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    強腐蝕地區(qū)地震液化地基輸電線路基礎選型及地基處理

    2018-01-30 05:58:26劉洪昌姜雅辛
    山東電力技術(shù) 2018年1期
    關(guān)鍵詞:作用力液化碎石

    蒲 凡,劉洪昌,姜雅辛,楊 洋

    (中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司,四川 成都 610021)

    0 引言

    750 kV南疆巴楚—喀什輸電線路工程沿線地區(qū)屬標準的大陸性氣候特點,氣候干燥、降水量小、蒸發(fā)量大,屬我國新疆典型的鹽漬土分布地帶,工程區(qū)普遍發(fā)育鹽漬土,鹽漬土類型主要為中硫酸鹽漬土、中亞硫酸鹽漬土,根據(jù)其對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性按Ⅲ類環(huán)境類型考慮。

    地震基本烈度為Ⅷ度,地震動峰值加速度0.3 g,規(guī)程規(guī)定[1],8度及以上地區(qū)220 kV及以上耐張型桿塔的基礎,當場地為飽和砂土或飽和粉土時,應考慮地基液化的可能性,并應采取必要的穩(wěn)定和抗震措施。

    選取該工程中既有強腐蝕又有地震液化現(xiàn)象的地基,設計中考慮對基礎的防腐,根據(jù)地基液化程度采取消除或者部分消除地基液化措施。

    1 強腐蝕地基對基礎混凝土結(jié)構(gòu)的影響

    表1 地基土巖溶性評價

    表2 地基液化等級判別

    鈣礬石結(jié)合了大量結(jié)晶水,使固相體積增大,形態(tài)主要為針狀結(jié)晶,四向放射,只是混凝土結(jié)構(gòu)破壞,形成裂紋,使得地基土中的Cl-離子進入混凝土結(jié)構(gòu)中,腐蝕鋼筋。

    《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》[3]規(guī)定以離子腐蝕為主的地基,混凝土強度等級≥C40,提高混凝土的抗裂性能,同時對基礎表面進行防護。

    基礎防腐蝕主要措施包括控制混凝土標號和水膠比、增加基礎保護層厚度、摻入抗硫酸鹽外加劑、基礎外表面涂刷防腐涂料、采用防腐土工布等措施。

    2 地質(zhì)條件及液化判別

    該工程存在嚴重液化的塔位,抗震設防烈度為8度,地震加速度為0.3 g,設計地震分組為第3組,地質(zhì)條件為粉土粉砂,標貫試驗液化判別見表2。

    表2中地基經(jīng)標貫試驗,根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[4]4.3.5 條判別 IlE=22.4>18 為嚴重液化。此類地基在地震作用下地基土中孔隙水壓力驟然上升,孔隙水壓力來不及消散,使得原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的有效壓力減小,當有效壓力完全消失時,砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力,變成像液體一樣的狀態(tài),地基承載力迅速下降,造成基礎沉降,將會對該工程造成不可估量的損失。

    《電力設施抗震設計規(guī)范》[5]規(guī)定:對位于地震烈度8度及以上的地區(qū),且場地為飽和砂土和飽和粉土時,應考慮地基液化的可能性,地基和基礎設計時考慮適當?shù)目挂夯蛳夯胧???挂夯胧┌凑仗幚韺ο罂煞譃閮纱箢悾阂活愂堑鼗幚?,消除或者部分消除液化影響,輸電線路常用的有換填法、加密法;另一類是穿透液化層,允許發(fā)生液化,主要采用樁基礎法[6-7]。

    3 強腐蝕地區(qū)地震液化地基的基礎選型及地基處理措施

    3.1 地震作用基礎作用力計算

    根據(jù)上述分析,選取巴楚—喀什終端塔JD-33對其進行地震作用下的基礎作用力計算和基礎設計。水平地震動峰值加速度為0.3 g,對應地震基本烈度為8度,設計地震分組為2組,Ⅲ類場地類別,阻尼比0.04,根據(jù)工程重要性,考慮為丙類建筑。在X和Y兩個主軸方向的水平地震作用力,通過振型分解反應譜法進行計算。先考慮地震波對桿塔的影響,然后和其他外荷載產(chǎn)生的影響進行荷載效應組合的方式,公式如下:

    式中:F為地震組合作用力;SGE為重力荷載代表值;SEHK為水平地震作用;SEQK為豎向地震作用;SWK為風荷載;γG、γEHK、γEQK、γWK分別為相對應荷載分項系數(shù)。

    通過ANSYS時程分析計算得到多遇地震和設防地震下該塔型的SEHK,再與通用軟件計算的SGE、SEQK和SWK進行匯總,得到多遇地震和設防地震下基礎作用力。

    表3 多遇地震作用下基礎作用力 kN

    表4 設防地震作用下基礎作用力 kN

    從表3~4可以看出,多遇地震作用下基礎作用力約為最大基礎作用力的40%,設防地震作用下基礎作用力約為最大基礎作用力的60%,基礎承載力計算時可不考慮地震作用。

    3.2 基礎設計方案

    該工程有嚴重地震液化的塔位同時具有強腐蝕性,基礎設計時要考慮基礎的防腐蝕性,同時需要消除地震液化的影響??紤]“裹體灌注樁”、“聯(lián)合板式基礎”和“大板基礎+碎石樁”3種方案。

    方案一?!肮w灌注樁”為高強防腐布袋裹體灌注樁。混凝土裹體樁的包裹材料采用“二布一膜”復合土工布方案,復合土工布可提高土工布與土相互作用摩擦阻力,同時提高土工布與混凝土粘合力;中間土工膜起到隔水和阻水作用。此方案優(yōu)點為工程量小、耐腐蝕、防滲透性強,缺點為復合材料施工時易損壞、檢測復雜。

    方案二?!奥?lián)合板式基礎”亦可在基礎表面涂刷HCPE等防腐涂料,基礎為一個整體,降低了對不均勻沉降的敏感性,可減輕液化的影響。此方案優(yōu)點是施工方便、受力清晰,缺點是基礎工程量大,造價高。

    方案三?!按蟀寤A+振沖碎石樁”,采用振沖碎石擠密消除地基液化影響,增強地基承載力,板式基礎充分利用底板上土體的自重及粘聚力,滿足上拔和下壓承載力,對基礎表面涂刷HCPE等防腐涂料,增強基礎的耐腐蝕性。此方案的優(yōu)點是工藝成熟、施工便利,缺點是地基處理面積較大。

    對3個方案進行經(jīng)濟技術(shù)分析比較見表5。采用“大板基礎+碎石樁”經(jīng)濟性最優(yōu),同時此方案為基礎采用大開挖方式,對于粉土粉砂地基可以降低施工安全風險。

    表5 不同地基液化處理方案比較

    4 碎石擠密地基液化設計方案

    4.1 碎石樁復合地基參數(shù)設計

    擠密范圍。地基處理范圍考慮該工程的重要性和場地條件,在基礎外邊緣擴大3~4排樁。

    樁徑。根據(jù)南疆地區(qū)常用擠密樁施工設備調(diào)查,該工程采用沉管法成樁,選取0.4 m樁徑,易成樁,同時具有較好的施工經(jīng)驗。

    樁位布置。設計基礎底板為6.2 m×6.2 m,可采用等邊三角形布置,根據(jù)對已處理樁間土的試驗,處理后的孔隙比e1取0.65,《勘測報告》取土的天然孔隙比e0為0.8。本工程樁徑取400 mm,樁間距不宜大于樁直徑的4.5倍。三角形布置樁間距為

    式中:ε為修正系數(shù),當考慮振動下沉密實作用,取1.1~1.2;d為碎石樁樁徑;S為樁間距。

    根據(jù)式 (2),可得三角形布置的樁間距S為1.45m,為保證效果,取S為1.4 m,樁徑與樁間距比值為3.5,可以起到有效的加固效果。

    樁長的確定。該工程相對硬層埋藏深度較大,鐵塔基礎需要控制變形和沉降,樁長設計需要滿足抗液化要求。

    根據(jù)地基處理范圍、樁徑、樁位布置、樁長的確定,該基礎地基處理碎石擠密樁有效樁長9 m,樁總數(shù)538根,布置見圖1。

    圖1 振沖碎石樁布置

    4.2 地基處理效果評價

    當?shù)鼗幚砗笠夯笖?shù)IlE≤6,則判別為輕微液化,可以不考慮對基礎的影響。原土層液化指數(shù)為22.4,判別為嚴重液化,地基處理后液化指數(shù)如表6所示。處理后IlE=5.39<6,根據(jù)規(guī)范規(guī)定判別其液化等級從嚴重液化降為輕微液化,已經(jīng)不具液化危害,可見其處理效果較好。

    表6 地基處理后液化指數(shù)

    5 結(jié)語

    通過對該地基腐蝕特性研究,提出采用開挖式基礎,施工方便,對基礎表面進行防腐蝕處理,減少甚至消除SO42-離子進入混凝土結(jié)構(gòu)的通道,增強基礎的抗腐蝕性。

    對比“裹體灌注樁”、“聯(lián)合板式基礎”和“大板基礎+碎石樁”3種基礎型式及地基處理方式,“大板基礎+碎石樁”經(jīng)濟性最優(yōu),同時此方案為基礎采用大開挖方式,對于粉土粉砂地基可以降低施工安全風險。

    碎石擠密樁擠壓和置換作用,降低地基的孔隙率,形成滲透性良好的人工豎井減壓,可在地震作用時,及時排除孔隙水,降低液化影響,經(jīng)地基處理后,該地基液化指數(shù)IlE=5.39<6,從嚴重液化降為輕微液化,不具液化危害。

    [1]國家能源局.架空輸電線路基礎設計技術(shù)規(guī)程:DL/T 5219—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.

    [2]黃新,胡同安.水泥-廢石膏加固軟土的試驗研究[J].巖土工程學報,1998,20(5):75-79.

    [3]中華人民共和國建設部.工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范:GB 50046—2008[S].北京:中國計劃出版社,2008.

    [4]中華人民共和國建設部.建筑抗震設計規(guī)范:GB 50011—2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

    [5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.電力設施抗震設計規(guī)范:GB50260—2013[S].北京:中國計劃出版社,2013.

    [6]王文濤.用碎石樁防止粉土地基液化的設計方法[J].工業(yè)建筑,1996,26(4):41-44.

    [7]黃茂松,吳世明,趙竹占.振動擠密砂樁與振沖碎石樁抗液化分析[J].浙江大學學報(自然科學版),1992,26(2):165-171.

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