邓凌君
（江西省电力设计院 330096）
摘要:针对送电线路杆塔在高寒地区发生因地基土冻胀基础失稳造成的倒杆及倒塔的问题,研究探讨了冻土地基对杆塔基础稳定的影响原因、影响程度及防冻胀措施,为在架空输电线路杆塔地基与基础设计中消除或减少地基土冻胀危害,提供了具有实用价值的地基冻胀力的分析、计算方法和防冻胀的措施。
关键词：送电线路杆塔;地基;冻胀;杆塔基础
1作用于基础上的冻胀力分析
当土体冻结时土体内的自由水相将变成冰,使土体体积膨胀而产生向四面扩张的胀力。如果这种胀力受到基础的约束,受约束土体就要对基础产生力的作用,这种力称之为土的冻胀力。因土体受到的约束不同,作用于基础上的冻胀力也不同。为了工程设计方便,依其冻胀力与基础的相互作用关系将作用于基础上的冻胀力人为分为3类:将沿着基础周边表面向上作用的冻胀力称作切向冻胀力;将作用在基础侧表面又垂直基础侧表面的冻胀力称作水平冻胀力;将作用在基础底面又垂直于基础底部面的冻胀力称作法向冻胀力,如图1所示。
1.1法向冻胀力
即土冻结时体积膨胀在垂直方向扩张的垂直胀力。在日本、美国、丹麦和加拿大等国地基设计规范中,规定了基础的埋深一律不小于冻深。这一规定的目的就是消除基础底部法向冻胀力。苏联和我国建筑地基规范目前还采用验算基础稳定的方法,允许基础底部留有残余冻土层。这一规定仅适用于承受下压荷载的永久受压基础,不适用于承受上拔荷载的受拉基础或拉、压可变的架空送电线路杆塔基础。我国输电线路设计部门对杆塔基础底部法向冻胀力的作用已有充分认识,并采用杆塔基础的埋深均大于标准冻深方法来消除基础底部法向冻胀力。
对于群桩承台基础,当承台底面在天然地面之上时,采用承台底面到天然地面之间欲留0.3m左右地基土冻胀量的方法,避免法向冻胀力对承台的作用;当承台需要埋人天然地面以下时,其承台底面包括垫层均置于冻深之下,消除承台底面法向冻胀力。带有卡盘的电杆基础采取替换回填土的办法消除法向冻胀力。立柱倾斜的基础,将其内侧倾角设计成900来消除法向冻胀力的影响。总之,在输电线路杆塔基础上不产生法向冻胀力。
1.2水平冻胀力
即土冻结时体积横向膨胀扩张传递到基础上的水平胀力。根据杆塔基础稳定锚固状态分析,在无特殊锚固要求时水平冻胀力均呈对称性。因对称等值荷载的作用效果等于零,所以对称水平冻胀力对基础稳定性不产生影响,但将增大冻土与基础间的冻结强度,间接地使作用于基础上的切向冻胀力增大。非对称水平冻胀力多作用于冻土区的支挡建筑物上(如挡土墙等),一般不出现在杆塔基础上。
1.3切向冻胀力
是土与基础侧表面冻结在一起并具有一定冻结强度时,土体向上膨胀运动以剪力形式传递给基础的一种作用力。如果不能彻底消除切向冻胀力,它将直接影响杆塔基础的稳定。切向冻胀力作用于基础上必须同时具备2个条件:土体具有冻胀性;存在土体与基础冻结在一起而产生的冻结力(冻结强度)。如果地基土不发生冻胀,冻结强度再大也不会产生切向冻胀力;如果冻结强度不存在,地基土冻胀再强烈,作用于基础上的切向冻胀力也可忽略不计。由此可知，只要不具其中条件之一,就可视为基础上无切向冻胀力作用。切向冻胀力的计算采用双层地基计算法,即先将冻胀土冻结深度划分若干层,按每层土的土温确定土与基础侧壁的冻结强度,求每层土的总冻结力,再以横断面lm为基础底板宽度求解每层冻结面上的冻胀应力,用冻胀应力乘以基础横断面面积得出每层切向冻胀力。比较每层切向冻胀力与总冻结力,每层可传递到基础上的切向冻胀力取与总冻结力相等的部分。累计各层土的切向冻胀力之和,得出标准冻结深度切向冻胀力极限设计值。
按双层地基计算法计算的标准冻结深度切向冻胀力极限设计值见表1。表1在工程中应用十分方便,可以避免许多计算麻烦及由于资料深度不够而无法计算的问题。只要可按国家标准《建筑地基基础设计规范》(GBJ7一89)中规定的冻结深度和地基土冻胀类别取用表值,按不同基础的基侧周边面积就可直接计算切向冻胀力了。
2克服切向冻胀力的方法
2.1换填非冻胀性材料
即利用非冻胀性材料(如中砂、粗砂、砾石、卵石、炉渣等)置换基础周边一定范围内的冻胀性土体,避免切向冻胀力作用于基础上,如图2所示。
这种方法已在220kV新长线工程中采用,用中粗砂替换冻土基坑回填土的方法,来消除钢筋混凝土叉梁杆基础上卡盘的法向冻胀力和防止冻土与电杆冻结在一起产生法向冻胀力,至今未发现冻胀问题。说明此方法用于基础在地下水位之上时是可靠有效的,且施工方法简单、取材方便。
2.2采用梯形斜面基础
将基础设计成图3的形式。国内外工程界进行的试验及实验研究结果,其侧面坡度大于等于1,7为宜,这是克服切向冻胀力作用于杆塔基础上的一个可靠、经济、方便的方法之一。
2.3设计深基础
就是用深基础在不冻土中的桩土间摩擦(或冻结)阻力,平衡冻胀土区域内作用于杆塔基础上的切向冻胀力。深基础一般用于软弱强冻胀地基或多年冻土地基,基础人土深度应满足正常设计荷载和克服切向冻胀力验算荷载所必须的设计深度。这种方法在冻土地基中采用,克服切向冻胀力是成功的,但是基础施工时要保证基础顶部不出现扩大头和基础周边尺寸,避免出现法向冻胀力的作用。一般采用钻孔灌注桩基础或打人桩基础。因这种方法经济费用较高,施工属于隐蔽工程,质量不宜检测,在有经济技术方案比较后采用是适宜的。
3结论：
a在杆塔基础设计时,首先要判明冻土地基存在的可能。当存在冻土地基时,要取得地基土标准冻结深度,按GB7J一89划分地基土冻胀类别。在有冻胀时应根据具体情况采取相应措施消减冻胀力,当有剩余冻胀力时按公式(1)进行基础极限抗冻拔稳定验算。
b.一般情况下,在无冻胀性地基中可以采用任何基础形式。
c在有冻胀性地基中,其冻结深度内的基柱宜采用梯形斜面柱(见图3),斜柱基础的内角应大于等于9护,基柱顶部不得留有扩大头。钢管杆应采用杯口基础等形式。钢筋混凝土电杆可以考虑换土或将电杆根底与底板牢固连接方案。
论文作者:邓凌君
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/23
标签：基础论文; 地基论文; 杆塔论文; 基础上论文; 冻土论文; 深度论文; 底面论文; 《电力设备》2016年第11期论文;