高海拔多年凍土區(qū)錐柱基礎(chǔ)的選型優(yōu)化

胡志義，王虎長，吳彤，王學(xué)明，呂寶華

(西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075)

0 引言

青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程是世界上穿越多年凍土區(qū)距離最長的高壓輸電線路工程，多年凍土穩(wěn)定性差、凍脹力強(qiáng)是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時面臨的主要問題［1］。為保證青藏直流輸電線路的長期穩(wěn)定運(yùn)行，基礎(chǔ)選型采用了抗凍脹效果較好的錐柱基礎(chǔ)。但由于青藏高海拔多年凍土地質(zhì)復(fù)雜、地形變化較大、現(xiàn)場施工條件差、操作難度高［2-3］，因此需要對工程中使用的錐柱基礎(chǔ)進(jìn)行合理選型優(yōu)化，全面提高基礎(chǔ)的綜合性能，節(jié)省工程投資，確保輸電線路的安全運(yùn)行。

1 基礎(chǔ)凍脹受力特征

土體在凍結(jié)時，其垂直面和橫剖面都存在厚度不等的冰分凝集合體生長，致使土顆粒之間相互隔離，產(chǎn)生程度不同的位移，引起土體體積膨脹。當(dāng)凍土層的非均勻膨脹受到基礎(chǔ)的約束時，會基于不同的約束條件對基礎(chǔ)產(chǎn)生不同的凍脹力［4-5］。為了便于工程設(shè)計(jì)，根據(jù)凍脹力與基礎(chǔ)的相互關(guān)系，將作用在基礎(chǔ)上的凍脹力分為切向凍脹力和法向凍脹力。多年凍土基礎(chǔ)立柱所受到的凍脹力如圖1所示。直柱基礎(chǔ)的水平法向凍脹力可相互抵消，而切向凍脹力會對基礎(chǔ)產(chǎn)生上拔作用，容易造成基礎(chǔ)的上拔失穩(wěn)破壞。

圖1 多年凍土基礎(chǔ)所受的凍脹力Fig.1 Frost-heave forces on foundations in permafrost

錐柱基礎(chǔ)是指立柱帶有一定坡面的基礎(chǔ)型式，如圖2所示。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，立柱部分的法向凍脹力和切向凍脹力在豎直方向的分力可相互消減，能顯著降低切向凍脹力對基礎(chǔ)的影響，因此在多年凍土區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 錐柱基礎(chǔ)所受的凍脹力Fig.2 Frost-heave forces on cone cylindrical foundation

2 錐柱基礎(chǔ)立柱截面型式選擇

錐柱基礎(chǔ)的坡面立柱分為四棱臺立柱和圓臺立柱2種結(jié)構(gòu)型式，斷面上分別呈方形(棱臺立柱)和圓形(圓臺立柱)。方形斷面立柱的鋼模板易于制作、成本較小，在同等設(shè)計(jì)條件下圓形斷面能節(jié)省材料、降低投資且造型流暢美觀。

對于青藏直流輸電線路工程，高海拔多年凍土的穩(wěn)定性差、高寒作業(yè)條件艱苦，為了盡量減少對多年凍土的擾動，縮短作業(yè)時間，減小切向凍脹力對基礎(chǔ)的影響，絕大部分的錐柱基礎(chǔ)都采用了玻璃鋼模板。圓形斷面的立柱比方形斷面立柱的玻璃鋼模板加工制作容易、工藝簡單、節(jié)省材料，同時還能避免方形玻璃鋼模板在彎折線處應(yīng)力集中引起的冷凍開裂。

基于以上因素，在青藏直流輸電線路工程中錐柱基礎(chǔ)采用了更經(jīng)濟(jì)、加工更便捷、外形更美觀的圓臺立柱型式。

3 錐柱基礎(chǔ)立柱型式的優(yōu)化改進(jìn)

文獻(xiàn)［6］規(guī)定:對標(biāo)準(zhǔn)凍深大于1.5 m、基底以上為凍脹土和強(qiáng)凍脹土的基礎(chǔ)，為防止切向凍脹力對基礎(chǔ)側(cè)面的破壞作用，可將基礎(chǔ)回填粗砂、中砂等非凍脹性散粒材料，或采取有9°傾角的坡面型式。基礎(chǔ)型式如圖3所示，圖中:A為立柱頂部直徑;B為基礎(chǔ)底板直徑;H為基礎(chǔ)總高;H0為基礎(chǔ)露頭;Ht為基礎(chǔ)埋深。

按照規(guī)定若保證9°傾角，對于埋深較大的基礎(chǔ)，由于立柱底部直徑過大，將造成以下問題:

(1)基礎(chǔ)混凝土方量明顯增加。

(2)立柱底部直徑過大，基礎(chǔ)鋼筋間距過大。如果要保證基礎(chǔ)主筋間距滿足規(guī)范要求，則必須增加基礎(chǔ)鋼筋的使用量，造成投資的增加。

因此，本文對常規(guī)的錐柱基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，以充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)的抗凍脹性能，避免立柱底部直徑過大引起的材料浪費(fèi)和配筋困難等問題。

圖3 采用9°傾角的常規(guī)錐柱基礎(chǔ)型式Fig.3 Conventional cone cylindrical foundation with 9°dip angle

錐柱基礎(chǔ)的改進(jìn)方法有以下3種:

(1)錐柱+臺階。基礎(chǔ)型式如圖4所示，此類錐柱基礎(chǔ)型式自重較大，對于上拔力較大、土重較輕、地下水位較淺的基礎(chǔ)塔位有較好的適用性。其臺階部分按剛性基礎(chǔ)臺階設(shè)計(jì)，可減少基礎(chǔ)的鋼筋量，同時由于臺階的增高(仍然在凍土的設(shè)計(jì)凍深下)，錐柱基礎(chǔ)立柱底部截面尺寸較小，立柱的配筋、模板制作和混凝土澆筑較為便利。基礎(chǔ)的埋深相對較淺，開挖土方量不大，對于坑壁易坍塌的塔位具有應(yīng)用價值。

圖4 錐柱+臺階基礎(chǔ)Fig.4 Cone cylindrical and step foundations

(2)錐柱+直柱+底板。錐柱+直柱+底板的改進(jìn)錐柱基礎(chǔ)型式適用于基礎(chǔ)埋深較大但設(shè)計(jì)凍深較淺，或凍深大但凍脹作用主要在淺層的塔位，基礎(chǔ)型式如圖5所示，其型式結(jié)合了錐柱和直柱基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，圖5中:Hn為直柱段;Hz為錐柱段。對于立柱的設(shè)計(jì)可以通過分段函數(shù)求得其最差性能截面所在的位置，也可以把錐柱段和直柱段分開設(shè)計(jì)。該型式在其適用塔位具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)最大程度上消除了凍脹力。

2)相比其他錐柱型式，節(jié)省了混凝土材料量。

3)減小了錐柱基礎(chǔ)立柱底部的截面直徑，有利于鋼筋的配筋和主筋間距的控制。

圖5 錐柱+直柱+底板基礎(chǔ)Fig.5 Cone-cylindrical，straight-cylindrical and mat foundations

(3)直柱+錐柱+臺階。基礎(chǔ)型式如圖6所示，這種型式的錐柱基礎(chǔ)適用于緩坡地帶能開挖的多年凍土塔位，基礎(chǔ)配置時有一定高度的露頭，這可以把基礎(chǔ)的露頭部分做成直柱。這種型式的錐柱基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)為:

圖6 直柱+錐柱+底板基礎(chǔ)Fig.6 Straight-cylindrical，cone-cylindrical and mat foundations

1)節(jié)省了材料量。

2)減小了露頭加高引起錐柱基礎(chǔ)立柱底部截面直徑的加大，有利于立柱鋼筋的配置和主筋間距的控制。

由于多年凍土的最大凍脹率一般出現(xiàn)在地表以下凍深1/3處［7］。這種基礎(chǔ)型式也可以用于凍脹性不強(qiáng)的多年凍土區(qū)，使用時將直柱段設(shè)置在凍深1/3以上，同時需要對切向凍脹力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)語

本文分析了錐柱基礎(chǔ)在多年凍土區(qū)的凍脹受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)青藏直流輸電線路穿越的高海拔多年凍土特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場施工和玻璃鋼模板的加工條件，優(yōu)選了經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷、外形美觀的圓形斷面錐柱基礎(chǔ)。基于不同的凍土地質(zhì)條件，對圓形斷面錐柱基礎(chǔ)的立柱型式進(jìn)行了多方案的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

［1］胡志義，管順清.高海拔多年凍土區(qū)基礎(chǔ)選型及設(shè)計(jì)應(yīng)用研究［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2008.

［2］俞祁浩，劉厚建，錢進(jìn)，等.青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程±500 kV輸電線路的工程問題分析［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2009，6(6)，806-812.

［3］劉厚建，俞祁浩，魏占元，等.青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程凍土分布及物理力學(xué)特性研究［R］.西安:西北電力設(shè)計(jì)院，2008.

［4］陳消柏，劉建坤，劉鴻緒，等.土的凍結(jié)作用與地基［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［5］崔托維奇.凍土力學(xué)［M］.張長慶，朱元林，譯.北京:科學(xué)出版社，1985.

［6］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:中國電力出版社，2005.

［7］孫延?xùn)|，葛樹東.季節(jié)凍土區(qū)與多年凍土區(qū)的凍脹淺析［J］.東北水利水電，2005，23(12):50-51.