王玉環(huán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

哈大鐵路客運(yùn)專線季節(jié)性凍土區(qū)段接觸網(wǎng)柱基礎(chǔ)設(shè)計

王玉環(huán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電氣化處,西安 710043)

主要闡述特殊地質(zhì)即季節(jié)性凍土條件下接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的設(shè)計理念。針對東北地區(qū)季節(jié)性凍土這一特殊土壤特性,提出采用機(jī)械擴(kuò)底樁基來抵抗季節(jié)性凍土凍脹上拔,其優(yōu)點(diǎn)是有效地提高抗凍拔力及減少鉆孔深度,盡可能減少支柱基礎(chǔ)與路基內(nèi)樁板結(jié)構(gòu)干擾。機(jī)械鉆孔擴(kuò)底樁基是季節(jié)性凍土代表區(qū)域內(nèi)高速鐵路建設(shè)中接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)計可選的優(yōu)化方案,也是支柱基礎(chǔ)底部受到地基處理措施干擾及濕陷性黃土影響要求基礎(chǔ)淺埋時的佳選。

哈大客運(yùn)專線;接觸網(wǎng)支柱;季節(jié)性凍土;上拔力;凍脹

凍土形成主要是地面以下一定深度的地層溫度隨大氣溫度而變化,當(dāng)?shù)貙訙囟冉抵?℃以下時,土中部分孔隙水將凍結(jié)而形成凍土。凍土分為季節(jié)性凍土和多年凍土,季節(jié)性凍土在冬季凍結(jié)而夏季融化,每年凍融交替1次,具有低溫、易變、溫度敏感等特殊工程地質(zhì)性質(zhì)[1]。多年凍土則不論冬夏,常年均處于凍結(jié)狀態(tài),且凍結(jié)連續(xù)3年以上。對于淺基礎(chǔ)來說季節(jié)性凍土的危害要比多年凍土大,因為季節(jié)溫度差異使得基礎(chǔ)的附加應(yīng)力非恒定,而是隨凍脹量變化而變化。

我國季節(jié)性凍土分布很廣,東北、新疆是主要分布區(qū)[2],凍土厚度均在0.5 m以上,最大可達(dá)3.0 m左右,而哈大鐵路客運(yùn)專線恰位于季節(jié)性凍土區(qū)段。哈大客運(yùn)專線沈哈段沿途經(jīng)過新四平、雙城、長春西等9個新建站,沈哈段氣象條件較差,特別是四平到哈爾濱區(qū)段,受季節(jié)性氣候影響較大,四平～哈爾濱區(qū)段沿線季節(jié)性凍土分布較廣。沈哈段主要標(biāo)準(zhǔn)測量凍結(jié)深度及設(shè)計凍深見表1。

從全線最大季節(jié)凍土深度區(qū)劃表來看,最大凍結(jié)深度為 2.05 m。經(jīng)調(diào)查路基區(qū)段土體含水量為42.4%,最小為20.8%,年平均值為33.389%,而《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJ118)規(guī)定當(dāng)土體含水量大于18%可視為強(qiáng)凍脹地基類別。季節(jié)性凍土危害不容忽視,主要影響表現(xiàn)為冬季上拔和夏季融陷。接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ),所以在設(shè)計時必須考慮土凍脹對其的影響,這關(guān)系到接觸網(wǎng)系統(tǒng)乃至供電系統(tǒng)的安全性及可靠性。

表1 哈大客運(yùn)專線沈哈段季節(jié)凍土深度區(qū)劃

1 哈大鐵路客運(yùn)專線季節(jié)性凍土區(qū)域接觸網(wǎng)柱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式選擇

哈大鐵路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型首先要從基礎(chǔ)自身對鐵路高速運(yùn)營的適應(yīng)性進(jìn)行選擇,要充分考慮接觸網(wǎng)與其他相關(guān)專業(yè)的特性匹配情況,影響因素,如設(shè)計速度等級、環(huán)境因素(抗災(zāi))、地質(zhì)情況、路基承載情況、綜合接地設(shè)置、電纜溝、排水設(shè)施等。

接觸網(wǎng)為獨(dú)桿基礎(chǔ),支柱的穩(wěn)定性、可靠性保證主要靠其下部基礎(chǔ)來實現(xiàn)。在季節(jié)性凍土區(qū)域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)支柱類別、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)情況、路基各專業(yè)接口及施工便易程度確定[5]。

目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)柱基礎(chǔ)形式主要有直埋基礎(chǔ)、杯口基礎(chǔ)、整體剛性基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。4類接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)類型見圖1,概況對比見表2。

圖1 接觸網(wǎng)支柱常用基礎(chǔ)類型(單位:mm)

表2 常用基礎(chǔ)形式特性對比

從表2及圖1可知,直埋基礎(chǔ)(圖1(a))為人工開挖基礎(chǔ),支柱加橫臥板或卡盤等埋入基坑,基坑回填土夯實。此法簡單易行,主要依靠被動土壓力抗傾覆,此基礎(chǔ)較適用于容量、擾動小的支柱。輪軌振動大時其穩(wěn)定性及抗傾覆能力差,且人工開挖效率低不符合高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

杯口基礎(chǔ)(圖1(b))是支柱插入杯底后采用細(xì)混凝土分層澆筑而成,此種基礎(chǔ)相對直埋基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好,但是支柱插入后混凝土需要一定的養(yǎng)護(hù)、固化時間,不能與路基整體施工,易受擾動,也不適用于高速鐵路運(yùn)營。

混凝土整體剛性基礎(chǔ)(圖1(c)),此類基礎(chǔ)基坑開挖較大,對客專路基產(chǎn)生擾動大,底部擴(kuò)階深入道床底部嚴(yán)重影響路基、道床整體穩(wěn)定性。

機(jī)械鉆孔樁(圖1(d)),此種基礎(chǔ)承載能力大,路基占用面積小,樁徑為0.7 m,機(jī)械成孔作業(yè),與路基專業(yè)同步施工,避免了后期開挖對路基及整體道床的擾動,整體性能好。與其他專業(yè)在路基路肩寬度范圍內(nèi)的布置較為合理,特別是綜合接地電纜槽等設(shè)施,見圖2。電纜槽的寬度一般為0.8 m左右,如果采用其他類型基礎(chǔ),則導(dǎo)致側(cè)面限界不滿足3.0m要求,也不滿足路基寬度13.6m要求。

圖2 客運(yùn)專線路基斷面相關(guān)專業(yè)設(shè)施布置(單位:m)

綜合電氣化常用接觸網(wǎng)柱基礎(chǔ)的對比分析,在哈大鐵路客運(yùn)專線優(yōu)先選用機(jī)械鉆孔樁,但是考慮哈大鐵路客運(yùn)專線季節(jié)性凍土影響,在季節(jié)性凍土區(qū)段接觸網(wǎng)支柱及拉線基礎(chǔ)宜采用機(jī)械鉆孔擴(kuò)底樁,以抵抗側(cè)向凍脹力及交替季節(jié)凍脹產(chǎn)生的上拔力。

2 哈大鐵路客運(yùn)專線地質(zhì)情況與支柱基礎(chǔ)選型

2.1 地質(zhì)情況

以里程CK825+111.70～CK901+807為例,其主要地質(zhì)情況如下:

(1)本段處于季節(jié)性凍土區(qū)段,土壤最大凍結(jié)深度205 cm;

(2)工點(diǎn)范圍內(nèi)上部為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土(Q3al3);

(3)該場地為非自重濕陷性場地,濕陷等級為Ⅰ級輕微,濕陷厚度為6.5～8.5m;

2.2 從設(shè)計角度減少季節(jié)性凍土及濕陷性對網(wǎng)柱基礎(chǔ)影響所采取的措施

2.2.1 地基處理[3]

(1)基礎(chǔ)四側(cè)換土,采用較純凈的砂、砂礫石等粗顆粒土換填基礎(chǔ)四周凍土,填土要夯實。

(2)將基底以下1～3m濕陷性土層全部挖除,采用強(qiáng)夯法夯實。

2.2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

(1)選用抗凍脹基礎(chǔ),改變基礎(chǔ)斷面形狀,利用凍脹反力自錨作用(即擴(kuò)底)增加基礎(chǔ)抗凍拔的能力。

(2)改善基礎(chǔ)側(cè)表面平滑度,基礎(chǔ)必須澆筑密實,具有平滑表面?；A(chǔ)側(cè)面在凍土范圍內(nèi)還可用工業(yè)凡土林、渣油等涂刷以減少切向凍脹力。對樁基礎(chǔ)也可用混凝土套管來減除切向凍脹力,但是其工程造價很高。

(3)增大樁基底面承壓面積以減少濕陷性影響。

由以上地質(zhì)情況可知,接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)計時除要考慮設(shè)季節(jié)性凍土的凍脹和融沉影響,也要考慮其濕陷性的特性對網(wǎng)柱基礎(chǔ)的影響,抵抗凍拔就要擴(kuò)大樁底端增加覆土與基礎(chǔ)的正壓力;避免融陷與濕陷性就要加大基礎(chǔ)底端與土壤的接觸面積,所以這也是哈大鐵路客運(yùn)專線選用機(jī)械鉆孔擴(kuò)底樁的最重要的原因。下面詳細(xì)分析一下擴(kuò)底鉆孔樁與普通鉆孔樁在抵抗凍拔的力學(xué)優(yōu)勢。

3 普通的鉆孔樁與鉆孔擴(kuò)底樁抗凍拔計算分析

3.1 普通的鉆孔樁與鉆孔擴(kuò)底樁外部結(jié)構(gòu)

以JA-1型基礎(chǔ)為例見圖3。

圖3 兩種不同形式灌注樁基(單位:mm)

3.2 哈大鐵路客運(yùn)專線沈哈段季節(jié)性凍土凍脹設(shè)計深度計算

式中 zd——設(shè)計凍深;

z0——標(biāo)準(zhǔn)凍深,按照表1取值;

φzs——土質(zhì)對凍深的影響系數(shù),取1.0;

φzw——濕度對凍深的影響系數(shù),取0.85;

φzc——周圍環(huán)境對凍土的影響系數(shù),取1.05;

φzt0——地形對凍土的影響系數(shù),取1.0。

以雙城區(qū)段為例,最大測量凍深為2.05 m,實際計算設(shè)計凍深為1.82 m,考慮2年后脹、融影響取值2.32m。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)切向凍脹力計算

式中 τdi——切向凍脹應(yīng)力設(shè)計值(kPa),取2層土即i=1,2。

Aτi——與第1、2層土接觸的樁側(cè)表面積。根據(jù)土壤資料及路基處理情況第1層一般為填土,第2層(工點(diǎn)范圍內(nèi))土質(zhì)為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土(Q3al3),接觸網(wǎng)基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ),深度一般不超過5m,所以均在第1、2層土質(zhì),雖然填土已經(jīng)削弱了其凍脹性,但是在工程計算上可仍按照凍脹處理。

土壤特性及基礎(chǔ)相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 土壤特性及基礎(chǔ)相關(guān)參數(shù)

第1層土壤切向凍脹力Fd1=τd1Aτ1=230.79 kN

第2層土壤切向凍脹力Fd2=τd2Aτ2=187 kN

3.4 不擴(kuò)底樁基及擴(kuò)底樁基的實際抗拔力計算對比分析及價差

3.4.1 實際抗拔力計算

根據(jù)3.3節(jié)計算可知,雙城地區(qū)凍土深度2.32m,切向凍脹力(凍脹上拔力)約為417.79 kN。在進(jìn)行基礎(chǔ)校驗時必須要滿足作用于基礎(chǔ)底部的垂直力要大于切向凍脹力Fdi才能保證接觸網(wǎng)基礎(chǔ)不被拔出或融陷。

式中 Gk——作用于基礎(chǔ)上的所有重力(含基礎(chǔ)自重)。以中間柱為例,采用 GH240/ 7.8支柱,上部固定荷載為119.26 kN;

Ra——地基土產(chǎn)生的錨固力(摩阻力)設(shè)計值,kN;

Aq1——第1層土內(nèi)樁身的側(cè)表面積,m2;

Aq2——第2層土內(nèi)樁身的側(cè)表面積,m2;

qs2——第1層土內(nèi)樁身的側(cè)表面單位摩阻力,kPa;

qs2——第2層土內(nèi)樁身的側(cè)表面單位摩阻力,kPa。

如果暫不考慮上部荷載的重力,僅考慮基礎(chǔ)本身及覆土重力,則不擴(kuò)底基礎(chǔ)與擴(kuò)底基礎(chǔ)其計算參數(shù)不同,樁側(cè)的摩阻力也不相同,見表4。

表4 樁側(cè)摩阻力及抵抗上拔力計算對比

各系列抵抗上拔力線性對比見圖4。

從表5及圖4可知,系列1擴(kuò)底樁的擴(kuò)底部分使得樁基增加了約40 kN的抗凍拔荷載,換言之,采用擴(kuò)底樁基有效地削弱了由季節(jié)性凍土引起的凍脹力?！秲鐾恋貐^(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJ118—98)在減小和消除切向凍脹力的措施中也建議基礎(chǔ)底部帶擴(kuò)大部分的自錨式基礎(chǔ)。圖5為兩種基礎(chǔ)形式對應(yīng)的選擇關(guān)系,同等外部荷載及使用條件情況下,擴(kuò)底樁基為埋深3.5m的樁基,而對應(yīng)的不擴(kuò)底樁基為埋深4.0m的樁基。

圖4 抵抗上拔力線性對比

圖5 兩種基礎(chǔ)選用對應(yīng)圖表

3.4.2 價差簡析

以埋深3.5m擴(kuò)底樁基與埋深4.0m不擴(kuò)底樁基為例,對二者增加的材料及工費(fèi)進(jìn)行比較。擴(kuò)底樁基擴(kuò)底部分增加的混凝土量為0.304 t,不擴(kuò)底樁基比擴(kuò)底樁基深埋最少0.5m,相應(yīng)的0.5m的埋深的混凝土量為0.442 t,增加的鋼筋籠與箍筋質(zhì)量為5.1 kg,由于不擴(kuò)底樁基增大了埋深,鋼筋籠加長也增加了施工難度及材料加工難度。統(tǒng)籌計算不擴(kuò)底樁基比同強(qiáng)度的擴(kuò)底樁基每個基礎(chǔ)增加成本560元。

4 結(jié)語

從圖4可知,在同等基礎(chǔ)埋深情況下,擴(kuò)底樁基與不擴(kuò)底樁基其抵抗上拔力的計算結(jié)果有明顯區(qū)別,埋深為3.5～4.0m不擴(kuò)底樁基的抵抗上拔力小于季節(jié)性凍土引起的凍脹力,不滿足Tb≥Fdi要求,在實際工程設(shè)計時不能采用,但是同樣的埋深擴(kuò)底樁基就可滿足Tb≥Fdi設(shè)計要求。但這并不代表不能選用不擴(kuò)底樁基,如采用普通的不擴(kuò)底樁基,則要求基礎(chǔ)埋深要比擴(kuò)底樁基大,鋼筋籠的長度增加0.5～1 m,增加環(huán)形箍筋數(shù)量,對整個工程而言既增加了施工難度,又增加了工程成本,也不利于施工工期。擴(kuò)底樁基對季節(jié)性凍土引起的切向凍脹力有明顯的削弱作用,權(quán)衡二者的優(yōu)略,經(jīng)過對兩種樁基的力學(xué)計算分析后確定哈大鐵路客運(yùn)專線接觸網(wǎng)基礎(chǔ)宜采用擴(kuò)底樁基。

[1] 黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院.JGJ 118—98 凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] 張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國電力出版社,2007.

[3] 江正榮.建筑地基與基礎(chǔ)施工手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005年.

[4] 沈宇鵬,吳艷,許兆義,王連俊.多年凍土斜坡穩(wěn)定性評價方法的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2011(3):34 -37.

[5] [蘇]H.馬克瓦爾特,N.N.符拉索夫.接觸網(wǎng)[M].北京:中國鐵道出版社,1986.

[6] 鐵道部電化工程局電氣化勘測設(shè)計處.接觸網(wǎng)設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1988.

Foundation Design for Overhead Contact System Posts in Seasonally Frozen Ground Section of Harbin-Dalian Passenger-dedicated Line

WANG Yu-huan
(Electrification Department of China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

This papermainly expounds the design ideas of overhead contact system post foundation under the condition of special geology that is seasonally frozen ground.Aiming at the special soil characteristic of seasonally frozen ground in northeast China,this paper puts forward that themechanical pedestal pile foundation,which can be used for resisting the frost heave and up-pull force of the seasonally frozen ground,has the advantages of enhancing the frost heave resistance and reducing the borehole depth as well as reducing the interference between the OCS post foundation and the pile-sheet structure within the railway subgrade.Somechanical pedestal pile foundation not only is the optimum scheme on OCS post foundation design of high-speed railway in the representative seasonally-frozen ground section,but also is the good choice in case the OCS post foundation bottom is disturbed by ground treatment or affected by collapsibility loess which often has the requirement of shallow burying.

Harbin-Dalian Passenger-dedicated line;overhead contact system posts;seasonally frozen ground;pull force;frost heave

U213.157;U226.8

A

1004 -2954(2012)10 -0084 -04

2012-02-19

王玉環(huán)(1975—),女,高級工程師,2000年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計專業(yè),工學(xué)學(xué)士。