冻土线路地基与基础处理方案

呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理１内容提要输电线路经过冻土地区，进行详细的地质调查和收资，掌握沿线冻土性质、融沉等级、地温分布、水文地质情况、季节冻结层的冻涨等级是关键。季节性冻土地段,存在于本工程河谷、河漫滩、地下水埋藏较浅的地段,最大冻结深度范围内的粉土、粘性土及粉砂具有冻涨性，冻涨级别为冻涨-强冻涨。本专题结合呼伦贝尔地区季节性冻土地段的特点和我院在同类地基上基础防冻设计的经验，对季节性冻土地区基础型式及地基处理方案进行了分析研究，在冻涨土地基选择了梯形斜面基础，在强冻涨且地下水位很浅的跨河及沼泽地段，浅基础无法施工的塔基，选择了钻孔灌注桩基础。多年冻土地段，根据呼伦贝尔地区多年冻土的类型、埋藏深度、融沉等级，提出了地基与基础的处理方案，在弱融沉的多冰冻土地基，采用了施工运行期允许融化的设计原则，推荐采用了梯形斜面基础，地基基底进行了清除多冰冻土的措施，防止地下冰融化导致的基础下沉。在属融沉等级的富冰冻土地基，采用保持地基冻结状态的设计原则，利用冻结状态的多年冻土作地基，选择了钻孔灌注桩基础。呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理２目录1呼伦贝尔段冻土分布及特点…………………………………………………12季节性冻土地区线路地基与基础设计…………………22.1冻涨对送变电工程造成的危害……………………………………………22.2季节性冻土地区线路地基与基础设计的主要原则…………………42.3季节性冻土地区线路地基与基础通常采取的处理措施………………42.4季节性冻土地段地基与基础处理方案………………………52.5季节性冻土地段地基与基础处理方案的选择……………………83多年冻土地区线路地基与基础设计……………………………93.1多年冻土融沉对送电线路造成的危害……………………………103.2多年冻土地区线路地基与基础设计的主要原则………………………113.3多年冻土的融沉性分析………………………………………113.4多年冻土地区线路地基与基础设计方案………………………153.5多年冻土地区线路地基与基础设计方案的选择………………………154结论性意见………………………………………………………………16呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理３1呼伦贝尔段冻土分布及特点本工程线路穿行于呼伦贝尔市的鄂温克旗、新巴尔虎左旗，穿越大兴安岭，属严寒地区。河谷、河漫滩及地下水埋藏较浅地段范围内的粉土、粘性土以及粉砂均具冻胀性，级别为冻胀～强冻胀,最大冻结深度3.12m，属季节性冻土。在上述区域的局部地段存在多年冻土，多年冻土主要分布于惠腾高勒河谷滩地及哈拉哈河谷滩地、阶地，长度约5.6km。其次零星分布于背阴山坡处。属于高纬度多年冻土，呈岛状分布，整体及层状构造，类型主要为多冰和富冰冻土，冻土一般厚度在1～5m,上界为3～6m，下界为4～10m。根据我院调查资料，该冻土层融沉类别为弱融沉～融沉。多年冻土是冻结状态持续多年而不融的冻土,多年冻土常存在于地面下的一定深度，其上部接近地表部分，往往亦受季节性影响，冬冻夏融，此冬冻夏融的部分常称为季节冻融层。因此,多年冻土地区常伴有季节性冻结现象。根据国家电网公司《±500kv呼伦贝尔-辽宁直流送电线路工程(呼伦贝尔段)设计招标文件》的有关要求，针对线路所经地区冻土地段的地形、地质、水文、施工条件、塔位分散等特点，借鉴建筑部门在冻土地区进行工程建设的经验，充分认识沿线冻土的类型、危害程度，掌握其发生、发展的科学规律。通过对沿线冻土工程地质条件及冻土地基的调查，采取合理的处理措施和方法。本专题针对季节性冻土、多年冻土两类不同类型冻土的特点，进行地基与基础的设计分析研究，选择合理的基础方案及处理措施,确保线路的可呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理４靠运行。2季节性冻土地段地基与基础的设计2.1冻涨对送变电工程造成的危害本工程地处高寒地区,送电线路冻土地区地基与基础的防冻涨处理是至关重要的,设计中务必给予足够重视。在呼伦贝尔冻土地区输变电工程多次发生建、构筑物的冻涨破坏，均属基础设计及施工不当造成。冻涨对送变电工程造成的危害主要案例如下所述：呼伦贝尔的根河市处于大兴安岭地区，110kv变电站于2003年建成投产。2005年主建物及设备支架，因冻涨导致墙体开裂、设备支架倾斜，严重影响了变电站的正常运行。经对本次冻害的调查分析表明，在基础设计中，虽然考虑了将基础埋置深度埋在了标准冻结深度之下，但是没有采取消除切向冻涨力的措施，是导致这次冻涨事故发生的主要原因。（见图一）图一海拉尔至牙克石220kv送电线路工程于1997年12月建成投产，2003年位于东大泡子附近的N29号塔灌注桩基础因冻涨导致桩顶倾斜、联梁与呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理５桩身连结处开裂、铁塔倾斜，线路不能正常运行，N29号塔灌注桩基础不得不向大号侧移位后重新施工，给生产运行造成了损失。经对本次冻害的调查分析表明，基础入土深度满足正常设计荷载和克服切向冻涨力验算所需的设计深度，该线路在东大泡子附近的其它4基相同塔型、相同地质条件、相同埋深的灌注桩基础运行正常，均未发生此类冻害事故的发生。这次N29号塔灌注桩基础冻涨事故发生的主要原因，是该灌注桩基础施工时桩身在冻结深度范围内的部分出现约2.0m扩大头,导致在法向冻涨力作用下，造成桩向上拱起(见图二)、倾斜开裂、不能使用。2003年，N29号塔灌注桩基础在移位按原设计图纸重新施工后，运行至今状态良好，均未再次发生此类冻害事故的发生。实践证明，在强冻涨地段灌注桩基础的施工，保证冻深范围内桩身光滑、不出现扩大头现象，是灌注桩基础稳定的首要条件之一，应引起施工单位的高度重视。图二伊图里河至阿里河66kV线路穿行于呼伦贝尔市范围内的大兴安岭地区，该线路工程于1976年建成投产。在强冻涨的沼泽地及山凹地下水位较呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理６高地区，在冻融循环的反复作用下，杆塔倾斜严重，基础向上拱起(见图三)，铁塔主材弯曲，严重影响线路的正常运行（见图四）。图三图四导致这次冻涨事故发生的主要原因是按旧的《送电线路基础设计规程》中规定，对于碎石、卵石、中粗砂，不论天然含水量大小，均属不冻涨的。因此，没有对该类地基土采取抗冻涨措施，造成此类冻害事故的发生。呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理７经过对以往工程冻害的调查分析证明，今后的工程应严格按照现行的《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）的规定，根据不同的工程地质条件及各类土的天然含水量，进行地基土冻涨类别划分，采取相应措施，消减冻涨力和进行基础极限抗冻拔稳定验算，确保不再发生此类冻害事故。2.2季节性冻土地区线路地基与基础设计的主要原则冻土地区线路基础设计的关键决定于冻土地基的特性，铁塔基础设计时，首先要判明冻土地基存在的可能，当存在冻土地基时，基础的埋置深度应大于地基土的标准冻结深度。按《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）附录C3的要求，划分地基土冻涨类别(见下表)，根据不同的工程地质条件，采取相应措施，消减冻涨力和进行基础极限抗冻拔稳定验算。地基土的冻涨性分类土的名称天然含水量w%冻结期间地下水位低于冻结的最小距离m冻胀性类别碎（卵）石，砾，粗、中砂（粒经小于0.075mm的颗粒含量大于15%），细纱（粒经小于0.075mm的颗粒含量大于10%W≤12＞1.0不冻胀≤1.0弱冻胀12＜W≤18＞1.0≤1.0冻胀W＞18＞0.5≤0.5强冻胀粉砂W≤14＞1.0不冻胀≤1.0弱冻胀14＜W≤19＞1.0≤1.0冻胀19＜W≤23＞1.0≤1.0强冻胀呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理８W≥23不考虑特强冻胀粉土W≤19＞1.5不冻胀≤1.5弱冻胀19＜W≤22＞1.5≤1.5冻胀22＜W≤26＞1.5≤1.5强冻胀26＜W≤30＞1.5≤1.5特强冻胀W＞30不考虑粘性土W≤Wp+2＞2.0不冻胀≤2.0弱冻胀Wp+2＜W≤Wp+5＞2.0≤2.0冻胀Wp+5＜W≤Wp+9＞2.0≤2.0强冻胀Wp+9＜W≤Wp+15＞2.0≤2.0特强冻胀W＞Wp+15不考虑注1:Wp—塑限含水量，%。注2:W—在冻土层内冻前天然含水量的平均值。注3:塑性指数大于22时，冻胀性降一级。注4:粒经小于0.005mm的颗粒含量大于60%时为不冻胀土。注5:碎石类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按充填物土的类别判定注6:碎石土、砾砂、粗砂（粒经小于0.075mm的颗粒含量不大于15%）、细砂（粒经小于0.075mm的颗粒含量不大于10%均按不冻胀考虑。基础极限抗冻拔稳定验算，冬季最大风速资料应在工程初步设计中确定，当无资料时可取正常最大设计风荷载的60％，或根据工程设计经验确定。季节性冻土地区基底持力层不允许残留冻土，如发现基底受冻应在基础浇制前予以清除，并铺设垫层，保证地基土稳定。在季节性冻土地区除考虑常规设计内容外，尚应验算在切向冻涨力作用下基础的稳定性，若不满足要求，或改变基础型式或采取相应的防冻害措施。呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理９2.3季节性冻土地区线路地基与基础通常采取的处理措施冻土地区对基础造成危害的原因是作用于基础上的切向冻涨力。国内外工程界进行了大量的实验研究,总结出许多有效方法，由于架空送电线路铁塔布置地域分散，工程地质条件多变复杂，在建筑行业常用的基础设计方法和措施，因经济指标较高或因方案复杂而无条件实施，能够直接取用的方法有限，我院在内蒙古东部地区送电线路工程中积累了大量的工程设计经验，综合以往工程设计和国内外工程界的实验研究结果，比较适用于送电线路地基与基础的有如下几种处理方法：2.3.1换填法利用非冻涨性材料（如中砂、粗砂、卵石等）置换基础周边一定范围内的冻涨性土体，避免切向冻涨力作用于基础上，(见图五)图五用基侧填砂来防止切向冻涨力是一个即简便又经济的好办法，但它仅呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理１０适用于地下水位之上，如果所填之砂达到饱和状态和含泥量过多，在冻结时土与基础周围坚固地冻结在一起有较高的冻结强度，就会失去效果。施工时必须保证换土宽度不小于基础底板的宽度，才能保证安全可靠。2.3.2梯形斜面基础该基础是将基础设计成图六的型式，国内外工程界进行的试验研究结果表明，其侧面坡度≥1：7为宜，从试验的数据看，切向冻涨力确实不小，因此，我们使用梯形斜面基础的目的，就是将基础侧面设计成不小于9度的斜面来消除切向冻涨力，这样可使基础受力清楚，计算准确，安全可靠。(见图六)图六关于（其截面为上小下大斜面）梯形斜面基础防切向冻涨力的问题早有简单地报道,但都认为它是锚固基础的一种,即用下部基础断面中的扩大部分来阻止切向冻涨力将基础抬起,类似于带扩大板的自锚式基础。这种作呼伦贝尔－辽宁500kV直流线路工程设计投标文件冻土地区铁塔基础与处理１１用对将基础埋深设在冻层之内的浅基础毫无意义。实验证明用斜面基础抵御切向冻涨力当β角大于等于9度时基础稳定的原因,不是由于冻涨力被下部扩大部分给锚住，而是由于在倾斜面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂，切向冻涨力退出工作造成的。应该说明的是,在冻涨土层范围之内的基础扩大部分根本起不到锚固作用,因在上层冻涨时基础下部所出现的锚固力,等冻深发展到该层时,随着该层的冻涨而消失了,只有处在下部未冻土中且扩大端顶面也深入到标准冻深线以以下的基础的括大部分才起锚固作用,我们所说的浅埋基础根本不存在这一深入未冻土层中的部分。(见图七)图七用斜面基础防切向冻涨力具有如下特点：a在冻涨作用下，基础受力明确，技术可靠，当其倾斜角β大于等于9度时，将不会出现因切向冻涨力作用而导致冻害事故的发发生