錐型鋼管混凝土基礎(chǔ)在凍土地區(qū)應(yīng)用研究與探討

安之煥，陳 杰，唐占元，盧志超，高 健

(國(guó)網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810000)

0 引言

青海位于我國(guó)西部31°39′～39°11′N，89°25′～104°00′E之間?？偯娣e73萬(wàn)km2，是“世界屋脊”的主要組成部分，境內(nèi)有多年凍土45萬(wàn)km2,占全省面積55 %。

青海省多年凍土是地球中、低緯度高海拔多年凍土的主體,海拔高度是控制多年凍土發(fā)育的主導(dǎo)因素。不凍脹、弱凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹季節(jié)性凍土或融化層凍土在青海高原分布十分廣泛。可劃分為阿爾金山-祁連山高寒帶山地多年凍土區(qū)、柴達(dá)木盆地-環(huán)青海湖地區(qū)-河湟谷地溫帶季節(jié)凍土區(qū)和青南高原高寒帶大片多年凍土區(qū)3個(gè)區(qū)。

資料表明：祁連山區(qū)多年凍土分布下界在海拔3 450 m～3 950 m以上山地,多年凍土厚度從幾米到100 m不等，最厚達(dá)139.3 m，凍土溫度在0 ℃～-2.5 ℃之間。東昆侖山多年凍土分布下界高度3 800 m～4 299 m。凍土層厚度一般在100 m之內(nèi),最厚超過(guò)400 m,凍土溫度-1.0 ℃～-2.5 ℃,最低為-3.2 ℃。唐泉溝揭露的多年凍土層厚度為128.5 m。

青海凍土層基本分布規(guī)律：自西而東可分為多年凍土連續(xù)分布區(qū)、多年凍土片狀分布區(qū)和多年凍土島狀分布區(qū)。其中木里、江倉(cāng)一帶屬多年凍土片狀分布區(qū)，多年凍土厚度在30米～60米之間，多年季節(jié)融化深度在2米左右。

隨著西電東送和地區(qū)電網(wǎng)不斷發(fā)展，電力輸電線路進(jìn)入青海凍土地區(qū)已不可避免。進(jìn)一步研究、優(yōu)化凍土地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案勢(shì)在必行。

1 凍土對(duì)桿塔基礎(chǔ)的影響分析

土體在凍結(jié)時(shí)，其垂直面和橫剖面都存在厚度不等的冰分凝集合體生長(zhǎng)，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〔1〕。當(dāng)凍土層的非均勻膨脹受到基礎(chǔ)的約束時(shí)，會(huì)基于不同的約束條件對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生不同的凍脹力。

凍土地區(qū)架空輸電線路往往會(huì)不同程度受到地基土凍脹和融沉的影響。導(dǎo)致桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)?；A(chǔ)所受的凍脹力分為法向凍脹力、水平凍脹力和切向凍脹力，如圖1所示：

圖1 法向凍脹力、水平凍脹力和切向凍脹力示意圖

法向凍脹力是指基礎(chǔ)底面下的磁力層地基土因凍脹受阻而產(chǎn)生向上的反作用力，法向凍脹力可導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔；水平凍脹力是指垂直作用于基礎(chǔ)立柱表面凍脹壓力，由于水平凍脹力的對(duì)稱作用，對(duì)基礎(chǔ)影響不大；切向凍脹力是凍土地基土與基礎(chǔ)表面凍結(jié)在一起時(shí)，產(chǎn)生凍結(jié)力，由于土體向上運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生平行于基礎(chǔ)側(cè)面的阻力，稱之為切向凍脹力，可導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔，切向凍脹力與土體的凍脹性和凍結(jié)強(qiáng)度及基礎(chǔ)表面的粗糙度有關(guān)。

由此可見(jiàn)，直柱基礎(chǔ)的水平法向凍脹力可相互抵消，而切向凍脹力、基底法向凍脹力會(huì)對(duì)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。有關(guān)研究表明，對(duì)基礎(chǔ)的有效凍脹力由未開(kāi)裂的凍脹土產(chǎn)生。凍土切向張力與地表附近凍土開(kāi)裂有關(guān)。凍土開(kāi)裂受地表土體的類型、含水率、溫度影響〔2〕。

根據(jù)不同張力作用方向可知，將基礎(chǔ)面傾斜后可降低切向凍土張力。當(dāng)基礎(chǔ)面的傾斜角達(dá)到臨界值后，作用于基礎(chǔ)面上拉力分量將大于凍土與基礎(chǔ)間的凍結(jié)抗拉強(qiáng)度，凍土層與基礎(chǔ)表面脫離而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。此時(shí)，開(kāi)裂區(qū)的凍脹活動(dòng)不能作用到基礎(chǔ)上。即開(kāi)裂區(qū)的切向凍脹力為零，降低作用在基礎(chǔ)上的總凍脹力?！秲鐾恋貐^(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》B.3.2-3規(guī)定：基礎(chǔ)主柱錐度最小取9度〔3〕。如圖2所示。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(duì)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 錐型體所受張力分解示意圖

基礎(chǔ)主柱錐度越大，切向凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的上拔推力越小，但基礎(chǔ)椎體體積增大。雖可調(diào)整埋深，因柱體面積的增量大于柱體高度的增量，混凝土耗量增加?；A(chǔ)主柱錐度越小，切向凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的上拔推力越大，增大基礎(chǔ)埋深，切向凍脹面積也隨之增加。則基礎(chǔ)柱體幾何尺寸設(shè)計(jì)存在一優(yōu)化解。且切向凍脹力與地基土質(zhì)和凍脹類別有關(guān)，不同土質(zhì)和類別的凍脹土切向凍脹力不同。切向凍脹力隨凍結(jié)深度的增加顯著，當(dāng)凍結(jié)深度發(fā)展至2/3左右時(shí)，切向凍脹力總力值可達(dá)到最大值的80 %左右，該階段是使基礎(chǔ)發(fā)生破壞的主要階段?；A(chǔ)表面的粗糙度對(duì)基礎(chǔ)抵抗凍脹力影響較大，金屬面基礎(chǔ)材質(zhì)與土摸混凝土修正系數(shù)相差近2倍左右。是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的主要因素。

2 凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)類型選擇

目前凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)通常采用混凝土臺(tái)階式、板式大開(kāi)挖基礎(chǔ)或掏挖等淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。根據(jù)凍土張力作用特性，減小基礎(chǔ)切向凍脹力的主要措施有：

(1)改變切向凍脹力方向，淺基礎(chǔ)基礎(chǔ)立柱表面做成坡型。

(2)降低基礎(chǔ)表面與凍土的凍結(jié)強(qiáng)度，減小基礎(chǔ)表面的粗糙度。

(3)凍土的穩(wěn)定性差，盡量減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng)，縮短作業(yè)時(shí)間，避免凍土融化帶來(lái)的不利影響。

(4)基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于凍土融化深度。

(5)地基發(fā)生凍脹的主要因素是由于土體含有水的存在，盡量減少地基土的含水量；塔基周圍應(yīng)做好地面排水措施，或做隔水層(板)。

(6)改換土的凍脹性；基坑回填時(shí)參入非凍脹性材料。

(7)基礎(chǔ)周圍設(shè)置隔熱層。

為此，基礎(chǔ)選型在傳統(tǒng)臺(tái)階、板式基礎(chǔ)上，本文對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及外形進(jìn)行了改進(jìn)，基礎(chǔ)立柱采用錐型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，底板采用倒錐型底板，如圖3。

圖3 鋼管混凝土基礎(chǔ)

錐型鋼管混凝土立柱：既改變切向凍脹力方向，同時(shí)又改善立柱表面的粗糙度，可降低60 %基礎(chǔ)表面與凍土的凍結(jié)強(qiáng)度〔4〕。加之錐型鋼管如一緊固楔子，基柱混凝土受拔時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)壓。增強(qiáng)混凝土的抗拉性能。

鋼管可工廠加工，錐度靈活。以管代摸，節(jié)約模板，減小現(xiàn)場(chǎng)支模、混凝土澆筑方便。避免了底部配筋過(guò)大、頂部配筋間距過(guò)密，導(dǎo)致主筋上下間距不同的問(wèn)題。鋼管混凝土施工工藝簡(jiǎn)潔，進(jìn)度快，減小基坑凍土外露融化。

底板采用倒錐型底板，從外形來(lái)看，倒錐型底板和正截面錐型底板相近，底板受力性能相同。但倒錐型底板錐型朝下，水平面朝上，在相同的垂向凍脹力作用下，倒截錐形基礎(chǔ)在基礎(chǔ)斜面上增加了一個(gè)水平分力，減小垂直方向的凍脹力，對(duì)倒截錐形基礎(chǔ)的受力是有利的，如圖4。且混凝土容易澆筑、振實(shí)，避免正截面錐型基礎(chǔ)坡度較大時(shí)難以澆筑和振實(shí)的缺點(diǎn)。

圖4 倒錐型底板受力分析

當(dāng)采用掏挖基礎(chǔ)時(shí)，建議采用半掏挖基礎(chǔ)，便于鋼管的現(xiàn)場(chǎng)安裝。

3 鋼管混凝土基柱強(qiáng)度計(jì)算

鋼管混凝土基柱由偏拉控制，只需考慮強(qiáng)度問(wèn)題，其承載力按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：N、M—基礎(chǔ)立柱承受的拉力和彎矩，kN·m；AS—鋼管截面面積，m2；f—鋼管抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa；fsc—鋼管混凝土的組合抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa；Wsc—對(duì)鋼管混凝土受壓邊緣的截面抵抗矩，mm3/m；

4 倒錐型底板強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)?shù)装甯邔挾缺却笥趧傂越菚r(shí)，底板頂部和底部需配筋；錐型板配筋按式(2)計(jì)算〔5〕：

(2)

式中：As—鋼筋面積，m2；ξ=x/ho；x—混凝土受壓區(qū)高度，m；fc—混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值，kPa；b′=B+ξ(b-B)/2，其中B、b參照?qǐng)D5選取，m；ho—底板有效高度，m；fy—鋼筋抗拉強(qiáng)度，kPa。

圖5 下壓受力簡(jiǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文首次提出在輸電線路鐵塔基礎(chǔ)在凍土地區(qū)采用鋼管混凝土基柱、倒錐型底板基礎(chǔ)的可行性。從理論上分析了其抗凍的受力機(jī)理，體現(xiàn)了其技術(shù)先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好的特點(diǎn)。