季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的選型與抗凍拔設(shè)計(jì)

汪小鋒

0 引言

凍土按其是否隨外界溫度而周期性凍結(jié)、融化可分為季節(jié)凍土和多年凍土，其中季節(jié)性凍土分布區(qū)域約占我國領(lǐng)土面積一半以上，大部分地區(qū)季節(jié)性凍土的標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.6～3 m。季節(jié)性凍土夏季融化，冬季凍結(jié)，常年交替，產(chǎn)生的凍脹作用造成建筑物基礎(chǔ)的上拔、融陷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致上部建筑物傾斜、開裂等不可逆的工程問題。季節(jié)性凍土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)如不采取有效的抗凍拔措施，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用安全。

電氣化鐵路中的接觸網(wǎng)支柱作為一種“輕軸力、重彎矩”的桿塔結(jié)構(gòu)，季節(jié)性凍土的凍脹作用對(duì)其影響更為嚴(yán)重。我國北方地區(qū)鐵路在運(yùn)營過程中，經(jīng)過幾個(gè)凍融期后，部分接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)出現(xiàn)上拔、隆起現(xiàn)象，已嚴(yán)重影響鐵路的運(yùn)營安全，對(duì)此類情況的處理往往需要花費(fèi)很長的時(shí)間和極高的經(jīng)濟(jì)成本。為防止接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)產(chǎn)生凍拔現(xiàn)象，避免影響線路運(yùn)營安全，在前期設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)充分考慮，選擇合理的基礎(chǔ)形式，配以有效的抗凍拔措施。

1 季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱常采用的基礎(chǔ)形式主要包括臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)、錐柱基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 基礎(chǔ)形式及抗凍拔示意圖

1.1 支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理

臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)主要依靠基礎(chǔ)下部臺(tái)階擴(kuò)大段來抵抗切向凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的凍拔作用，屬自錨式基礎(chǔ)，基底標(biāo)高一般位于設(shè)計(jì)凍深線以下。凍脹發(fā)生后，當(dāng)基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)臺(tái)階上部土體自重等合力大于切向凍脹力產(chǎn)生的上拔力時(shí)，基礎(chǔ)不會(huì)出現(xiàn)上拔現(xiàn)象。

錐柱基礎(chǔ)抵抗凍脹的原理與擴(kuò)展基礎(chǔ)類似，不同主要在基礎(chǔ)短柱部分，擴(kuò)展基礎(chǔ)短柱為上下等截面，錐柱基礎(chǔ)的短柱截面上小下大，當(dāng)法向凍脹力作用于基礎(chǔ)短柱時(shí)，因其存在一定傾角，法向凍脹力將產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的分力，該分力可與基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及臺(tái)階擴(kuò)大段上部土體自重等疊加共同抵抗基礎(chǔ)凍拔破壞。相關(guān)研究表明，當(dāng)基礎(chǔ)短柱上下截面傾角約為9°時(shí)，抵抗切向凍脹力的效果最好，JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中也將該類形狀的基礎(chǔ)作為一種消除切向凍脹力的構(gòu)造措施。

樁基礎(chǔ)主要依靠樁身與土體間的摩擦力、擴(kuò)底段與土體產(chǎn)生的自錨力（擴(kuò)底樁）兩者合力來抵抗切向凍脹力產(chǎn)生的基礎(chǔ)上拔。采用樁基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)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(dāng)樁基礎(chǔ)上部產(chǎn)生的切向凍脹力過大時(shí)，還需對(duì)樁身截面及強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，以保證基礎(chǔ)不被拔斷。

1.2 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

對(duì)于接觸網(wǎng)支柱而言，基礎(chǔ)形式的選擇受諸多因素的影響。除獨(dú)立架設(shè)的供電線支柱外，接觸網(wǎng)支柱大部分位于路基基床上，且絕大部分支柱基礎(chǔ)是在路基基床施工完成后施做。

如采用臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)，當(dāng)基坑開挖采用掏挖工藝施工時(shí)，基礎(chǔ)擴(kuò)大段尺寸受土體自穩(wěn)角限制，往往無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基底尺寸，將嚴(yán)重影響基礎(chǔ)的抗傾覆能力；如按基底尺寸開挖，則對(duì)路基基床擾動(dòng)太大，基礎(chǔ)的回填通常無法達(dá)到路基基床的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，將嚴(yán)重影響路基、道床的整體穩(wěn)定[2]，且路基上通常還設(shè)有其他專業(yè)的線纜，基礎(chǔ)施工時(shí)勢必對(duì)其造成影響，存在一定的安全隱患。

當(dāng)采用錐柱基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)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(duì)擴(kuò)大部分進(jìn)行掏挖，其對(duì)路基的影響與擴(kuò)展基礎(chǔ)相同。因錐柱基礎(chǔ)短柱存在傾角，基礎(chǔ)混凝土澆筑時(shí)模板搭設(shè)較復(fù)雜，澆筑混凝土?xí)r短柱傾角易出現(xiàn)偏差，基坑回填壓實(shí)度不易保證，施工周期相對(duì)較長。

與上述兩種基礎(chǔ)相比，進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工對(duì)路基基床擾動(dòng)較小，基坑無需回填，可最大限度地保持原始土層的現(xiàn)狀，且施工作業(yè)面為3種基礎(chǔ)中最小，可最大限度地減少對(duì)鐵路路基及各類管線的影響。綜合比較，樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

2 接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)抗凍拔措施

防止樁基礎(chǔ)的凍拔主要從以下三方面考慮：

（1）采用物理、化學(xué)方法對(duì)樁基表面進(jìn)行處理，增加基礎(chǔ)表面的光滑度，減小基礎(chǔ)側(cè)面與土壤的摩擦，削弱土層與基礎(chǔ)表面凍脹作用，降低凍脹產(chǎn)生的上拔力。

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

（3）設(shè)置合理有效的防排水措施，避免凍脹作用加劇。

針對(duì)上述防凍拔措施，已進(jìn)行過大量研究分析，得到了很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如文獻(xiàn)[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(qiáng)度高、造價(jià)低，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了投資，將該類材料作為構(gòu)件模板可取得良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。DL/T 5501—2015《凍土地區(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4]中，玻璃鋼因其表面光滑，切向凍脹力計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù)為0.75，說明玻璃鋼對(duì)減小基礎(chǔ)表面與土壤的摩擦具有明顯的作用。為驗(yàn)證基礎(chǔ)側(cè)面換填弱凍脹材料的防凍脹效果，文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了3種不同防凍措施的對(duì)比試驗(yàn)，得出樁基周圍換填風(fēng)積沙的防凍脹效果最好也最為穩(wěn)定。文獻(xiàn)[6]闡述了采用大直徑的剛性套筒套在樁基礎(chǔ)周圍，并在樁基礎(chǔ)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(fā)生時(shí)，套筒產(chǎn)生自由凍拔切斷了切向凍脹力與樁基礎(chǔ)間的直接傳力途徑，避免樁基礎(chǔ)凍拔的產(chǎn)生。經(jīng)分析該試驗(yàn)的觀測數(shù)據(jù)，證實(shí)了采用套筒防凍拔的措施對(duì)樁周凍土凍脹力的切斷和疏導(dǎo)是有效的。

可將上述3種措施結(jié)合應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔，對(duì)設(shè)計(jì)凍深線以上部分樁基礎(chǔ)采取抗凍拔措施，凍深線以下部分按常規(guī)樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工，具體的抗凍拔措施如下：

（1）樁基開挖時(shí)采用剛性護(hù)壁進(jìn)行支護(hù)，護(hù)壁內(nèi)徑比樁基外徑外擴(kuò)0.2 m，樁基與護(hù)壁間空隙采用粗砂填實(shí)，將樁基礎(chǔ)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(cè)面與粗砂間的摩擦力。

（3）基礎(chǔ)頂面設(shè)置混凝土散水，防止雨季、凍土融化期地表水對(duì)基礎(chǔ)的浸泡、滲透和沖刷，減小雨水對(duì)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(nèi)的護(hù)壁，回填0.2 m厚爐渣（松鋪不壓實(shí)），防止護(hù)壁凍拔時(shí)對(duì)基礎(chǔ)頂部散水造成破壞。對(duì)于有承臺(tái)的鋼柱基礎(chǔ)，還應(yīng)在承臺(tái)側(cè)面及底部換填0.2 m厚的粗砂，減小凍脹力對(duì)承臺(tái)的凍脹作用。

（5）當(dāng)設(shè)計(jì)凍深線以上部分樁基護(hù)壁內(nèi)徑大于下部樁基護(hù)壁外徑時(shí)，應(yīng)在交界處鋪設(shè)土工織物或塑料膜等隔離物，避免回填的粗砂流失，同時(shí)防止地下水流動(dòng)時(shí)帶入粉粘料，降低防凍拔效果[5]。

樁基礎(chǔ)抗凍拔構(gòu)造示意如圖2所示。

圖2 樁基抗凍拔構(gòu)造示意圖

3 樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性計(jì)算

以哈爾濱阿城區(qū)某專用線使用的G250/15型格構(gòu)式鋼柱樁基礎(chǔ)為例，對(duì)樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)該工程地質(zhì)詳勘報(bào)告及路基專業(yè)設(shè)計(jì)圖，阿城區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)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(qiáng)凍脹粉質(zhì)黏土（可塑），凍脹等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)樁基直徑采用0.8 m時(shí)，基礎(chǔ)滿足抗傾覆要求的樁長為4.8 m?？箖霭斡?jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)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(hù)壁壁厚為0.1 m，總樁長為4.8 m。

設(shè)計(jì)凍深計(jì)算式為

式中：zd為設(shè)計(jì)凍深；z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深；φzs為土的類別對(duì)凍深影響系數(shù)，取1.4；φzw為凍脹性對(duì)深度影響系數(shù)，取0.9；φzc為周圍環(huán)境對(duì)凍深影響系數(shù)，取0.95；φzt0為地形對(duì)凍深影響系數(shù)，取1.0。計(jì)算后該地區(qū)設(shè)計(jì)凍深為2.40 m。

切向凍脹力設(shè)計(jì)值計(jì)算式為

式中：Fτ為切向凍脹力設(shè)計(jì)值，kN；φτ為基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù)，取0.75；τi為單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Ai為設(shè)計(jì)凍深內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)表面積，m2。

對(duì)于路基A、B組填料的凍脹性，文獻(xiàn)[7]論述了相關(guān)試驗(yàn)，得出該類填料在凍結(jié)過程中未出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。但鑒于影響土體凍脹性的因素較多，且現(xiàn)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(chǔ)與護(hù)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(jì)算時(shí)第1層土仍按有凍脹力作用在樁基礎(chǔ)上，單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值按弱凍脹土取60 kPa；第2層土為粉質(zhì)黏土（可塑），單位切向凍脹力標(biāo)準(zhǔn)值取120 kPa。樁基抗拔力計(jì)算時(shí)，樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中粘性土（可塑）干作業(yè)鉆孔樁取53 kPa。樁基礎(chǔ)的切向凍脹力計(jì)算見表1。

表1 樁基礎(chǔ)切向凍脹力計(jì)算

樁基礎(chǔ)抗拔力中地基錨固力計(jì)算式為

式中：Rta為基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下地基土所產(chǎn)生錨固力的特征值，kN；qsia為土層與基礎(chǔ)側(cè)表面的摩阻力特征值，kPa；Aia為基礎(chǔ)側(cè)表面積，m2。Rta計(jì)算見表2。

表2 地基錨固力計(jì)算

樁基礎(chǔ)的抗拔力需大于切向凍脹力才能保證基礎(chǔ)不產(chǎn)生凍拔，即

式中：Gk為基礎(chǔ)上永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，包括基礎(chǔ)自重及支柱自重。

經(jīng)計(jì)算，樁基礎(chǔ)自重及支柱重Gk為100.24 kN，樁基礎(chǔ)總的抗拔力為299.94 kN，大于樁基礎(chǔ)所受總的切向凍脹力（271.35 kN），樁基礎(chǔ)抗凍拔性能滿足要求。分析可知，當(dāng)樁長滿足抗傾覆要求時(shí)，通過疊加上述抗凍拔措施后，僅將設(shè)計(jì)凍深線以下樁基直徑進(jìn)行微調(diào)即可滿足抗凍拔要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同類型接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理的分析，結(jié)合基礎(chǔ)施工對(duì)鐵路路基及各類管線的影響對(duì)比，確定了樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

參考各類防凍脹措施試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際工程應(yīng)用案例，提出了接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)凍深范圍內(nèi)的圓形短柱可采用側(cè)壁光滑的玻璃鋼管作為模板，再外套大直徑鋼筋混凝土護(hù)壁，護(hù)壁與短柱之間用粗砂填實(shí)，將基礎(chǔ)與凍土層進(jìn)行隔離，最后在基礎(chǔ)頂部設(shè)置混凝土散水等多措并舉的方式來防止樁基礎(chǔ)凍拔的設(shè)計(jì)方法。結(jié)合工程實(shí)例對(duì)采用上述防凍拔措施的樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，驗(yàn)證了所提措施在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性。文中所述的抗凍拔單項(xiàng)措施在其他工程行業(yè)中已進(jìn)行過較多的試驗(yàn)與應(yīng)用，積累了大量數(shù)據(jù)，印證了該類措施對(duì)于防止基礎(chǔ)凍拔是有效的。但將其組合起來應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔，現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例較少，缺乏足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)際的抗凍拔效果尚需時(shí)間的檢驗(yàn)。