試論高寒凍土地區的橋涵病害研究及預防治理措施

劉美萍

摘 要：近年來，我國凍土范圍在逐漸增加，大部分出現在東北大興安嶺、小興安嶺、青藏高原以及西部高山等地方，整體面積在214萬平方公里左右。所謂高寒凍土主要是由水、冰、顆粒以及氣體等物質構成的繁雜體系。本文將主要圍繞高寒凍土地區的橋涵病害形成原因展開分析，并提出具體預防治理措施以供參考。

關鍵詞：高寒凍土；橋涵病害；預防治理

1 引言

大部分橋涵設計人員通常僅關注于規范對構造強度謀劃方面的安全性需求，卻往往忽視高寒凍土條件下橋涵的經久性和可靠性。大量橋梁即使符合設計標準的強度需求，但卻在使用的3-11年間便由于經久力較差產生質量問題，從而影響其整體構造的安全。因此設計人員要充分重視高寒凍土區域的橋涵病害。

2 高寒凍土地區的橋涵病害形成原因

2.1 橋梁基礎不均衡凍脹

因為水凝結成冰過程中，體積會增加9%。所以通常情況下，土壤中的水的凍結和冰體的增長，引發土體膨脹、地表不均衡凸起，這種現象便是凍脹。土體凍結會導致水分流動，其不但會造成自身位置的結冰現象發生，同時在滲透力的影響下，水分會從原本位置流向凍結鋒面再次成冰，增強凍脹效果。地基中水分的凍結，會形成連鎖反應，讓較為穩固的基礎與其一同產生凍脹力。如果出現基礎的分量和附屬荷載無法處于平衡狀態時，基礎會在凍脹力的影響下出現拔變形現象，進而產生凍脹。在自然環境中，因為地基中的土質、凍結、水分條件均有所差異，橋梁樁基礎的凍脹也將會是不均衡的，這是造成高寒凍土地區的橋涵冰寒的主要原因。

2.2 土地負荷能力變低

建設橋涵基礎、挖掘基坑、修建基礎圬等工作，更改了原來地層的水熱交換要求。施工過程中熱量的產生，讓地表溫度增加，地基底部凍土逐漸消融，上限下降，減少了地基的負荷能力，造成橋梁出現生淺基礎、不均衡下沉、縱向裂縫以及涵洞基礎、洞口、洞身的撕裂和變形現象。還有一些施工中，因為材料提供時間過晚或者一些其他因素導致基坑顯露時間大大延長，產生積水，過量的太陽熱量直射到凍土基礎中，讓多年凍土開始逐漸融化、上限下降。但是基礎處于負荷能力較差的泥土中，讓橋涵基礎在早期施工階段就大大遭到損壞[1]。

2.3 通風作用造成小橋涵損壞

橋涵的通風效果更改了多年凍土的水熱均衡要求，讓小橋涵中間區域的多年凍土上限升高，而橋涵頂端和洞口的多年凍土上限下降，導致橋涵洞墩、涵臺流水方向土體的凍脹和融化沉降不均勻程度加劇，造成小橋涵的兩側以及洞口形成裂縫以及沉降等問題。因為小橋涵的前期破裂下沉，進入涵洞的水，一部分流入鋪設層下，水中的潛熱融入多年凍土層中，讓其上限下降，季節活動層厚度增加，加快融沉與凍脹的發生。一旦小橋涵無法應對這種重復融沉與凍脹的過程，將會釀成各種種類、程度的損壞問題出現。

3 高寒凍土地區的橋涵病害預防治理措施

3.1 提高地基多年凍土的冷儲量

提高地基多年凍土的冷儲量，是保證地基多年凍土溫度保持在設計標準溫度的一種切實可行的重要舉措。地基冷儲量的加大，將促使地基中多年凍土的溫度變低。這也就代表著地基多年凍土強度會大大增強，負載能力也就隨之提高，蠕變變形范圍縮小，地基基礎的穩固性從而得到有效增加。歸屬這種方式的工程策略主要有兩種，一種是熱棒，另一種是拋石碓層。前者是用熱棒降低橋涵地基的溫度；后者是把石塊或者片石聚集成堆，將其全面鋪設在橋涵地基基礎上，以此提高冬季進入地基多年凍土的冷量。

3.2 削弱施工過程中對地基多年凍土的熱干擾

橋涵基礎在施工過程中，要盡可能的縮短基坑的顯露時間，強化臨時阻擋熱量的預防工作，以防讓多年凍土直接呈現在陽光強照下，以及基坑積水的形成。基礎施工完畢后，要積極對坑基進行回填處理。在樁基施工過程中，鉆孔時最好使用旋挖鉆機。在不得不用泥漿反復展開鉆進時，要盡可能降低所用泥漿溫度。及時做好施工前期預備工作，最大程度的減少樁基施工工期。

另外，制作混凝土時要嚴格按照一定配比，關鍵是要減少其中的水灰比，水泥水化需要的水分只是全部重量的24%左右，如果水量變多，過剩的水會脫離析出，形成間隙，充足后便會造成凍脹。

3.3 強化排水、導水設備

建造橋涵工程過程中，盡可能的避免更改河流、溝渠的流向條件。橋位位置的河槽最好避免施壓，以及改溝設涵。針對多年凍土區域，最正確的做法是一個溝槽搭配一橋涵。及時正確的建設河床，以防橋下河床出現積水現象。同時還要對橋涵底部進行積極建造，為預防流水進入涵洞地基奠定堅實基礎。與此同時，要始終保持鋪設橋涵的溝槽暢通狀態，避免涵前積水問題的發何時能。以上這些方法均能在預防冰丘、冰錐的形成上起到一定作用，同時還能及時應對橋涵地基多年凍土上限的改變。

3.4 選擇抗凍融材料

鋼纖維硅粉混凝土是重要的抗凍融材料。首先，鋼纖維在水泥膠塊中穿梭，讓膠塊能夠密切貼合，在鋼纖維與基體黏結力的影響下，增加了裂縫應力聚集區朝基體內部的擴散時間，并且鋼纖維的限制裂縫能力，又可以有效阻止混凝土的前期塑性破裂，阻礙和疏散裂縫的伸展以及程度加深，制約凍脹壓力發生的裂縫，讓基體內部處于良好環境，這在分割后的凍融情況中能分辨出其狀況和沒有凍融前的基本一致。其次，高活性硅粉的融入，轉變了基體的功能，其不但填補了水泥間隙，而且硅粉能攝取水泥縫隙中的氫氧化鈣離子，產生較多的C-S-H凝膠，提高了混凝土的凝膠比重，水泥石較大的空隙變少，增加混凝土密度，滲透能力也隨之削弱。這時混凝土的孔構造和孔與孔之間的空隙符合抗凍性的需求，水分在這樣的孔徑范疇中，難以移動到相鄰的縫隙中去，凍融反復發生時形成液體壓力便相對困難。此外，硅粉完善了水泥漿和纖維界面區與集料的構造，提高了界面間的相互黏結力，基體與鋼纖維黏結力的大幅度增強，促進鋼纖維更好的顯現其自身功效，在抑制裂縫、提高強韌度上具有重要意義。

4 結論

綜上所述，高寒凍土地區的橋涵病害大部分是由于融沉和凍脹而引發的構造改變，橋涵構件如果遭受損害，不僅對往來行車帶來嚴重的安全隱患，而且后期修復也十分繁難。在凍土區域，針對橋涵病害的預防治理不能單單注重設計環節、施工過程，在平常維修養保養中同樣要加以重視。

參考文獻：

[1] 郭良宇.多年凍土地區橋涵病害防治原則與主要對策[J].科技視界，2014（28）：313.

[2] 秦毅.新疆多年凍土地區橋涵病害調查及防治措施[J].交通標準化，2014（14）：114～117.