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        季節(jié)性凍土地區(qū)的輸電桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        2010-03-28 06:20:18王向東郭青梅吳曉鋒
        電力建設(shè) 2010年12期
        關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度凍脹力抗凍

        王向東,郭青梅,吳曉鋒

        (河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,石家莊市,050031)

        0 引言

        在季節(jié)性凍土地區(qū)的地基,1個(gè)年度周期內(nèi)經(jīng)歷著未凍土和凍結(jié)土的2種狀態(tài),由于未凍土的力學(xué)特征指標(biāo)遠(yuǎn)較凍結(jié)土的低,所以季節(jié)性凍結(jié)層在夏季未凍結(jié)狀態(tài)時(shí)是地基計(jì)算的最不利狀態(tài)。在冬季,地基土中水的相變膨脹,對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性不利,必須加以考慮。因此,季節(jié)性凍土地區(qū)的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì),首先應(yīng)滿足GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]等非凍土地基中有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,即保證在長(zhǎng)期荷載作用下地基變形在上部承重結(jié)構(gòu)的允許范圍之內(nèi),在最不利荷載作用下地基不出現(xiàn)失穩(wěn)。在符合上述2個(gè)前提下,對(duì)于對(duì)基礎(chǔ)有危害的凍脹性地基土,還應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定計(jì)算凍脹力的大小和對(duì)輸電線路桿塔基礎(chǔ)的危害程度,或考慮采用防凍害的安全技術(shù)措施[1-11]。

        1 基礎(chǔ)凍脹性分析

        1.1 地基土凍深的影響因素

        影響凍深的因素很多,最主要的是氣溫,除此之外尚有季節(jié)性凍結(jié)層附近的地質(zhì)條件、水分狀況以及地貌特征等。在上述諸因素中,只有氣溫屬地理性指標(biāo),其他因素在平面分布上是彼此獨(dú)立的,帶有隨機(jī)性,各自的變化無規(guī)律,有些地方的變化還是相當(dāng)大的。GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄F“中國(guó)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”應(yīng)該理解為在標(biāo)準(zhǔn)條件下取得的,該標(biāo)準(zhǔn)條件即為標(biāo)準(zhǔn)凍深:地下水位與凍結(jié)鋒面之間的距離大于2 m,非凍脹土粘性土,地表平坦、裸露,在城市之外的空曠場(chǎng)地中多年實(shí)測(cè)(不少于10年)最大凍深的平均值。標(biāo)準(zhǔn)凍深一般不用于地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,凍深的影響系數(shù)包括土質(zhì)系數(shù)、濕度系數(shù)、環(huán)境系數(shù)和地形系數(shù)等。

        土質(zhì)對(duì)凍深的影響是眾所周知的,因巖性不同其熱物理參數(shù)也不同,粗顆粒土的導(dǎo)熱系數(shù)比細(xì)顆粒土的大。因此,當(dāng)其他條件相同時(shí),粗顆粒土比細(xì)顆粒土的凍深大,砂類土的凍深比粘性土的大。

        土的含水量和地下水位對(duì)凍深也有明顯的影響,河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在東北地區(qū)做了不少試驗(yàn)研究工作,將土中水位與地下水位都用土的凍脹性表示。地基土若是非凍脹性的,則其凍融對(duì)基礎(chǔ)既不產(chǎn)生凍脹力的作用,也不產(chǎn)生附加的融沉變形,即對(duì)基礎(chǔ)毫無影響。對(duì)于凍脹性土,則在凍結(jié)時(shí)要出現(xiàn)凍結(jié)膨脹的體積變化,即產(chǎn)生凍脹量,并伴隨產(chǎn)生凍脹力的作用;土的凍脹性越強(qiáng),其凍脹量和凍脹力越大,當(dāng)凍脹力超過基礎(chǔ)能夠承受的極限時(shí)就出現(xiàn)基礎(chǔ)上拔破壞,這種破壞在我國(guó)寒冷的北方地區(qū)輸電線路中比較常見,其損害巨大。

        1.2 凍脹分類

        根據(jù)DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[2],土的凍脹類型共分為不凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹四種。

        1.3 凍脹力的確定

        對(duì)于輸電鐵塔來說,凍脹性土鐵塔基礎(chǔ)底面應(yīng)放置在設(shè)計(jì)凍深之下,但其埋置深度必須進(jìn)行凍脹力作用下基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算,即使基礎(chǔ)的埋置深度超過凍層,仍應(yīng)對(duì)切向凍脹力進(jìn)行驗(yàn)算。標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度切向凍脹力極限設(shè)計(jì)值可按DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》確定,同時(shí)注意此值用于鉆孔灌注樁基礎(chǔ)時(shí)乘以1.25的表面粗糙修正系數(shù),用于模板定型澆制基礎(chǔ)時(shí)乘以0.9表面平滑修正系數(shù)。

        2 凍土地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        2.1 設(shè)計(jì)原則

        (1)凍土地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是掌握凍土的性狀,設(shè)計(jì)時(shí),首先要詳細(xì)了解凍土的地質(zhì)結(jié)構(gòu),探明地基標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度。按DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》要求,劃分地基土凍脹類別,然后根據(jù)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的消減凍脹力措施,并進(jìn)行基礎(chǔ)極限抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。

        (2)基礎(chǔ)極限抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算,當(dāng)無資料可查時(shí),按正常最大設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的60%帶入,或根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。

        (3)基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)該大于地基土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度。

        (4)在季節(jié)性凍土地區(qū)除考慮常規(guī)設(shè)計(jì)外,還應(yīng)驗(yàn)算在凍脹力作用下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,若不滿足要求,則改變基礎(chǔ)形式或采取相應(yīng)的防凍害措施[3]。

        2.2 驗(yàn)算基礎(chǔ)極限抗凍拔穩(wěn)定

        對(duì)于普通輸電線路鐵塔直柱基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ),按規(guī)范要求計(jì)算鐵塔基礎(chǔ)的上拔和下壓后,需進(jìn)行基礎(chǔ)的極限抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算。對(duì)于受拉基礎(chǔ),取冬季最大設(shè)計(jì)風(fēng)荷載與標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度產(chǎn)生的切向凍脹力組合值;對(duì)于受壓基礎(chǔ),取無風(fēng)、無冰、最低溫時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度產(chǎn)生的切向凍脹力值。

        基礎(chǔ)極限抗凍拔穩(wěn)定按式(1)計(jì)算:

        式中:γf為基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù);T0為冬季荷載上拔作用力,單位為kN,直線塔取T0=0.6TE+τT,非直線塔取T0=TT+τT;TE為正常荷載上拔作用力,kN;TT為60%的正常荷載同100%的線條角度荷載產(chǎn)生的上拔作用力,kN;τT為標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度產(chǎn)生的切向凍脹力,kN;G0為抗拔力,kN。

        2.3 回填非凍脹性材料

        利用非凍脹性材料(如中沙、粗沙、卵石等)置換剛性基礎(chǔ)周邊一定范圍內(nèi)的凍脹性土體,避免切向凍脹力作用在基礎(chǔ)上。

        采用基側(cè)填沙來防止切向凍脹力是一個(gè)既簡(jiǎn)便又經(jīng)濟(jì)的辦法,但它僅適用于地下水位之上的基礎(chǔ),如果所填的沙子達(dá)到飽和狀態(tài)或含泥量過多,在凍結(jié)時(shí)土與基礎(chǔ)周圍堅(jiān)固地凍結(jié)在一起形成較高的凍結(jié)強(qiáng)度,就會(huì)失去防切向凍脹效果。施工時(shí)必須保證不小于基礎(chǔ)底板的寬度,才能保證安全可靠。

        2.4 坡形基礎(chǔ)

        坡形基礎(chǔ)是將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成圖1形式,國(guó)內(nèi)外工程界進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明:其側(cè)面坡度不小于1∶7為宜;從多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,切向凍脹力很大,使用坡形基礎(chǔ)的目的就是將基礎(chǔ)側(cè)面設(shè)計(jì)成β≥9°的斜面來消除切向凍脹力,使基礎(chǔ)受力均勻。經(jīng)驗(yàn)證明β≥9°時(shí),坡形基礎(chǔ)穩(wěn)定的原因不是由于凍脹力被下部擴(kuò)大部分給錨住,而是由于在傾斜面上出現(xiàn)拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂,切向凍脹力退出工作造成的。

        該種坡形基礎(chǔ)與常規(guī)基礎(chǔ)相比,施工要求較嚴(yán)格,要求其基礎(chǔ)表面光滑以及埋置深度應(yīng)大于地基土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度。

        2.5 樁基礎(chǔ)

        樁基礎(chǔ)是利用深基礎(chǔ)在不凍土中的樁土間摩擦力(或凍結(jié)阻力)平衡凍脹土區(qū)域內(nèi)作用于鐵塔基礎(chǔ)上的切向凍脹力[4]。深基礎(chǔ)一般用于軟弱強(qiáng)凍脹地基。基礎(chǔ)入土深度應(yīng)滿足正常設(shè)計(jì)荷載和克服切向凍脹力驗(yàn)算所需的設(shè)計(jì)深度,但是要保證基礎(chǔ)施工時(shí)頂部不出現(xiàn)擴(kuò)大頭情況。施工時(shí),一般采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)或打入式樁基礎(chǔ)。這種方法施工費(fèi)用較高,工程質(zhì)量控制較為困難,所以應(yīng)在在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案比較后采用。

        根據(jù)工程實(shí)踐[5-11],多年凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)還要采取下列措施:

        (1)基礎(chǔ)在施工和使用期間,應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境采取防止破壞溫度的自然平衡狀態(tài)的保護(hù)措施,建立完善的排水設(shè)施,防止地下冰融化導(dǎo)致的基礎(chǔ)下沉。

        (2)鐵塔的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在最大融化深度范圍內(nèi),應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行抗凍脹性計(jì)算,并采取抗凍脹性構(gòu)造措施,施工中不得隨意簡(jiǎn)化程序,以確保工程質(zhì)量。

        3 工程實(shí)踐

        在上都(正藍(lán))—承德500 kV緊湊型輸電線路工程中,上都電廠出線段部分線路處于凍土深度較深、地下水位較淺的地基中,考慮到凍脹力的影響,將部分基礎(chǔ)型式采用直柱配筋剛性基礎(chǔ),同時(shí)主柱采用9°坡面,滿足了工程需要。在內(nèi)蒙古東部220 kV海拉爾—扎賚諾爾送電線路中,大部分基礎(chǔ)利用增加埋深滿足基礎(chǔ)極限抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算的要求,對(duì)部分塔位凍深超過3 m的基礎(chǔ)采用了棱臺(tái)基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ),較好地適應(yīng)了工程地質(zhì)情況。

        4 結(jié)論

        在季節(jié)性凍土地區(qū)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)工程中可主要采用以下方法處理基礎(chǔ)的凍脹和凍融問題:

        (1)選擇合適的基礎(chǔ)埋深,避免基礎(chǔ)的凍融影響。

        (2)直柱基礎(chǔ)需驗(yàn)算基礎(chǔ)的極限抗凍拔穩(wěn)定,如不滿足極限抗凍拔穩(wěn)定要求,則增加埋深或采用將直柱做成9°坡面型式。

        (3)對(duì)部分有條件的塔位結(jié)合工程實(shí)際情況采用回填粗砂、中砂等非凍脹性散粒材料的方法解決凍脹問題。

        (4)對(duì)部分凍深超過2 m,同時(shí)其他地質(zhì)條件較差的地基采用樁基礎(chǔ),也須驗(yàn)算基礎(chǔ)的極限抗凍拔穩(wěn)定。

        [1]GB 50007—2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

        [2]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

        [3]JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

        [4]JGJ 118-98凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.

        [5]程永鋒,魯先龍,劉華清,等.青藏鐵路110 kV輸電線路凍土樁基模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(Z1):4378-4382.

        [6]魯先龍,程永鋒,費(fèi)香澤,等.新疆皇吉220 kV輸電線路天山段多年凍土工程特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(Z1):4383-4387.

        [7]魯先龍,程永鋒.我國(guó)輸電線路基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀與展望[J].電力建設(shè),2005,26(11):25-27,34.

        [8]魏占元.青藏鐵路110 kV輸電工程錐柱基礎(chǔ)發(fā)生沉降、位移原因分析及處理措施探討[J].青海電力,2009,28(3):22-24.

        [9]童 武.多年凍土對(duì)輸電線路桿塔基礎(chǔ)的影響及處理措施[J].青海電力,2001,20(4):38-39.

        [10]張宏偉,楊雪梅.多年凍土地區(qū)建筑地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討[J].低溫建筑技術(shù),2003(4):54-55.

        [11]劉常青.多年凍土工程地質(zhì)特性及對(duì)送電線路的影響[J].青海電力,2006,25(2):11-14.

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