季節性凍土地區接觸網支柱基礎的選型與抗凍拔設計

汪小鋒

0 引言

凍土按其是否隨外界溫度而周期性凍結、融化可分為季節凍土和多年凍土，其中季節性凍土分布區域約占我國領土面積一半以上，大部分地區季節性凍土的標準凍結深度為0.6～3 m。季節性凍土夏季融化，冬季凍結，常年交替，產生的凍脹作用造成建筑物基礎的上拔、融陷，嚴重時可導致上部建筑物傾斜、開裂等不可逆的工程問題。季節性凍土地區建筑物基礎如不采取有效的抗凍拔措施，將嚴重影響結構的使用安全。

電氣化鐵路中的接觸網支柱作為一種“輕軸力、重彎矩”的桿塔結構，季節性凍土的凍脹作用對其影響更為嚴重。我國北方地區鐵路在運營過程中，經過幾個凍融期后，部分接觸網支柱基礎出現上拔、隆起現象，已嚴重影響鐵路的運營安全，對此類情況的處理往往需要花費很長的時間和極高的經濟成本。為防止接觸網支柱基礎產生凍拔現象，避免影響線路運營安全，在前期設計過程中就應充分考慮，選擇合理的基礎形式，配以有效的抗凍拔措施。

1 季節性凍土地區接觸網支柱基礎選型

凍土地區接觸網支柱常采用的基礎形式主要包括臺階式擴展基礎、錐柱基礎及樁基礎（圖1）。

圖1 基礎形式及抗凍拔示意圖

1.1 支柱基礎抗凍拔原理

臺階式擴展基礎主要依靠基礎下部臺階擴大段來抵抗切向凍脹力對基礎的凍拔作用，屬自錨式基礎，基底標高一般位于設計凍深線以下。凍脹發生后，當基礎上部荷載、基礎自重及基礎臺階上部土體自重等合力大于切向凍脹力產生的上拔力時，基礎不會出現上拔現象。

錐柱基礎抵抗凍脹的原理與擴展基礎類似，不同主要在基礎短柱部分，擴展基礎短柱為上下等截面，錐柱基礎的短柱截面上小下大，當法向凍脹力作用于基礎短柱時，因其存在一定傾角，法向凍脹力將產生一個垂直向下的分力，該分力可與基礎上部荷載、基礎自重及臺階擴大段上部土體自重等疊加共同抵抗基礎凍拔破壞。相關研究表明，當基礎短柱上下截面傾角約為9°時，抵抗切向凍脹力的效果最好，JGJ 118—2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》[1]中也將該類形狀的基礎作為一種消除切向凍脹力的構造措施。

樁基礎主要依靠樁身與土體間的摩擦力、擴底段與土體產生的自錨力（擴底樁）兩者合力來抵抗切向凍脹力產生的基礎上拔。采用樁基礎時，基礎在設計凍深線以下需要具有一定的埋深才能提供足夠的抗拔力，當樁基礎上部產生的切向凍脹力過大時，還需對樁身截面及強度進行驗算，以保證基礎不被拔斷。

1.2 接觸網支柱基礎選型

對于接觸網支柱而言，基礎形式的選擇受諸多因素的影響。除獨立架設的供電線支柱外，接觸網支柱大部分位于路基基床上，且絕大部分支柱基礎是在路基基床施工完成后施做。

如采用臺階式擴展基礎，當基坑開挖采用掏挖工藝施工時，基礎擴大段尺寸受土體自穩角限制，往往無法達到設計要求的基底尺寸，將嚴重影響基礎的抗傾覆能力；如按基底尺寸開挖，則對路基基床擾動太大，基礎的回填通常無法達到路基基床的壓實標準，將嚴重影響路基、道床的整體穩定[2]，且路基上通常還設有其他專業的線纜，基礎施工時勢必對其造成影響，存在一定的安全隱患。

當采用錐柱基礎時，基礎短柱帶有一定傾角，基坑開挖采用掏挖形式較為困難，基坑開挖一般按短柱底部尺寸開挖，再對擴大部分進行掏挖，其對路基的影響與擴展基礎相同。因錐柱基礎短柱存在傾角，基礎混凝土澆筑時模板搭設較復雜，澆筑混凝土時短柱傾角易出現偏差，基坑回填壓實度不易保證，施工周期相對較長。

與上述兩種基礎相比，進行樁基礎施工對路基基床擾動較小，基坑無需回填，可最大限度地保持原始土層的現狀，且施工作業面為3種基礎中最小，可最大限度地減少對鐵路路基及各類管線的影響。綜合比較，樁基礎應為季節性凍土地區接觸網支柱基礎的首選形式。

2 接觸網支柱樁基礎抗凍拔措施

防止樁基礎的凍拔主要從以下三方面考慮：

（1）采用物理、化學方法對樁基表面進行處理，增加基礎表面的光滑度，減小基礎側面與土壤的摩擦，削弱土層與基礎表面凍脹作用，降低凍脹產生的上拔力。

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

（3）設置合理有效的防排水措施，避免凍脹作用加劇。

針對上述防凍拔措施，已進行過大量研究分析，得到了很多試驗數據。如文獻[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、強度高、造價低，在保證工程質量的同時節約了投資，將該類材料作為構件模板可取得良好的經濟與社會效益。DL/T 5501—2015《凍土地區架空輸電線路基礎設計技術規程》[4]中，玻璃鋼因其表面光滑，切向凍脹力計算時基礎表面狀態修正系數為0.75，說明玻璃鋼對減小基礎表面與土壤的摩擦具有明顯的作用。為驗證基礎側面換填弱凍脹材料的防凍脹效果，文獻[5]進行了3種不同防凍措施的對比試驗，得出樁基周圍換填風積沙的防凍脹效果最好也最為穩定。文獻[6]闡述了采用大直徑的剛性套筒套在樁基礎周圍，并在樁基礎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，凍脹發生時，套筒產生自由凍拔切斷了切向凍脹力與樁基礎間的直接傳力途徑，避免樁基礎凍拔的產生。經分析該試驗的觀測數據，證實了采用套筒防凍拔的措施對樁周凍土凍脹力的切斷和疏導是有效的。

可將上述3種措施結合應用于接觸網支柱樁基礎的抗凍拔，對設計凍深線以上部分樁基礎采取抗凍拔措施，凍深線以下部分按常規樁基礎進行施工，具體的抗凍拔措施如下：

（1）樁基開挖時采用剛性護壁進行支護，護壁內徑比樁基外徑外擴0.2 m，樁基與護壁間空隙采用粗砂填實，將樁基礎與凍土隔離。

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

（3）基礎頂面設置混凝土散水，防止雨季、凍土融化期地表水對基礎的浸泡、滲透和沖刷，減小雨水對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范圍內的護壁，回填0.2 m厚爐渣（松鋪不壓實），防止護壁凍拔時對基礎頂部散水造成破壞。對于有承臺的鋼柱基礎，還應在承臺側面及底部換填0.2 m厚的粗砂，減小凍脹力對承臺的凍脹作用。

（5）當設計凍深線以上部分樁基護壁內徑大于下部樁基護壁外徑時，應在交界處鋪設土工織物或塑料膜等隔離物，避免回填的粗砂流失，同時防止地下水流動時帶入粉粘料，降低防凍拔效果[5]。

樁基礎抗凍拔構造示意如圖2所示。

圖2 樁基抗凍拔構造示意圖

3 樁基礎抗凍拔穩定性計算

以哈爾濱阿城區某專用線使用的G250/15型格構式鋼柱樁基礎為例，對樁基礎抗凍拔穩定性進行分析。根據該工程地質詳勘報告及路基專業設計圖，阿城區標準凍結深度為2.0 m，路基基床以下2 m范圍換填B組填料，其下土層為強凍脹粉質黏土（可塑），凍脹等級為Ⅳ級。

經計算，當樁基直徑采用0.8 m時，基礎滿足抗傾覆要求的樁長為4.8 m。抗凍拔計算時，設計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，護壁壁厚為0.1 m，總樁長為4.8 m。

設計凍深計算式為

式中：zd為設計凍深；z0為標準凍深；φzs為土的類別對凍深影響系數，取1.4；φzw為凍脹性對深度影響系數，取0.9；φzc為周圍環境對凍深影響系數，取0.95；φzt0為地形對凍深影響系數，取1.0。計算后該地區設計凍深為2.40 m。

切向凍脹力設計值計算式為

式中：Fτ為切向凍脹力設計值，kN；φτ為基礎表面狀態修正系數，取0.75；τi為單位切向凍脹力標準值，kPa；Ai為設計凍深內基礎側表面積，m2。

對于路基A、B組填料的凍脹性，文獻[7]論述了相關試驗，得出該類填料在凍結過程中未出現凍脹現象。但鑒于影響土體凍脹性的因素較多，且現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與護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。故本次計算時第1層土仍按有凍脹力作用在樁基礎上，單位切向凍脹力標準值按弱凍脹土取60 kPa；第2層土為粉質黏土（可塑），單位切向凍脹力標準值取120 kPa。樁基抗拔力計算時，樁側阻力標準值參照《建筑樁基技術規范》中粘性土（可塑）干作業鉆孔樁取53 kPa。樁基礎的切向凍脹力計算見表1。

表1 樁基礎切向凍脹力計算

樁基礎抗拔力中地基錨固力計算式為

式中：Rta為基礎伸入凍脹土層之下地基土所產生錨固力的特征值，kN；qsia為土層與基礎側表面的摩阻力特征值，kPa；Aia為基礎側表面積，m2。Rta計算見表2。

表2 地基錨固力計算

樁基礎的抗拔力需大于切向凍脹力才能保證基礎不產生凍拔，即

式中：Gk為基礎上永久荷載的標準值，包括基礎自重及支柱自重。

經計算，樁基礎自重及支柱重Gk為100.24 kN，樁基礎總的抗拔力為299.94 kN，大于樁基礎所受總的切向凍脹力（271.35 kN），樁基礎抗凍拔性能滿足要求。分析可知，當樁長滿足抗傾覆要求時，通過疊加上述抗凍拔措施后，僅將設計凍深線以下樁基直徑進行微調即可滿足抗凍拔要求。

4 結論

通過對不同類型接觸網支柱基礎抗凍拔原理的分析，結合基礎施工對鐵路路基及各類管線的影響對比，確定了樁基礎應為季節性凍土地區接觸網支柱基礎的首選形式。

參考各類防凍脹措施試驗數據及實際工程應用案例，提出了接觸網支柱樁基礎在設計凍深范圍內的圓形短柱可采用側壁光滑的玻璃鋼管作為模板，再外套大直徑鋼筋混凝土護壁，護壁與短柱之間用粗砂填實，將基礎與凍土層進行隔離，最后在基礎頂部設置混凝土散水等多措并舉的方式來防止樁基礎凍拔的設計方法。結合工程實例對采用上述防凍拔措施的樁基礎抗凍拔穩定性進行了計算分析，驗證了所提措施在實際工程中應用的可行性。文中所述的抗凍拔單項措施在其他工程行業中已進行過較多的試驗與應用，積累了大量數據，印證了該類措施對于防止基礎凍拔是有效的。但將其組合起來應用于接觸網支柱樁基礎的抗凍拔，現有的應用實例較少，缺乏足夠的數據進行分析驗證，實際的抗凍拔效果尚需時間的檢驗。