán)
格掌握混合料的配合比。采用粗料式級(jí)配礦料可減
少瀝青用量和瀝青薄膜的厚度，從而有效提高路面
的低溫抗裂性。
2．3 橋涵基礎(chǔ)的凍害防治
土質(zhì)、水分和溫度是造成橋涵基礎(chǔ)凍害的基本
因素，在選擇防治橋涵基礎(chǔ)凍害方案時(shí)，必須充分考
慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、水文地質(zhì)條件等因素，做到因地制宜、
就地取材、節(jié)約投資、施工方便、效果可靠。
1)改變土的凍脹性
對(duì)橋涵埋置不深的明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，原則上要求
基地埋于凍結(jié)線以上不小于25 cm的非凍土中。當(dāng)
條件所限不能達(dá)到以上要求時(shí)可采取換填土的方法
進(jìn)行防治。同時(shí)可采取加固河床的辦法防治河床沖
刷下切，從而達(dá)到基礎(chǔ)防凍的目的。另外，在季節(jié)性
河流的河床中還可用各種保溫材料，如冰雪、砂礫等
材料加蓋在河床上，以達(dá)到減少凍深、防治凍害的目
的。實(shí)踐表明：冬季在橋涵孔徑范圍內(nèi)積一定深度
的水可以起到相當(dāng)滿意的防凍保溫作用。據(jù)試驗(yàn)：
(下轉(zhuǎn)第53頁)
第4l卷 唐飛，等：小型機(jī)器在路面平整度控制工藝方面的探討 第2期
痕跡。
3．9 磨光
混凝土終凝后，用5 In長(zhǎng)鋁合金尺按3 mm標(biāo)準(zhǔn)
進(jìn)行檢測(cè)，要求合格率達(dá)到90％以上，達(dá)不到時(shí)查找
原因，下次施工時(shí)重點(diǎn)防范。對(duì)檢查出的凸起部位，
確定范圍，作好記錄及明顯記號(hào)3 d后用磨光機(jī)磨
除。
3．10 刻槽
在混凝土終凝后進(jìn)行刻槽，使用的刻槽機(jī)有兩
種，一種是江蘇靖江生產(chǎn)的KW40型刻紋機(jī)，一次課
文40 em寬，縫寬3．5 mm，縫間距2．1 em，每臺(tái)每天刻
槽300 m 左右，另一種是山東棗莊生產(chǎn)的懸軌式多
用混凝土刻槽機(jī)，一次刻槽1．2 m寬，縫深5 mm，縫
間距1．8 cm，每臺(tái)每天刻槽850 m ，這種刻槽機(jī)刻出
的紋直順，一次到位，來回可施工，一次刻槽長(zhǎng)度達(dá)
12 rn。這兩種機(jī)器的操作都只需要兩個(gè)人即可，一
人操作機(jī)器，一人在前沿事先劃好線牽引機(jī)器。
4 施工中注意的事項(xiàng)
1)在施工整體安排時(shí)，將橋涵的橋面鋪裝、橋頭
搭板與路面同時(shí)施工，減少橋涵和路面各自施工標(biāo)
高銜接不上的可能性、消除橋頭跳車的現(xiàn)象。
2)在進(jìn)行填倉施工時(shí)，會(huì)有一些砂漿黏在兩側(cè)
已完成好的混凝土表面上，施工時(shí)設(shè)專人清除，消除
對(duì)平整度的影響。
3)氣溫高于30％時(shí)，不能施工。
4)施工時(shí)出現(xiàn)刮風(fēng)現(xiàn)象，應(yīng)用塑料薄膜將已人
倉的混凝土蓋好，以防水分的散失，并立即停止拌
料。
5)拌制的混凝土水灰比要控制好，水少則施工
方便。
6)在膨脹處，縫兩端分開施工時(shí)，后施工的一端
要特別注意銜接。
5 結(jié)束語
綜上所述，在大型攤鋪機(jī)受財(cái)力、技術(shù)等因素的
制約尚無法全面推廣應(yīng)用之前，采用小型機(jī)具修筑
水泥混凝土路面仍不失為近期水泥混凝土道路的主
要施工方法。工程實(shí)踐表明，只要施工工藝正確，施
工人員嚴(yán)格控制施工過程中的每一關(guān)鍵工藝，水泥
混凝土路面的平整度是可以提高的。
參考文獻(xiàn)
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[2】趙濟(jì)海，王哲人，關(guān)朝靂．路面不平度的測(cè)量分析與應(yīng)用．北京：北
京理工大學(xué)出版社，2000
[3】李繼業(yè)，張玉穩(wěn)，主編．公路工程施工質(zhì)量問題與防治．北京：化學(xué)
工、 出版社，2006
(上接第50頁)
一般冰凍深1 In，相當(dāng)于普通砂礫土凍深1．6 m。
2)減少或消除凍結(jié)力
將橋涵基礎(chǔ)的樁基與外界隔離起來：①用瀝青
將涂敷在橋涵基礎(chǔ)側(cè)表面，減少基礎(chǔ)表面和凍土的
凍結(jié)力；②運(yùn)用套管的方法，將樁基與外界隔離，用
鋼板制成的圓筒套在樁周圍，在樁側(cè)與套管的間隙
處注入黃油等隔溫材料，套管底部焊接剛度大的底
腳，嵌固在暖土中，保護(hù)樁基。
2．4 涵墻及擋墻的防凍措施
如前所述，處在水文地質(zhì)不良的地段的涵洞臺(tái)
身及擋土墻經(jīng)常被臺(tái)背的水平凍脹力作用造成很大
的位移、傾覆甚至倒塌，實(shí)踐中可通過減少墻臺(tái)背填
土的凍脹性達(dá)到減小水平凍脹力的目的。1)加強(qiáng)排
泄水設(shè)施，盡力減少臺(tái)背填土中的水含量。例如，擋
墻的泄水孔位置設(shè)置要合理有效，防治路面、路肩積
水滲入下?lián)鯄Ρ常蠙n墻上方設(shè)置截水溝、飲水槽，
不讓水滲人墻背。2)精心選用墻背填料，用于墻臺(tái)
背的填土要有良好的抗凍性，例如，粗砂、碎礫石等。
在季節(jié)性凍土地區(qū)的公路建設(shè)中，低溫凍脹引
起的過大變形和過抗力往往是控制路面強(qiáng)度、厚度
和結(jié)構(gòu)組合的關(guān)鍵因素；在橋涵等人工構(gòu)造物的設(shè)
計(jì)施工中，凍脹力更應(yīng)是不可忽視的關(guān)鍵因素。在
凍土地區(qū)施工，一定要考慮土結(jié)構(gòu)與融化時(shí)的特點(diǎn)，
認(rèn)真了解土的凍脹性，采取有效防治措施，減少和避
免凍脹的破壞作用。
參考文獻(xiàn)
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