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        季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的選型與抗凍拔設(shè)計(jì)

        2022-04-25 06:10:26汪小鋒
        電氣化鐵道 2022年2期
        關(guān)鍵詞:凍脹力抗凍護(hù)壁

        汪小鋒

        0 引言

        凍土按其是否隨外界溫度而周期性凍結(jié)、融化可分為季節(jié)凍土和多年凍土,其中季節(jié)性凍土分布區(qū)域約占我國(guó)領(lǐng)土面積一半以上,大部分地區(qū)季節(jié)性凍土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.6~3 m。季節(jié)性凍土夏季融化,冬季凍結(jié),常年交替,產(chǎn)生的凍脹作用造成建筑物基礎(chǔ)的上拔、融陷,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致上部建筑物傾斜、開(kāi)裂等不可逆的工程問(wèn)題。季節(jié)性凍土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)如不采取有效的抗凍拔措施,將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用安全。

        電氣化鐵路中的接觸網(wǎng)支柱作為一種“輕軸力、重彎矩”的桿塔結(jié)構(gòu),季節(jié)性凍土的凍脹作用對(duì)其影響更為嚴(yán)重。我國(guó)北方地區(qū)鐵路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,經(jīng)過(guò)幾個(gè)凍融期后,部分接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)出現(xiàn)上拔、隆起現(xiàn)象,已嚴(yán)重影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)此類情況的處理往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間和極高的經(jīng)濟(jì)成本。為防止接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)產(chǎn)生凍拔現(xiàn)象,避免影響線路運(yùn)營(yíng)安全,在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中就應(yīng)充分考慮,選擇合理的基礎(chǔ)形式,配以有效的抗凍拔措施。

        1 季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

        凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱常采用的基礎(chǔ)形式主要包括臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)、錐柱基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)(圖1)。

        圖1 基礎(chǔ)形式及抗凍拔示意圖

        1.1 支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理

        臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)主要依靠基礎(chǔ)下部臺(tái)階擴(kuò)大段來(lái)抵抗切向凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的凍拔作用,屬自錨式基礎(chǔ),基底標(biāo)高一般位于設(shè)計(jì)凍深線以下。凍脹發(fā)生后,當(dāng)基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)臺(tái)階上部土體自重等合力大于切向凍脹力產(chǎn)生的上拔力時(shí),基礎(chǔ)不會(huì)出現(xiàn)上拔現(xiàn)象。

        錐柱基礎(chǔ)抵抗凍脹的原理與擴(kuò)展基礎(chǔ)類似,不同主要在基礎(chǔ)短柱部分,擴(kuò)展基礎(chǔ)短柱為上下等截面,錐柱基礎(chǔ)的短柱截面上小下大,當(dāng)法向凍脹力作用于基礎(chǔ)短柱時(shí),因其存在一定傾角,法向凍脹力將產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的分力,該分力可與基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及臺(tái)階擴(kuò)大段上部土體自重等疊加共同抵抗基礎(chǔ)凍拔破壞。相關(guān)研究表明,當(dāng)基礎(chǔ)短柱上下截面傾角約為9°時(shí),抵抗切向凍脹力的效果最好,JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中也將該類形狀的基礎(chǔ)作為一種消除切向凍脹力的構(gòu)造措施。

        樁基礎(chǔ)主要依靠樁身與土體間的摩擦力、擴(kuò)底段與土體產(chǎn)生的自錨力(擴(kuò)底樁)兩者合力來(lái)抵抗切向凍脹力產(chǎn)生的基礎(chǔ)上拔。采用樁基礎(chǔ)時(shí),基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)凍深線以下需要具有一定的埋深才能提供足夠的抗拔力,當(dāng)樁基礎(chǔ)上部產(chǎn)生的切向凍脹力過(guò)大時(shí),還需對(duì)樁身截面及強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算,以保證基礎(chǔ)不被拔斷。

        1.2 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

        對(duì)于接觸網(wǎng)支柱而言,基礎(chǔ)形式的選擇受諸多因素的影響。除獨(dú)立架設(shè)的供電線支柱外,接觸網(wǎng)支柱大部分位于路基基床上,且絕大部分支柱基礎(chǔ)是在路基基床施工完成后施做。

        如采用臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ),當(dāng)基坑開(kāi)挖采用掏挖工藝施工時(shí),基礎(chǔ)擴(kuò)大段尺寸受土體自穩(wěn)角限制,往往無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基底尺寸,將嚴(yán)重影響基礎(chǔ)的抗傾覆能力;如按基底尺寸開(kāi)挖,則對(duì)路基基床擾動(dòng)太大,基礎(chǔ)的回填通常無(wú)法達(dá)到路基基床的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),將嚴(yán)重影響路基、道床的整體穩(wěn)定[2],且路基上通常還設(shè)有其他專業(yè)的線纜,基礎(chǔ)施工時(shí)勢(shì)必對(duì)其造成影響,存在一定的安全隱患。

        當(dāng)采用錐柱基礎(chǔ)時(shí),基礎(chǔ)短柱帶有一定傾角,基坑開(kāi)挖采用掏挖形式較為困難,基坑開(kāi)挖一般按短柱底部尺寸開(kāi)挖,再對(duì)擴(kuò)大部分進(jìn)行掏挖,其對(duì)路基的影響與擴(kuò)展基礎(chǔ)相同。因錐柱基礎(chǔ)短柱存在傾角,基礎(chǔ)混凝土澆筑時(shí)模板搭設(shè)較復(fù)雜,澆筑混凝土?xí)r短柱傾角易出現(xiàn)偏差,基坑回填壓實(shí)度不易保證,施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。

        與上述兩種基礎(chǔ)相比,進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工對(duì)路基基床擾動(dòng)較小,基坑無(wú)需回填,可最大限度地保持原始土層的現(xiàn)狀,且施工作業(yè)面為3種基礎(chǔ)中最小,可最大限度地減少對(duì)鐵路路基及各類管線的影響。綜合比較,樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

        2 接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)抗凍拔措施

        防止樁基礎(chǔ)的凍拔主要從以下三方面考慮:

        (1)采用物理、化學(xué)方法對(duì)樁基表面進(jìn)行處理,增加基礎(chǔ)表面的光滑度,減小基礎(chǔ)側(cè)面與土壤的摩擦,削弱土層與基礎(chǔ)表面凍脹作用,降低凍脹產(chǎn)生的上拔力。

        (2)采用換填法,在基礎(chǔ)側(cè)面換填弱凍脹性的中砂、粗砂或礫石等,減小基礎(chǔ)周圍土層凍脹力。

        (3)設(shè)置合理有效的防排水措施,避免凍脹作用加劇。

        針對(duì)上述防凍拔措施,已進(jìn)行過(guò)大量研究分析,得到了很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如文獻(xiàn)[3]闡述了施工中將柔性玻璃鋼作為圓形框架柱的模板,玻璃鋼因自重輕、強(qiáng)度高、造價(jià)低,在保證工程質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了投資,將該類材料作為構(gòu)件模板可取得良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。DL/T 5501—2015《凍土地區(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4]中,玻璃鋼因其表面光滑,切向凍脹力計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù)為0.75,說(shuō)明玻璃鋼對(duì)減小基礎(chǔ)表面與土壤的摩擦具有明顯的作用。為驗(yàn)證基礎(chǔ)側(cè)面換填弱凍脹材料的防凍脹效果,文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了3種不同防凍措施的對(duì)比試驗(yàn),得出樁基周圍換填風(fēng)積沙的防凍脹效果最好也最為穩(wěn)定。文獻(xiàn)[6]闡述了采用大直徑的剛性套筒套在樁基礎(chǔ)周圍,并在樁基礎(chǔ)與套筒之間填充弱凍脹材料,使凍土層的凍脹力直接作用于套筒上,凍脹發(fā)生時(shí),套筒產(chǎn)生自由凍拔切斷了切向凍脹力與樁基礎(chǔ)間的直接傳力途徑,避免樁基礎(chǔ)凍拔的產(chǎn)生。經(jīng)分析該試驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù),證實(shí)了采用套筒防凍拔的措施對(duì)樁周凍土凍脹力的切斷和疏導(dǎo)是有效的。

        可將上述3種措施結(jié)合應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔,對(duì)設(shè)計(jì)凍深線以上部分樁基礎(chǔ)采取抗凍拔措施,凍深線以下部分按常規(guī)樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工,具體的抗凍拔措施如下:

        (1)樁基開(kāi)挖時(shí)采用剛性護(hù)壁進(jìn)行支護(hù),護(hù)壁內(nèi)徑比樁基外徑外擴(kuò)0.2 m,樁基與護(hù)壁間空隙采用粗砂填實(shí),將樁基礎(chǔ)與凍土隔離。

        (2)樁基采用表面光滑的成品玻璃鋼管作為模板,減小樁基側(cè)面與粗砂間的摩擦力。

        (3)基礎(chǔ)頂面設(shè)置混凝土散水,防止雨季、凍土融化期地表水對(duì)基礎(chǔ)的浸泡、滲透和沖刷,減小雨水對(duì)樁基周圍換填粗砂的影響。

        (4)散水施工前拆除地面以下0.2 m范圍內(nèi)的護(hù)壁,回填0.2 m厚爐渣(松鋪不壓實(shí)),防止護(hù)壁凍拔時(shí)對(duì)基礎(chǔ)頂部散水造成破壞。對(duì)于有承臺(tái)的鋼柱基礎(chǔ),還應(yīng)在承臺(tái)側(cè)面及底部換填0.2 m厚的粗砂,減小凍脹力對(duì)承臺(tái)的凍脹作用。

        (5)當(dāng)設(shè)計(jì)凍深線以上部分樁基護(hù)壁內(nèi)徑大于下部樁基護(hù)壁外徑時(shí),應(yīng)在交界處鋪設(shè)土工織物或塑料膜等隔離物,避免回填的粗砂流失,同時(shí)防止地下水流動(dòng)時(shí)帶入粉粘料,降低防凍拔效果[5]。

        樁基礎(chǔ)抗凍拔構(gòu)造示意如圖2所示。

        圖2 樁基抗凍拔構(gòu)造示意圖

        3 樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性計(jì)算

        以哈爾濱阿城區(qū)某專用線使用的G250/15型格構(gòu)式鋼柱樁基礎(chǔ)為例,對(duì)樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)該工程地質(zhì)詳勘報(bào)告及路基專業(yè)設(shè)計(jì)圖,阿城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.0 m,路基基床以下2 m范圍換填B組填料,其下土層為強(qiáng)凍脹粉質(zhì)黏土(可塑),凍脹等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

        經(jīng)計(jì)算,當(dāng)樁基直徑采用0.8 m時(shí),基礎(chǔ)滿足抗傾覆要求的樁長(zhǎng)為4.8 m。抗凍拔計(jì)算時(shí),設(shè)計(jì)凍深線以上樁基直徑采用0.8 m,凍深線以下樁基直徑為1.0 m,護(hù)壁壁厚為0.1 m,總樁長(zhǎng)為4.8 m。

        設(shè)計(jì)凍深計(jì)算式為

        式中:zd為設(shè)計(jì)凍深;z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深;φzs為土的類別對(duì)凍深影響系數(shù),取1.4;φzw為凍脹性對(duì)深度影響系數(shù),取0.9;φzc為周圍環(huán)境對(duì)凍深影響系數(shù),取0.95;φzt0為地形對(duì)凍深影響系數(shù),取1.0。計(jì)算后該地區(qū)設(shè)計(jì)凍深為2.40 m。

        切向凍脹力設(shè)計(jì)值計(jì)算式為

        式中:Fτ為切向凍脹力設(shè)計(jì)值,kN;φτ為基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù),取0.75;τi為單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;Ai為設(shè)計(jì)凍深內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)表面積,m2。

        對(duì)于路基A、B組填料的凍脹性,文獻(xiàn)[7]論述了相關(guān)試驗(yàn),得出該類填料在凍結(jié)過(guò)程中未出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。但鑒于影響土體凍脹性的因素較多,且現(xiàn)有研究成果具有一定的局限性,加之本文采用的防凍脹措施中樁基礎(chǔ)與護(hù)壁間換填的粗砂厚度較小且易受地下水位、含水量等諸多因素影響,可能改變其凍脹性。故本次計(jì)算時(shí)第1層土仍按有凍脹力作用在樁基礎(chǔ)上,單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值按弱凍脹土取60 kPa;第2層土為粉質(zhì)黏土(可塑),單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值取120 kPa。樁基抗拔力計(jì)算時(shí),樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中粘性土(可塑)干作業(yè)鉆孔樁取53 kPa。樁基礎(chǔ)的切向凍脹力計(jì)算見(jiàn)表1。

        表1 樁基礎(chǔ)切向凍脹力計(jì)算

        樁基礎(chǔ)抗拔力中地基錨固力計(jì)算式為

        式中: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,kN;qsia為土層與基礎(chǔ)側(cè)表面的摩阻力特征值,kPa;Aia為基礎(chǔ)側(cè)表面積,m2。Rta計(jì)算見(jiàn)表2。

        表2 地基錨固力計(jì)算

        樁基礎(chǔ)的抗拔力需大于切向凍脹力才能保證基礎(chǔ)不產(chǎn)生凍拔,即

        式中:Gk為基礎(chǔ)上永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值,包括基礎(chǔ)自重及支柱自重。

        經(jīng)計(jì)算,樁基礎(chǔ)自重及支柱重Gk為100.24 kN,樁基礎(chǔ)總的抗拔力為299.94 kN,大于樁基礎(chǔ)所受總的切向凍脹力(271.35 kN),樁基礎(chǔ)抗凍拔性能滿足要求。分析可知,當(dāng)樁長(zhǎng)滿足抗傾覆要求時(shí),通過(guò)疊加上述抗凍拔措施后,僅將設(shè)計(jì)凍深線以下樁基直徑進(jìn)行微調(diào)即可滿足抗凍拔要求。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)不同類型接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理的分析,結(jié)合基礎(chǔ)施工對(duì)鐵路路基及各類管線的影響對(duì)比,確定了樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

        參考各類防凍脹措施試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際工程應(yīng)用案例,提出了接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)的圓形短柱可采用側(cè)壁光滑的玻璃鋼管作為模板,再外套大直徑鋼筋混凝土護(hù)壁,護(hù)壁與短柱之間用粗砂填實(shí),將基礎(chǔ)與凍土層進(jìn)行隔離,最后在基礎(chǔ)頂部設(shè)置混凝土散水等多措并舉的方式來(lái)防止樁基礎(chǔ)凍拔的設(shè)計(jì)方法。結(jié)合工程實(shí)例對(duì)采用上述防凍拔措施的樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,驗(yàn)證了所提措施在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性。文中所述的抗凍拔單項(xiàng)措施在其他工程行業(yè)中已進(jìn)行過(guò)較多的試驗(yàn)與應(yīng)用,積累了大量數(shù)據(jù),印證了該類措施對(duì)于防止基礎(chǔ)凍拔是有效的。但將其組合起來(lái)應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔,現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例較少,缺乏足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證,實(shí)際的抗凍拔效果尚需時(shí)間的檢驗(yàn)。

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