青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形特征及成因分析

周有禄,熊治文,王起才,李建新

青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形特征及成因分析

周有禄1,2,熊治文2,王起才1,李建新1

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070;2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000)

根据对青藏铁路多年冻土区桥梁工程出现的主要变形进行的现场调查和监测数据分析,总结青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形病害现状及特点,揭示病害机理,对桥梁墩台变形机理、发展趋势和变化规律进行分析,提出通过改善地基多年冻土环境、减少地基土冻胀及增加桩基承载力等方式来控制桥梁墩台变形的整治措施,以保证青藏铁路的可持续安全运营。

青藏铁路;多年冻土;桥梁墩台;变形;整治

青藏铁路经过中、低纬度地带海拔最高、多年冻土分布面积最广、厚度最大、温度较低的地区,其自然条件恶劣,工程地质条件复杂。青藏铁路格拉段穿越多年冻土区长约547 km,桥梁共有675座总长159 km,其中多年冻土区桥梁447座总长118.6 km,分别占格拉段桥梁总数和总长的66.2%和74.6%,保持多年冻土区桥梁良好的技术状态对青藏铁路的安全运营意义重大。

多年冻土区桥梁病害问题的实质是桥梁墩台的变形,而桥梁墩台变形是地基-基础系统综合作用的结果。因此,对运营后多年冻土区桥梁工程出现的主要技术问题进行现场调查,找出多年冻土区桥梁墩台的变形特点,分析变形成因及趋势,提出青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形综合整治措施,对保证青藏铁路的安全运营具有重要意义。

1 多年冻土区桥梁墩台变形概况

据调查,墩台变形较严重的16座分布在昆仑山至扎加藏布。其中只有1座位于融区,其余15座均位于多年冻土区,且属高含冰量多年冻土,其中这15座桥有8座桥地基土属高温冻土,7座属低温冻土。融区桥下是常年性河流,其他15座处在季节性河流上。16座病害桥梁有单孔桥8座,多孔桥8座;面向拉萨,有7座桥梁为上坡,最大坡度20‰;7座桥是下坡,最大坡度15‰;2座桥梁是水平的。可见,上述病害桥梁与多年冻土条件是密切相关的。

2 多年冻土区桥梁墩台变形病害特征分析

2.1 多年冻土区桥梁墩、台变形病害形式

通过调查发现桥梁主要病害形式有:①垫石裂缝;②部分梁端上翼缘或下翼缘顶紧,成了刚性接触;③限位块裂缝或断裂;④支座移动;⑤抗震桩破坏。这些病害现象均反映出桥梁的墩台发生过异常变形,见图1～图4。

图1 桥台垫石裂缝

图2 梁左侧上翼缘顶紧

图3 桥台限位块断裂

图4 桥台支座移动

2.2 多年冻土区桥梁墩台变形特征

从16座病害桥梁中,根据桥跨、线路纵坡、冻土条件等综合考虑,选取变形较大且具有代表性的桥梁进行如下分析。

例如A桥的变形情况为:桥台自2009年1月至2009年10月竖向变形量很小,在2009年10月至2010年4月缓慢胀起,其后又开始回落,总体上竖向变形稳定,遵循“寒季胀起,暖季回落”规律。B桥主要变形情况为:桥台在整个观测期间内沉降变形量很小;1号墩发生沉降,变形主要发生在2009年及2010年暖季,累计变形量达8 mm;2号墩整体发生沉降变形,最大为4 mm;桥台观测期内呈“寒季胀起,暖季沉降”的趋势,最大冻胀变形量为5 mm,差异变形不明显。C桥主要变形情况如下。

(1)沉降变形

该桥台、1号桥墩的沉降变形曲线见图5、图6 (注:负值代表沉降,正值代表胀起)。

由图5和图6可以看出,观测期内,该大桥桥台略有胀起,最大达到7 mm;1号墩的竖向变形均较小。桥台有“寒季胀起”的现象。总的来说,该大桥在观测期间的竖向变形方面处于稳定状态。

图5 C桥台沉降变形曲线

图6 C桥1号墩沉降变形曲线

(2)纵向变形

观测期间该桥台倾斜角度变化曲线见图7(注:以拉萨方向为前进方向,正值表示前倾即向前进方向倾斜,负值表示后倾即向格尔木方向倾斜)。图中倾斜角度为桥台前墙边线与竖直线间夹角相对于初始值的变化量。

图7 C桥台倾斜角度变化曲线

该桥台的倾斜观测自2009年9月开始。观测期间桥台倾斜变化量很小,但总的趋势是向前倾。

该桥台胸墙与左右片梁端间距变化曲线,见图8、图9(注:负值代表间距减小,正值代表间距增大)。

图8 C桥台线路左侧梁端间距变化曲线

图9 C桥台线路右侧梁端间距变化曲线

由图8、图9可以看出:该桥台与梁端间距自2009年4月～9月和2010年4月～9月间呈现逐渐减小的趋势,在10月至次年3月间呈相对稳定状态。由于每年4月初天气转暖,至9月气温多处于正温状态,梁体出现受热伸长现象,故梁端与桥台胸墙的间距减小;相反,10月至次年3月间,气温处于大幅降温或较低负温状态下,梁体长度应变小,梁端与桥台胸墙的间距应增大,则观测到的10月至次年3月间梁端与桥台胸墙的间距相对不变的现象说明,桥台和1号墩之间相对距离减小。综合桥台垫石出现的压剪裂缝、1号墩支座螺栓弯曲现象和图7桥台在11月至次年2月有前倾趋势,可以判定该桥桥台在寒季向前倾斜。

3 多年冻土区桥梁墩台变形病害原因分析

对C桥多年冻土区桥梁墩台变形的原因加以分析,并总结出病害桥梁墩台的变形机理。该桥位于昆仑山区,地势起伏较大,左高右低,植被稀疏。桥头路基结构为“片石路基+片石护道”,路基沉降变形量较大,导致片石护道内侧形成陷槽,挡水埝与路基坡脚之间排水不畅,水从路基基底渗过,热侵蚀严重(图10)。

图10 桥头路基左侧坡脚积水

该桥上限附近存在高含冰量多年冻土,桥头路基右侧路肩填高6.4 m,8.2～9.2 m(圆砾土)为含土冰层,但是在9.2～10.5 m为融土,由勘察试验资料可知该层含水饱和。这主要是由于基底过水热侵蚀造成含冰量较低部位融化形成的。

该桥桥头路基填料粉黏粒含量为25.8%,通过对该桥桥头路基土体进行开敞系统下的冻胀性试验,其冻胀率达14.9%,为特强冻胀土体。观测发现,桥台下地基土粉黏粒含量较高,为特强冻胀土体。该桥工程地质断面见图11。

图11 C桥台及桥头路基工程地质断面

该桥天然地面孔地温曲线和桥台后左路肩地温曲线见图12、图13,天然地面孔、桥台左路肩孔的地温场特征值如表1所示。

图12 C桥天然地面孔地温

图13 C桥台后左路肩地温

表1 C桥地温场特征值

由图12、图13及表1可知,该桥所处地段年平均地温较低,为低温稳定区,天然地面孔地温曲线类型为“过渡型”,左路肩孔地温曲线类型为“吸热型”,桥台地基多年冻土有退化趋势。

由于融化夹层土质为圆砾土,具有较强的透水作用,从路基左侧坡脚地表补给的水,通过透水性较好且处于融化状态的圆砾土时,其热影响范围应该足以达到承台部位,台后路基大量融化下沉的现象从侧面证明了这一点,也就是说承台下可能同样存在融化夹层。这样,寒季融化夹层回冻时,承台底面是有可能受到法向冻胀力的。

根据以上分析,该桥桥台变形的主要原因如下。

(1)由于台后路基填土粉黏粒含量高,在桥头路基大量下沉的情况下,由线路纵向朝台后路基填土补水的条件具备,台后路基填土具有较强的冻胀性。由于台后路基存在路基表面、路基侧面和桥台临空面等3个受热面,在台后路基填土冻结的过程中,竖直方向和水平方向同时发生冻结,使台背受到水平冻胀力的作用,而且随着深度的增加,台背方向水平冻胀作用逐渐凸显。

(2)桥台的变形主要是在法向冻胀和水平冻胀的共同作用下发生的。受承台下桩基的竖向约束作用,桥台的竖直方向的沉降变形较小;但在水平方向,桩基的约束作用较小,故可发生较显著的变形,且在线路荷载影响下,水平变形难以恢复。

4 多年冻土区桥梁墩台变形整治措施

4.1 桥梁墩台变形整治原则

从冻土学原理出发,桥梁墩台变形病害整治应遵循以下原则。

(1)治水优先的原则

由于水的比热大、导热系数较大,所以土中渗流的水往往携带着大量的热量。对于多年冻土来说,外来水的热侵蚀是冻土稳定性最大的威胁;另一方面,水是台后路基填土发生冻胀的必要条件,为了防止桥台受到水平冻胀,必须杜绝水渗入台后路基。

(2)工程环境治理优先的原则

这里所谓的工程环境,是指多年冻土区工程周围一定范围的地表条件、地层条件和排水条件等。对于多年冻土区工程而言,基底多年冻土的稳定,依赖于工程环境的保持和改善。

(3)桥头路基与桥台并重的原则

桥台的变形往往与桥头路基的下沉病害相伴发生,在治理桥台变形病害时,必须同时对桥头路基下沉病害加以整治,否则桥台的稳定是难以单独达到的。

4.2 桥梁墩台变形整治工程措施

多年以来,科技工作者对适用于青藏铁路多年冻土区桥涵工程采取了“热棒”、“片石保温护坡”、“通风管路基”、“保温材料”、“遮阳板”等保护多年冻土工程措施及“挡水埝”、“隔水板”等截排水工程措施实验研究。对于既有工程,在不得影响行车的条件限制下,一般采用“热棒”、“片石保温”以及截排水措施进行综合整治。

因此,从维护多年冻土稳定和消除冻胀发生的必要条件出发,桥梁墩台变形病害整治措施主要有以下几类:①加强截、排水,减少地表水及冻结层上水对桥台附近多年冻土的影响;②抬升人为上限至承台底面以上,减缓并消除法向冻胀力的作用;③切断桥台背后土体水分补给来源,降低桥台背后土体冻胀作用;④对承载力不足桥墩进行加桩补强,同时降低多年冻土地温以提高桩基承载力;⑤对台后路基填土和地基一定深度的冻胀性土体及高含冰量冻土采用非冻胀土进行换填;⑥在台背和路桥过渡段设保温板。

5 结语

青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形病害是高原环境与地基——基础系统综合作用的结果,涉及到多年冻土稳定、地基土水分条件、地基土土性成分、季节融化层厚度等多方面。本文研究采用现场调查、工程地质勘察、变形及地温监测等手段相结合的方法,得到如下主要结论。

(1)桥台的变形相对较为复杂,有向台前的倾斜和向台后的倾斜等情况,并伴有桥台的沉降或胀起变形。按照是否存在梁对桥台的纵向约束作用,可以将桥台的变形分为前后两部分:梁体支座正常工作时,梁对桥台没有纵向约束力,病害桥台向台前倾斜,并产生沉降;当支座失效直至梁端与胸墙顶紧后,梁对桥台的纵向约束作用逐渐增强,桥台可能出现“胀起”并向台后倾斜。

(2)青藏铁路多年冻土区桥梁墩台竖向出现微小的变形,变形规律整体呈“寒季胀起,暖季沉降”的趋势,但是差异变形不明显,桥台基本处于稳定状态。在观测期内,桥台在纵向上出现倾斜变形,但是变形量不大,可以认为主要是由于前期桥台整体变形造成了梁端挤死,目前已经没有了纵向变形的空间。

(3)青藏铁路多年冻土区桥梁墩台变形主要是由于桥台后土体水分及土体粉黏粒迁移引起的水平冻胀、地基多年冻土退化导致台下地基土的不均匀法向冻胀增加以及由于多年冻土条件的改变引起的桩基承载力减弱等引起,对于青藏铁路多年冻土区既有桥台则需要从水、热两方面入手进行病害整治。

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Deformation Characteristic and Reason Analysis of Bridge Piers and Abutments on Qinghai-Tibet Railway in Permafrost Region

ZHOU You-lu1,XIONG Zhi-wen2,WANG Qi-cai1,LI Jian-xin1
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Northwest Research Institute Co.,Ltd.,China Railway Engineering Corporation,Lanzhou 730000,China)

Based on field investigation and monitoring data analysis of the main deformations appearing at the bridges on the Qinghai-Tibet Railway in permafrost region,this paper summarized the present situation and the characteristics of the deformation disease of the bridge piers and abutments in this region,revealed the disease mechanism,and analyzed the mechanism,development trend and change rule of the bridge pier and abutment deformation.Moreover,to ensure sustainable security operation of the Qinghai-Tibet Railway,the relevant treatment measures for controlling bridge pier and abutment deformation were put forward in this paper,such as improving the permafrost environment of subsoil, decreasing the frost heave of subsoil,enhancing the bearing capacity of pile foundations,etc.

Qinghai-Tibet Railway;permafrost;piers and abutments of bridge;deformation;treatment

U443.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.008

1004-2954(2014)04-0033-04

2013-07-27;

2013-08-12

长江学者和创新团队发展计划资助(IRT1139)

周有禄(1984—),男,硕士研究生,E-mail:you-lu@163.com。