哈大鐵路客運專線季節性凍土區段接觸網柱基礎設計

王玉環

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

哈大鐵路客運專線季節性凍土區段接觸網柱基礎設計

王玉環

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,西安 710043)

主要闡述特殊地質即季節性凍土條件下接觸網支柱基礎的設計理念。針對東北地區季節性凍土這一特殊土壤特性,提出采用機械擴底樁基來抵抗季節性凍土凍脹上拔,其優點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與路基內樁板結構干擾。機械鉆孔擴底樁基是季節性凍土代表區域內高速鐵路建設中接觸網支柱基礎設計可選的優化方案,也是支柱基礎底部受到地基處理措施干擾及濕陷性黃土影響要求基礎淺埋時的佳選。

哈大客運專線;接觸網支柱;季節性凍土;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,當地層溫度降至0℃以下時,土中部分孔隙水將凍結而形成凍土。凍土分為季節性凍土和多年凍土,季節性凍土在冬季凍結而夏季融化,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性質[1]。多年凍土則不論冬夏,常年均處于凍結狀態,且凍結連續3年以上。對于淺基礎來說季節性凍土的危害要比多年凍土大,因為季節溫度差異使得基礎的附加應力非恒定,而是隨凍脹量變化而變化。

我國季節性凍土分布很廣,東北、新疆是主要分布區[2],凍土厚度均在0.5 m以上,最大可達3.0 m左右,而哈大鐵路客運專線恰位于季節性凍土區段。哈大客運專線沈哈段沿途經過新四平、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段,受季節性氣候影響較大,四平～哈爾濱區段沿線季節性凍土分布較廣。沈哈段主要標準測量凍結深度及設計凍深見表1。

從全線最大季節凍土深度區劃表來看,最大凍結深度為 2.05 m。經調查路基區段土體含水量為42.4%,最小為20.8%,年平均值為33.389%,而《凍土地區建筑地基基礎設計規范》(JGJ118)規定當土體含水量大于18%可視為強凍脹地基類別。季節性凍土危害不容忽視,主要影響表現為冬季上拔和夏季融陷。接觸網支柱基礎為淺基礎,所以在設計時必須考慮土凍脹對其的影響,這關系到接觸網系統乃至供電系統的安全性及可靠性。

表1 哈大客運專線沈哈段季節凍土深度區劃

1 哈大鐵路客運專線季節性凍土區域接觸網柱基礎的結構形式選擇

哈大鐵路客運專線接觸網支柱基礎選型首先要從基礎自身對鐵路高速運營的適應性進行選擇,要充分考慮接觸網與其他相關專業的特性匹配情況,影響因素,如設計速度等級、環境因素(抗災)、地質情況、路基承載情況、綜合接地設置、電纜溝、排水設施等。

接觸網為獨桿基礎,支柱的穩定性、可靠性保證主要靠其下部基礎來實現。在季節性凍土區域基礎結構形式主要根據支柱類別、上部結構特點、地質情況、路基各專業接口及施工便易程度確定[5]。

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

圖1 接觸網支柱常用基礎類型(單位:mm)

表2 常用基礎形式特性對比

從表2及圖1可知,直埋基礎(圖1(a))為人工開挖基礎,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,此基礎較適用于容量、擾動小的支柱。輪軌振動大時其穩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計標準。

杯口基礎(圖1(b))是支柱插入杯底后采用細混凝土分層澆筑而成,此種基礎相對直埋基礎穩定性較好,但是支柱插入后混凝土需要一定的養護、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營。

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

機械鉆孔樁(圖1(d)),此種基礎承載能力大,路基占用面積小,樁徑為0.7 m,機械成孔作業,與路基專業同步施工,避免了后期開挖對路基及整體道床的擾動,整體性能好。與其他專業在路基路肩寬度范圍內的布置較為合理,特別是綜合接地電纜槽等設施,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,則導致側面限界不滿足3.0m要求,也不滿足路基寬度13.6m要求。

圖2 客運專線路基斷面相關專業設施布置(單位:m)

綜合電氣化常用接觸網柱基礎的對比分析,在哈大鐵路客運專線優先選用機械鉆孔樁,但是考慮哈大鐵路客運專線季節性凍土影響,在季節性凍土區段接觸網支柱及拉線基礎宜采用機械鉆孔擴底樁,以抵抗側向凍脹力及交替季節凍脹產生的上拔力。

2 哈大鐵路客運專線地質情況與支柱基礎選型

2.1 地質情況

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

(1)本段處于季節性凍土區段,土壤最大凍結深度205 cm;

(2)工點范圍內上部為第四系全新統沖積黏質黃土(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 從設計角度減少季節性凍土及濕陷性對網柱基礎影響所采取的措施

2.2.1 地基處理[3]

(1)基礎四側換土,采用較純凈的砂、砂礫石等粗顆粒土換填基礎四周凍土,填土要夯實。

(2)將基底以下1～3m濕陷性土層全部挖除,采用強夯法夯實。

2.2.2 基礎結構

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

(2)改善基礎側表面平滑度,基礎必須澆筑密實,具有平滑表面。基礎側面在凍土范圍內還可用工業凡土林、渣油等涂刷以減少切向凍脹力。對樁基礎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。

由以上地質情況可知,接觸網支柱基礎設計時除要考慮設季節性凍土的凍脹和融沉影響,也要考慮其濕陷性的特性對網柱基礎的影響,抵抗凍拔就要擴大樁底端增加覆土與基礎的正壓力;避免融陷與濕陷性就要加大基礎底端與土壤的接觸面積,所以這也是哈大鐵路客運專線選用機械鉆孔擴底樁的最重要的原因。下面詳細分析一下擴底鉆孔樁與普通鉆孔樁在抵抗凍拔的力學優勢。

3 普通的鉆孔樁與鉆孔擴底樁抗凍拔計算分析

3.1 普通的鉆孔樁與鉆孔擴底樁外部結構

以JA-1型基礎為例見圖3。

圖3 兩種不同形式灌注樁基(單位:mm)

3.2 哈大鐵路客運專線沈哈段季節性凍土凍脹設計深度計算

式中 zd——設計凍深;

z0——標準凍深,按照表1取值;

φzs——土質對凍深的影響系數,取1.0;

φzw——濕度對凍深的影響系數,取0.85;

φzc——周圍環境對凍土的影響系數,取1.05;

φzt0——地形對凍土的影響系數,取1.0。

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

3.3 標準切向凍脹力計算

式中 τdi——切向凍脹應力設計值(kPa),取2層土即i=1,2。

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

土壤特性及基礎相關參數見表3。

表3 土壤特性及基礎相關參數

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 不擴底樁基及擴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3.3節計算可知,雙城地區凍土深度2.32m,切向凍脹力(凍脹上拔力)約為417.79 kN。在進行基礎校驗時必須要滿足作用于基礎底部的垂直力要大于切向凍脹力Fdi才能保證接觸網基礎不被拔出或融陷。

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

Ra——地基土產生的錨固力(摩阻力)設計值,kN;

Aq1——第1層土內樁身的側表面積,m2;

Aq2——第2層土內樁身的側表面積,m2;

qs2——第1層土內樁身的側表面單位摩阻力,kPa;

qs2——第2層土內樁身的側表面單位摩阻力,kPa。

如果暫不考慮上部荷載的重力,僅考慮基礎本身及覆土重力,則不擴底基礎與擴底基礎其計算參數不同,樁側的摩阻力也不相同,見表4。

表4 樁側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擴底樁的擴底部分使得樁基增加了約40 kN的抗凍拔荷載,換言之,采用擴底樁基有效地削弱了由季節性凍土引起的凍脹力。《凍土地區建筑地基基礎設計規范》(JGJ118—98)在減小和消除切向凍脹力的措施中也建議基礎底部帶擴大部分的自錨式基礎。圖5為兩種基礎形式對應的選擇關系,同等外部荷載及使用條件情況下,擴底樁基為埋深3.5m的樁基,而對應的不擴底樁基為埋深4.0m的樁基。

圖4 抵抗上拔力線性對比

圖5 兩種基礎選用對應圖表

3.4.2 價差簡析

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

4 結語

從圖4可知,在同等基礎埋深情況下,擴底樁基與不擴底樁基其抵抗上拔力的計算結果有明顯區別,埋深為3.5～4.0m不擴底樁基的抵抗上拔力小于季節性凍土引起的凍脹力,不滿足Tb≥Fdi要求,在實際工程設計時不能采用,但是同樣的埋深擴底樁基就可滿足Tb≥Fdi設計要求。但這并不代表不能選用不擴底樁基,如采用普通的不擴底樁基,則要求基礎埋深要比擴底樁基大,鋼筋籠的長度增加0.5～1 m,增加環形箍筋數量,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。擴底樁基對季節性凍土引起的切向凍脹力有明顯的削弱作用,權衡二者的優略,經過對兩種樁基的力學計算分析后確定哈大鐵路客運專線接觸網基礎宜采用擴底樁基。

[1] 黑龍江省寒地建筑科學研究院.JGJ 118—98 凍土地區建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,1998.

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

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

[4] 沈宇鵬,吳艷,許兆義,王連俊.多年凍土斜坡穩定性評價方法的探討[J].鐵道標準設計,2011(3):34 -37.

[5] [蘇]H.馬克瓦爾特,N.N.符拉索夫.接觸網[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計處.接觸網設計手冊[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(1975—),女,高級工程師,2000年畢業于甘肅工業大學機械設計專業,工學學士。