伏松平
(北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司 北京 100043)
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[1]。
季節(jié)凍土是地表以下一定范圍內(nèi)寒季凍結(jié)、暖季又全部融化的巖土,呈周期性凍結(jié)和融化狀態(tài)。季節(jié)凍土是一種特殊土,但又不同于通常意義上的特殊土,可能是任何一種巖土體,包括黃土、膨脹土等特殊土。因此,季節(jié)凍土的工程特性更為復(fù)雜。我國季節(jié)凍土分布在東北、西北以及華北地區(qū),其凍結(jié)深度由南向北、由低海拔區(qū)向高海拔區(qū)增厚,最大超過3 m。據(jù)統(tǒng)計,我國75%的交通線路位于季節(jié)凍土區(qū),其中位于深季節(jié)凍土區(qū)的交通線路約占總量的30%,主要分布于西北、華北和東北地區(qū)[2]。
哈爾濱至牡丹江電氣化改造工程地處黑龍江省東部,線路自哈爾濱市向東南經(jīng)阿城、尚志、海林至終點牡丹江,改建后線路長度350.137 km。線路地處嚴寒地區(qū),既有路基存在凍害,春融及雨季易積水。哈牡線最大季節(jié)性凍土區(qū)段分布見表1,其中路基土體的含水率分布在20%~30%區(qū)間。
表1 哈牡線最大季節(jié)性凍土區(qū)段分布
由于季節(jié)性凍土的工程特性,在寒冬季節(jié),當(dāng)氣溫下降低于土壤水冰點時,地表土層中孔隙水凍結(jié)成冰,體積膨脹,且下部未凍土層中的水分源源不斷向上部凍結(jié)區(qū)遷移、聚集,并凍結(jié)成冰透鏡體,出現(xiàn)大幅度凍脹變形。春季當(dāng)氣溫再度回升至0℃以上時,土層隨之不斷融化,解凍的土體便發(fā)生弱化作用且強度降低,此時又將產(chǎn)生融沉病害。
根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》(TB 10009-2016)的規(guī)定,對于凍土地區(qū)的基礎(chǔ)埋深應(yīng)按照《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 118-2011)確定,嚴寒地區(qū)對入土部分的接觸網(wǎng)支柱和基礎(chǔ),宜采取防凍脹措施。
不論是接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)還是接觸懸掛和附加導(dǎo)線的拉線基礎(chǔ),對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及行車安全都至關(guān)重要。對于哈牡線處于季節(jié)性凍土區(qū)段的接觸網(wǎng)支柱及拉線基礎(chǔ)的防止凍脹的處理措施是否合理、是否能滿足接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)及附加導(dǎo)線的安全需要、在運行壽命周期內(nèi)能否穩(wěn)定可靠,是不可忽視的問題。
就一般建筑物來講,基礎(chǔ)可分為樁基和平基兩類。平基又分為深平基和淺平基。接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)直接埋置于土體中,其埋置深度一般都小于5 m,屬于淺平基[3]。
常用的電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)有直埋式整體基礎(chǔ)、單階梯或多階梯形狀的擴大基礎(chǔ)、棱柱形基礎(chǔ)等。
按照鋼筋混凝土支柱基礎(chǔ)的設(shè)置方法,可分為整體式基礎(chǔ)和獨立式基礎(chǔ)兩種類型。對于橫腹桿式鋼筋混凝土支柱基礎(chǔ)和支柱是一個整體,其埋入地下部分即為基礎(chǔ),這種基礎(chǔ)稱為直埋式基礎(chǔ)[4-5]。目前中國使用的橫腹桿式混凝土支柱多屬于整體式支柱,等徑原支柱多采用杯形混凝土基礎(chǔ)或法蘭盤連接基礎(chǔ)[6]。電氣化接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓數(shù)量眾多,其垂直度、絕對定位精度以及群栓的相對定位要求極高[7]。
接觸網(wǎng)支柱的受力特點是水平負荷大,因此其抗傾覆穩(wěn)定性就很重要。直埋基礎(chǔ)為人工開挖基礎(chǔ),根據(jù)地質(zhì)情況加設(shè)橫臥板和底板埋入基坑中,簡單易行。橫臥板和底板主要作用是增大與土體的接觸面積,進而增大其水平抗力,這種基礎(chǔ)形式主要依靠被動土壓力抗傾覆。
接觸網(wǎng)系統(tǒng)的下錨包括接觸懸掛下錨和附加導(dǎo)線下錨,其拉線基礎(chǔ)有實體基礎(chǔ)和拉線盤基礎(chǔ)兩種常用類型。
針對哈爾濱至牡丹江電氣化改造工程項目季節(jié)性凍土特點,在季節(jié)性凍土區(qū)域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)支柱類型、上部結(jié)構(gòu)特點、地質(zhì)情況、路基各專業(yè)接口及施工便易程度確定。
本工程項目區(qū)間采用混凝土單腕臂柱,埋置深度一般為3 m。當(dāng)區(qū)間支柱位于曲線內(nèi)側(cè)時應(yīng)核算支柱受力方向,以確定其基礎(chǔ)的橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。一般情況下,當(dāng)曲線半徑R≤1 400 m時,其基礎(chǔ)的上部橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的田野側(cè)一邊,而下部橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的線路側(cè)一邊。
車站軟橫跨為格構(gòu)式鋼柱,采用階梯狀的擴大基礎(chǔ),其埋置深度根據(jù)容量一般在3~4.5 m。
接觸懸掛和附加導(dǎo)線的下錨拉線基礎(chǔ)均采用實體型基礎(chǔ),埋置深度分別為2.5 m和2.2 m。
以里程K23+100~K26+390區(qū)段為例,本區(qū)段最大凍結(jié)深度為2.05 m,工程范圍內(nèi)上部土為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土,含水率為30%。
(1)計算設(shè)計凍深
式中,zd為設(shè)計凍深;z0為標準凍深,依據(jù)地質(zhì)資料K20+100~K54+000區(qū)段最大值為2.05 m,K54+000至牡丹江區(qū)段最大值為1.91 m;φzs為土質(zhì)對凍深的影響系數(shù),取1.0;φzw為凍脹性對凍深的影響系數(shù),弱凍脹取0.95、凍脹取0.9、強凍脹取0.85、特強凍脹取0.8;φzc為周圍環(huán)境對凍土的影響系數(shù),取1.0;φzt0為地形對凍土的影響系數(shù),取1.0。
針對最大凍土深度區(qū)段為黏土,屬強凍脹地區(qū),位于曠野,地勢較為平坦,最大測量凍土深度為2.05 m,通過公式(1)計算可得實際設(shè)計凍深為1.75 m;當(dāng)考慮地基土層的凍結(jié)和春融的影響,其基底的凍脹變形或法向凍脹力可能危及基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全,因此,這類凍脹土地基上基礎(chǔ)埋深應(yīng)該有更可靠的安全度,因此考慮0.5 m的安全裕量時,則經(jīng)計算可得設(shè)計凍深為2.17 m。
根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》(TB 10009-2016)以及《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 118-2011)可知,基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)采用不小于設(shè)計凍深,并根據(jù)地基土凍脹性適當(dāng)采取減小基側(cè)切向凍脹力危害措施[8-9]。
可見,不論是埋置深度為3~4.5 m的支柱基礎(chǔ),還是埋置深度分別為2.2 m和2.5 m的附加導(dǎo)線下錨拉線基礎(chǔ)及接觸懸掛下錨拉線基礎(chǔ),其埋置深度均大于設(shè)計凍深,滿足規(guī)范要求。
(2)驗算基礎(chǔ)的穩(wěn)定性
對接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線和接觸懸掛的下錨拉線非擴底型實體基礎(chǔ)及鋼柱的擴大型基礎(chǔ)分別討論。
對于下錨拉線的非擴底基礎(chǔ),基礎(chǔ)穩(wěn)定性采用下式進行計算。
式中,τdik為第i層土中單位切向凍脹力的標準值(kPa),取2層土即i=1,2,其中對于第1層填土按照凍脹取60~80 kPa,第2層的黏性土為強凍脹取值為80~120 kPa;Aτi為與第i層凍土接觸的側(cè)表面積;GK為作用于基礎(chǔ)上的永久荷載(kN),包括基礎(chǔ)自重部分(素混凝土基礎(chǔ))或全部(配筋基礎(chǔ));Rta為基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下,地基土所產(chǎn)生錨固力的特征值(對素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),不考慮該力,kN)。
其中錨固力Rta:
式中,qsik為在第i層內(nèi)土與側(cè)表面的摩阻力特征值,針對本選定區(qū)段參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008),填土部分為22 ~30 kPa、淤泥14 ~20 kPa、軟塑黏性土40~55 kPa、可塑黏性土55~70 kPa、細粉砂48~66 kPa、中砂54~74 kPa、中密砂74 ~95 kPa、礫砂70~110 kPa[10];Aqi為與第i層土接觸的基礎(chǔ)的側(cè)表面積。
對于鋼支柱的擴大基礎(chǔ),穩(wěn)定性采用下式進行計算:
式中,Rta為當(dāng)基礎(chǔ)受切向凍脹力作用而上移時,基礎(chǔ)擴大部分頂面覆蓋土層產(chǎn)生的反力(kPa)。該反力按地基受壓狀態(tài)承載力的計算值取用。當(dāng)基礎(chǔ)上覆土層為非原狀時,該反力根據(jù)實際回填質(zhì)量尚應(yīng)乘以0.6~0.8的折減系數(shù)。Ai為基礎(chǔ)擴大部分頂面面積(m2)。
根據(jù)土壤資料及路基處理情況,第1層一般為填土,第2層土質(zhì)為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土。由于接觸網(wǎng)基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ),深度一般不超過5 m,所以均在第1、2層土質(zhì),雖然填土削弱了其凍脹性,但是在工程計算中仍按照凍脹處理。
不論是拉線基礎(chǔ)還是鋼柱的擴底基礎(chǔ),均為配筋基礎(chǔ),將基礎(chǔ)自重等各項數(shù)據(jù)分別代入公式(2)和(3)計算可知,不論是拉線基礎(chǔ)還是鋼柱的擴底基礎(chǔ)的穩(wěn)定性均滿足要求。
由上述分析可知,只有當(dāng)作用于基礎(chǔ)底部的垂直力不小于切向凍脹力,才能保證接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)不被拔出或融陷。其中影響切向凍脹力的因素除了包括水分、土質(zhì)與負溫三大要素外,還有基礎(chǔ)側(cè)表面的粗糙度等。
對選定含水率為30%的季節(jié)性凍土區(qū)段,地基采用開挖后換填夯實的處理方式。當(dāng)基礎(chǔ)在地下水位以上時,基礎(chǔ)側(cè)表面可回填非凍脹性的中砂和粗砂,用非凍脹性的粗顆粒土做墊層,且墊層的底面應(yīng)在設(shè)計凍深線處。
具體處理措施為首先開挖基坑,根據(jù)現(xiàn)場實際條件適當(dāng)拓寬加深0.2~0.5 m,注意擴大基礎(chǔ)底部的階梯形狀必須嚴格按照要求施工,然后在基坑四周采用干凈的中粗砂,或改良土或級配碎石配合水泥砂漿等非凍脹土進行換填處理?;靥顟?yīng)分層夯實,分層厚度不大于300 mm,密實系數(shù)0.95以上,換填承載力需滿足要求[11-12]。如基坑底部承載力小于100 kPa時,對基坑底部換填厚度不低于500 mm的碎石層并夯實,然后再做100 mm厚C15混凝土墊層;如果承載力大于等于100 kPa時,取消底部碎石換填層,其余同前述處理。
地腳螺栓材料為 Q345B,圓鋼材料為Q235B。放置地腳螺栓時,應(yīng)使螺栓底端彎鉤指向基礎(chǔ)內(nèi)部。澆筑基礎(chǔ)混凝土必須不間斷地進行,一次澆筑完畢,基礎(chǔ)頂面應(yīng)高出地面200 mm。當(dāng)實際地面低于基礎(chǔ)頂面超過200 mm時,要把原地面培土加高,使培土后地面位于基礎(chǔ)頂面之下200 mm處。
在路堤區(qū)段,支柱安裝完畢后,基礎(chǔ)部分應(yīng)培土的寬度自支柱中心兩側(cè)各1 000 mm,高度不小于支柱深度,支柱基礎(chǔ)外沿至護坡頂面邊沿不小于500 mm并加以漿砌片石予以防護,有條件的地方可擴大至1 000 mm,防止支柱邊坡培土的凍脹對基礎(chǔ)的影響。
對于非擴底的實體拉線基礎(chǔ),基礎(chǔ)處理同上,注意為保證抗拔安全穩(wěn)定系數(shù)大于等于1.5,需要注意最后拉線與地面夾角為45°~60°,基礎(chǔ)頂面高出地面100 mm。
為改善基礎(chǔ)側(cè)表面的光滑度,也可以用水泥砂漿抹面壓光改善受力狀態(tài),或用物理化學(xué)方法處理基側(cè)表面或與其側(cè)表面接觸的土層,如在表面涂以渣油層用表面活性劑配制的憎水土隔離,用添加劑使土顆粒凝聚或分散的土隔離等。
結(jié)合哈牡線電氣化改造項目季節(jié)性凍土的特點,對下錨拉線的混凝土澆筑基礎(chǔ)和接觸網(wǎng)支柱的階梯型擴大基礎(chǔ)兩種情形進行了切向凍脹應(yīng)力的計算分析,提出了采用地基換填加擴底型基礎(chǔ)處理措施來抵抗季節(jié)性凍土的上拔力,可為后續(xù)類似季節(jié)性凍土區(qū)段接觸網(wǎng)下錨拉線基礎(chǔ)的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的處理提供參考。