高原冻土地区边防公路桥涵设计要点探讨

高原冻土地区边防公路桥涵设计要点探讨

摘要：：我国高原冻土地区现有的边防公路等级普遍较低，并且建设年代较早，加上高原地区气温低、自然环境差等因素，导致既有结构物大部分都是险桥涵，

行车危险很大，严重影响了边防公路的运输能力以及边境地区的经济建设需要。

本文结合某高原冻土地区边防公路桥涵常见的病害及成因，提出设计中应注意的

问题并对设计要点进行总结，希望对边防公路建设的长期发展起到积极作用。

关键词：高原冻土边防公路桥涵设计

我国高原冻土地区边防公路多以四级砂石路为主，且相对低海拔地区而言，

高海拔地区自然环境恶劣，存在常年低温缺氧，高山积雪融水、冻土、不良地质

分布广泛等问题，这些不利的自然环境给边防公路的桥涵设计及施工带来巨大的

挑战。由于边防公路的等级较低，加上外部恶劣的自然环境对其常年的侵蚀与破坏，如果设计或者施工不当会迅速降低桥涵结构物的耐久性、造成桥涵结构物的

损坏，严重影响边防公路的通行运输能力。通过对某高海拔地区边防公路的现场

调查发现，大部分结构物均出现不同程度的病害及破损。

一、桥梁常见病害及原因分析

1、高原冻土地区桥梁常见病害

1）预制板梁产生较大的挠曲变形，且板梁底部出现较大的竖向贯穿裂缝，有的板梁底部混凝土出现碎落、露筋等。

2）多孔桥桥面出现波浪型的不平状，桥面铺装脱落。

3）伸缩缝掉落、堵死，板梁端头顶死、突起并折断。

4）墩台严重剥蚀，部分桩、柱露筋，薄壁墩台基础沉降，墩台身开裂。

5）锥坡冻胀、沉陷、八字墙外倾、开裂、外移。

6）导流堤由于冻胀作用，导致开裂、坍塌等破坏。

7）桥面板损坏、铺装层损坏、伸缩缝损坏。

2、引起桥梁病害的主要原因

通过对冻土地区调查资料研究及分析，桥梁结构多数为钢筋混凝土板桥为主，下部结构主要为桩、柱式墩台或薄壁墩台。由于开挖基坑，改变原地层的水热交

换条件，施工中热量的介入，使地温升高，基底冻土融化，人为上限下移，降低

了地基承载力，导致桥梁浅基础不均匀沉降，并产生竖向裂缝、锥坡冻胀、沉陷

等病害现象。

二、涵洞常见病害及原因分析

1、高原冻土地区涵洞常见病害

1）涵台沉降、倾斜或开裂；涵洞洞身塌腰、错台、漏水。

2）涵底铺砌开裂、破碎和渗漏；涵洞口铺砌和八字墙大量破损。

3）洞口端墙和翼墙沉降、倾斜或开裂；涵洞口端翼墙受冻拔与热融变形作用而开裂及倾伏。

4）洞口铺砌和急流槽开裂、破碎、渗漏和冲刷损毁。

5）盖板明涵与路基沉降变形不协调，影响行车平顺性。

6）涵内冰塞和淤堵。这主要发生在径流期长、特别是涵洞过水水源由常年性地下水补给的少数涵洞中。个别与涵洞横向坡度过小、涵径不足、排水不畅有关。

2、引起涵洞破坏的主要原因

1）工程对冻土环境的改变，导致冻土地基升温融化、承载力下降。涵洞工程的修建改变了地基冻土环境和地气水热交换条件，或者蓄积热量，导致冻土地基

升温融化、承载力下降，从而引起结构较大的变形和严重的破坏。

2）周期性冻胀与融沉，引起桥涵构造物的破坏。有些涵洞适应变形的能力较差，在周期性的冻胀与融沉作用下，易引起构造物的破坏。另外，由于洞口翼墙

或端墙与强身变形不协调，在冻融作用下出现脱开或挤压破坏。

3）涵洞底渗漏导致涵洞破坏。涵底渗漏会导致含水率增加，融化深度加大，加剧了冻胀和融沉的破坏作用。

4）涵洞施工质量与养护质量低下加剧了涵洞破坏。

三、高原冻土地区边防公路桥梁、涵洞设计要点

1、边防公路桥梁最为重要的设计原则是损毁后易修复，局部破坏不影响整体稳定，部分垮塌后军用构建能及时替换【1】，鉴于简支梁结构简单、后期维护

方便、且由于地基冻胀变形所引起的结构次内力小等优点，高原冻土地区边防公

路优先选用简支梁结构。

2、高原边防公路桥梁尽可能采用跨径统一的上部结构形式，对于单孔小跨径桥梁推荐采用L=13m、16m空心板梁或者密肋矮T梁形式，对于单孔大跨径推荐

采用L=25m、30m预制T梁。这是由于高原地区路网稀疏，多数山区地形狭窄，

从施工角度考虑，设计上宜采用较小跨径形式以及轻便的T梁较为稳妥。

3、对于小桥桥台宜选择稳定性较好的扶壁式桥台。为节约高原冻土地区边防公路工程造价，小桥采用轻型桥台可以避免台前溜坡，无形中增加了桥梁跨径，

节约了工程造价。另外，传统的薄壁台一般要设置支撑梁与桥台及上部结构形成

框架参与受力，这样埋入冻土中的支撑梁很容易受到冻胀作用发生破坏，对桥梁

安全性有一定影响。而扶壁台通过扶壁构造抵消台后土压力，不用设置支撑梁，

有效提高了桥梁结构的耐久性，并且桥台采用双排桩基础提高了桥梁在高原冻土

地区的安全储备。

4、高原冻土区桥梁基础设计的合理性是桥梁设计的重点，是桥梁工程成败的关键。冻土区天然上限冻胀隆起、融化下沉等不良地质十分普遍，因此绝大多数

桥梁基础根据工程地质条件只能采用深基础即桩基础【2】。

5、适当加大钻孔灌注桩的桩间距，以减少钻孔和灌注水泥混凝土对冻土的扰动和破坏，同时可增加基础的刚度，提高桥梁运营时的稳定性。根据JGJ118—98《冻土地区建筑地基基础设计规范》规定：一般桩间距不应小于3～4d（d为桩径），又不得小于2m。

6、高原地区分布的河流多为高山积水融水形成，随着气温升降流量变化明显，由于边防公路路基高度较低，因此跨河桥梁应适当增加桥长，确保桥下行洪安全。另外，在高原平坝上河道一般无明显的滩槽分界，水流散漫，需要在桥孔上游设

置一定长度的导流坝。导流坝基础应埋入冻深线以下，材料使用混凝土预制块，

减少高原地区现场作业。

7、应重视高海拔地区桥梁的耐久性设计。混凝土型号不低于C30，混凝土采

用抗冻水泥混凝土，严格控制水泥质量；桥梁墩台及基础设计时，适当加大钢筋

保护层厚度；适当加大台身、基础的断面尺寸和配筋率，降低结构的裂缝宽度。

8、高原地区对既有边防公路需要改建的路段，当涉及到既有桥梁时，建议另辟新线，保留原桥位，当做备用通道。

9、通过对高原地区某边防公路调查发现，过水路面受冻胀作用严重破损，且冬季结冰导致车辆无法通行，建议设计中取消过水路面改为桥涵。

10、涵洞宜选用适应变形良好的钢波纹管涵，如果条件许可，尽量加大孔径，即可以迅速泄洪防止积水结冰，又方便人工清淤。为保证钢波纹管涵在大冻胀量