高海拔多年冻土地区基础选型及设计研究【完整版】

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1、冻土简介高海拔多年冻土地区基础选型及设计研究【完整版】(文档可以直接使用，也可根据实际需要修订后使用,可编辑放心下载）冻土是温度等于或低于0℃多年冻土具有热稳定性差、厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大、对气候变暖反响极为敏感以及水热活动强烈等特性，因而线路沿线容易出现地基土冻胀、融沉问题，并伴随有冰锥、冻胀丘、厚层地下冰、热融滑塌和热融湖塘、冻土沼泽以及融冻泥石流等不良冻土现象的威胁。同时，由于目前正处于全球气候变暖期，这将导致多年冻土区地温的变化，会使冻土的分布规律和特性发生改变，同时导致与地温有关的多年冻土的力学性质，如土体的冻胀和融化压缩特性、土的冻结强度和冻结力、冻土承载力、冻胀力、冻土蠕变都将发生相应的变化，会给路径选择优化、塔基定位、根底设计以及施工、运行线带来一系列难题。2冻土区的工程地质问题2.3冻胀问题冻胀是指在土体冻结过程中由于土中水分冻结而产生土体体积膨胀的现象。冻胀作用产生的切向力，会对根底产生冻拔作用，其主要危害是将铁塔根底拔起，导致根底失去稳定性。冻胀作用产生的水平冻胀力，当根底两侧冻胀力不平衡时，会产生水平推力，造成线路根底发生水平位移或倾斜。2.3融沉融沉是指厚层地下冰及高含冰量冻土层，在地温升高或人工活动影响下，发生融化下沉的现象，其主要危害是造成铁塔根底发生不均匀沉陷或倾覆破坏。2.3流变移位问题冻土流变包括冻土蠕变和冻土应力松弛两个方面。前者指应力不变时变形随时间的开展，后者指应变不变时应力随时间的衰减。冻土中的冰对其流变性起主导作用，冻土中含冰量愈大，那么流变性愈强。冻土的流变移位问题对根底的影响常表现为使根底发生倾覆、剪切及扭转变形。3根底设计3.1工程前期科研工作3.1.1科研课题的开展情况工程启动之初，国家电网公司极其重视，委托西北电力设计院开展了“高海拔多年冻土地区根底选型及设计研究〞科研课题研究工作。课题包括根底选型研究，根底设计研究，锥柱、管桩根底现场试验，预制装配式根底力学性能试验这几个局部。(1)根底选型研究的主要目的是针对高海拔冻土地区的冻土特点，选择适宜本工程的根底型式，既能保证根底的可靠性、平安性，又能保证长期运行期间的稳定性，同时还要考虑经济性和施工便利性。(2)根底设计研究的主要目的是在根底选型的根底上，对已选的根底型式进行进一步的研究，优化根底尺寸，改善根底体型设计，使得已选的根底型式更加适合于青藏高原的多年冻土特征，施工更加便利快捷，运行更加平安可靠。(3)锥柱、管桩根底现场试验主要通过现场真型试验对锥柱和管桩这两种型式根底在冻结期和融化期的承载力特性进行研究。从而检验高海拔多年冻土地区锥柱根底的受力性能，破坏机制，为施工图阶段的根底设计提供参数。(4)预制装配式根底力学性能试验主要是通过试验研究预制装配式根底的力学性能，连接件强度，装配式组合部件的协同工作能力，检验设计的预制装配式根底的平安可靠性。?高海拔多年冻土地区根底选型及设计研究?课题于2021年8月顺利完成评审验收。3.1.2研究成果?高海拔多年冻土地区根底选型及设计研究?科研课题取得了以下研究成果：〔1〕为青藏直流输电线路工程推荐了合理根底型式根底设计在非冻胀区以扩展柔板根底为主；局部地质条件较好，能掏挖成形的地段采用掏挖根底；地质条件较好〔基岩类〕、根底露头较大、边坡比拟紧张的地段可采用掏挖桩根底；在交通便利、运输和吊装比拟便利的多年冻土地区采用预制装配式根底；在冻胀力较强、地基较为稳定的多年冻土地区采用锥柱根底；在饱冰、含土冰层等不良多年冻土地区以及跨河、漫水、地下水较浅的地区，采用灌注桩根底。〔2〕提出了多年冻土区地基根底的设计原那么及优化设计方法。季节性冻土以融化状态用作地基，在施工和使用期间，地基土按处于融化状态考虑。多年冻土以冻结状态用作地基，在施工和使用期间，地基土始终保持冻结状态。多年冻土根底底面埋深至设计最大融化深度之下。对不同的根底型式提出了不同的优化设计方法。编写了预制装配式根底的计算程序。提出了消除法向冻胀力和切向冻胀力的措施。〔3〕、首次研究设计了适合于高海拔多年冻土地区的预制装配式根底装配式根底可以减少施工对多年冻土的扰动，提高机械化作业水平，降低劳动强度，在负温条件下可以保证混凝土质量。装配式根底的研究和设计经历了多个方案比拟、分析和筛选，并经过屡次讨论会最终确定。通过真型力学性能试验研究验证了其平安可靠性，并通过在拉萨段和青海段现场吊装试验验证了安装的可行性，后续经过屡次修改，增强了安装的便利性和可操作性。〔4〕、首次在高海拔多年冻土区进行了锥柱根底的真型试验。在世界上首次在高海拔多年冻土区进行了直流输电高电压等级的锥柱根底真型试验。试验成果为青藏高原高海拔多年冻土区根底选型和设计提供了较为真实的第一手资料。〔5〕、对高温高含冰量冻土地区的塔基采用热棒主动冷却方式降温。对高温高含冰量细粒土等地基不稳定的多年冻土地区的塔位地基采用热棒主动降温可有效地防止多年冻土融化，降低多年冻土地基的温度，提高多年冻土地基的稳定性，保证线路地基长期稳定运行。3.2影响线路根底设计的主要因素影响线路根底设计的因素较多，除常规的线路根底设计影响因素外。在多年冻土地区主要有活动层的季节冻结和季节融化深度和强度、多年冻土上限埋深、含冰量、地层岩性和颗粒组成等。归结起来大致有三类主要影响因素：一是冻胀；二是融沉；三是埋深。3.2.1线路根底设计的主要问题线路根底在承受拉/压荷载作用的同时，也承受着较大的水平荷载作用。因此线路根底主要问题表现在：〔1〕、上拔失稳根底上拔失稳指根底上拔承载力缺乏，主要表现在根底脱离土体甚至被拔出。〔2〕、下压失稳根底下压失稳指根底抗压承载力缺乏，主要表现：地基土产生不均匀沉降，主要原因有地基承载力缺乏，根底底面地基土压缩性较大。〔3〕、倾覆失稳根底受水平荷载作用时，在地基受影响范围内，根底两侧被动土抗力产生的平衡力不能保持根底稳定时，根底发生倾覆失稳。3.2.2本工程的根底特殊性由于冻土地基特性，本工程线路冻土地区塔位根底存在以下特殊性：〔1〕、冻胀：冻土冻胀发生时，冻土对根底作用主要分为两局部，其一，由于冻结作用使土体积变化，对根底侧面产生切向冻胀力，影响根底的竖向承载力，可能引起根底上拔失稳。其二，根底底面置于活动层时，基底土体冻胀会对根底底面产生法向冻胀力，可能引起根底倾斜。〔2〕、融沉：冻土融沉发生时，一方面，由于根底基底以下冻土地基融化，引起根底的地基承载力缺乏，根底发生下压失稳。另一方面，融沉发生的不均匀性，可能引起铁塔根底间发生不均匀沉降，从而使上部结构受力发生变化甚至倒塔。根底基底以上冻土发生少量融沉时，不影响根底的稳定性。〔3〕、冻土地区大开挖根底基坑回填土的均匀性及密实性是影响冻土根底工程性质的另一重要因素。一方面，回填土的密实性决定着根底上拔承载力，其均匀性影响根底的倾覆稳定性。另一方面，回填土均匀性及密实性影响地基土的孔隙率及透水性，从而影响地基土的冻胀性及地基土的稳定性。3.3冻土根底设计原那么冻土根底设计主要原那么1〕、季节性冻土以融化状态用作地基。在施工和使用期间，地基土按处于融化状态考虑。(什么样的地基适合于这一原那么)2〕、多年冻土以冻结状态用作地基，在施工和使用期间，地基土始终保持冻结状态；(什么样的地基适合于这一原那么)3〕、多年冻土根底底面埋深至最大融化深度之下。4〕、多年冻土施工和使用期间，应对周围环境采取防止破坏温度的自然平衡状态的保护措施。3.5根底类型的选型、设计及其应用3.5.1冻土区根底选型本工程冻土地区共采用了5种根底型式，各种根底均按不等高根底规划设计。〔1〕、锥柱根底〔图3.5.1-1〕，主要用于多年冻土区，且根底埋深大于设计融深，立柱外表采取了有效的防冻拔措施。锥柱根底是冻土地基常用的根底型式，在工程中有较为成熟的设计、施工及运行经验。图3.5.1-1锥柱根底示意图〔2〕、灌注桩根底〔图3.5.1-2〕，主要用于季节性和多年冻土区的河道中立塔，以及多年冻土区不适用锥柱根底的塔位。图3.5.1-2灌注桩示意图〔3〕、预制装配式根底，主要用于多年冻土区交通便利、机具能进场的塔位。预制装配式根底在本工程中的应用具有以下优势：1〕、能够较好解决高寒冻土环境根底施工这一世界性难题，最大限度降低对冻土的人为扰动，保持冻土稳定，防止或减轻根底冻胀融沉的病害；2〕、能够提高机械化施工水平，大大降低施工人员劳动强度；3〕、能够解决青藏高原根底工程在冬季〔寒冷条件〕混凝土浇筑的难题，使得根底工程施工能够在冻土冻结状态下进行，为保证工期，提高工程建设标准和质量奠定根底；4〕、根底工程在冬季的施工，能够使材料运输、车辆出入在地表冻结状态下进行，从而能够使施工对环境的扰动、地表植被的破坏降到最低。预制装配式根底〔图3.5.1-3〕是在预制工厂大量生产根底装配部件，然后通过铁路和公路运输运抵施工现场进行机械化拼装的根底。图3.5.1-3装配式根底示意图〔4〕、掏挖根底〔图3.5.1-4〕主要用于地质条件好且能掏挖成型的地区。掏挖式根底施工时以土代模，直接将根底的钢筋骨架和混凝土浇入掏挖成型的土胎内。由于减少了对原状土的扰动，能充分发挥地基土的承载性能，所以可大幅度的节约根底材料和施工费用。图3.5.1-4掏挖根底示意图〔5〕、人工挖孔根底〔图3.5.1-5〕，主要用于地质条件较好〔泥岩或砂岩类〕，荷载较大，能成孔的塔位。适用于季节性冻土和多年冻土区。掏挖桩根底在充分利用原掏挖根底的各项优点的同时，加大根底埋深，充分利用侧向土压力，减小水平外力产生的倾覆力矩，从而减小了根底柱身的弯矩和根底底部的偏心应力，提高了根底的侧向稳定性和承载能力。图3.5.1-5掏挖桩根底示意图3.5.2多年冻土设计融深及根底的埋置深度对于多年冻土地区，冻土的深度有的地方都超过了10米，远远大于一般线路铁塔根底的埋深，这种情况下要把根底埋置于冻深之下是极不经济，甚至是不可行的做法。多年冻土每年的冻融季节时冻融深度只是在浅表的几米深度，对于非冻融的冻土局部的力学性能比拟稳定，对根底的承载力和稳定性不产生影响，未被扰动的冻土的各项性能指标甚至超过了常规土质的力学指标。因此，针对多年冻土这一特征，把根底的埋置深度超过设计融深的做法是比拟平安可靠的。3.6冻土地基处理措施地基土冻胀必须具有三个根本条件：〔1〕、具有冻胀敏感性的土；〔2〕、土中含水及外界补给水分；〔3〕、适宜的冻结条件和时间。这三个条件缺一不可，只要去掉一个条件就可削弱或抑制地基土的冻胀性到达防冻害的目的。采用地基处理及结构综合措施比采用单一措施能到达更好的效果。冻土地基处理措施按防冻胀措施主要有：玻璃钢、锥形根底、润滑剂、地基土换填、隔水排水及保温。防融沉措施主要有：热棒、地基土换填、隔水排水等。3.6.1玻璃钢冻土地区采用玻璃钢模板〔图3.6.1-1〕具有以下优势：〔1〕、玻璃钢模板可以代替钢模板，一次性浇筑成型，省去了养护和拆模的流程，缩短根底基坑暴露时间，减少了对冻土的扰动。〔2〕、玻璃钢模板可以减少混凝土水化热对冻土的影响。〔3〕、玻璃钢模板具有防腐蚀功能，保护了混凝土免受侵蚀。〔4〕、玻璃钢模板隔绝了水与根底立柱的直接接触，杜绝了反复冻融循环过程对混凝土造成的破坏。〔5〕、玻璃钢模板厚度为10mm，加强了混凝土的抗冻能力，降低了冻土对根底的影响。〔6〕、玻璃钢模板外外表光滑平顺，憎水，消弱了冻土切向冻胀力。图3.6.1-1玻璃钢模板本工程根据根底型式、冻土类型采用了以下几种玻璃钢模板处理方式：处理方式I：采用桩基时，待浇制混凝土前，在玻璃钢模板外侧抹5mm图3.6.1-2防冻处理方式I处理方式II：现浇开挖类根底，采用玻璃钢模板支模浇注，保证玻璃钢模板对整个根底的密封性，处理方式详见图3.6.1-3。施工时应采取可靠的施工工艺和措施，保证玻璃钢模板在浇筑过程中的钢筋绑扎和位置固定。图3.6.1-3防冻处理方式II处理方式III：现浇开挖类根底，根底立柱采用玻璃钢模板支模浇注，根底底板下地基土采用粗石料换填，换填宽度为底板宽度两侧加400mm，换填厚度400mm，处理方式详见图3.6.1-4。应采取可靠的施工工艺和措施，保证玻璃钢模板在浇筑过程中的钢筋绑扎和位置固定。图3.6.1-4防冻处理方式III处理方式IV：现浇开挖类根底，根底立柱采用玻璃钢模板支模浇注，处理方式详见图3.6.1-5。图3.6.1-5防冻处理方式IV3.6.2锥形柱锥柱根底〔图3.6.2〕是冻土地基常用的根底型式，在工程中有较为成熟的设计、施工及运行经验。锥柱根底相比其它型式的根底而言，在冻土地区具有如下优势：〔1〕、能够依靠自身的截面型式全部或局部消除切向冻胀力；〔2〕、对于必须依靠深埋才能抵抗上拔力和冻胀力的根底而言，锥柱根底能够减少基坑开挖量和混凝土方量。图3.6.2混凝土锥柱根底示意图3.6.3润滑剂采用憎水性材料，如重油、沥青加5％的废机油，工业凡士林、机油，化学外表活性剂等涂敷在根底侧面，厚度一般为2~5mm，可以大大降低冻土冻胀力。3.6.4地基土换填用非冻胀性或弱冻胀性土换填。换填料主要是砂砾石，但必须保证砂砾石中粉粘粒〔粒径小于0.074mm〕含量小于12~15％；且使砂砾石中的水分在冻结期间能排出去。换填深度为最大冻结深度的80％。一般可在塔基侧换填0.3~0.5m左右。3.6.5排水、隔水措施防止在根底侧、底部积水。通常采用地表排水沟、挡水埝或基底设排水管，将地表水或地下水排走。3.6.6热棒低温热棒技术是一种广泛用于土木工程中的无需外加动力的冷冻技术。热棒是利用热虹吸原理，把地基热量传入大气中，保持地基冷却、冻结状态一种主动降温方式。它利用液汽两相的转换对流循环来实现热量传输，是无源冷却系统中热量传输效率最高的装置。目前应用在冻土技术上的低温热棒，管子的上部装有散热片，叫冷凝段。管子的下部埋入多年冻土中，叫蒸发段。在寒冷季节，由于空气温度低于多年冻土温度，热棒中的液体工质吸收多年冻土中的热量，蒸发成汽体。蒸汽在压差的驱动下，沿热棒中心通道向上流动至热棒上部〔冷凝段〕，遇到外界较冷空气相接触的管壁放出汽化潜热，冷凝成液体，液体工质薄膜在重力作用下，沿管壁流回蒸发段再蒸发，如此循环把地基多年冻土中的热量源源不断地传输到大气中。由于热棒特有的传热机理，热量只能从下向上传热，而不能从上往下传递，在温暖季节，空气温度高于多年冻土温度，液体工质蒸发的蒸汽到热棒上部后，由于管壁温度较高，蒸汽不能冷凝，到达汽液相平衡后，液体停止蒸发，热棒停止工作，这样大气中的热量就不会通过热棒传到多年冻土中。低温热棒就是一种低温热虹吸管。与普通热管所不同的是，低温热棒内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此低温热棒的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。图3.6.6-1热棒加固冻土根底工作原理图热虹吸的冷冻作用可有效地防止多年冻土融化，降低多年冻土地基的温度，提高多年冻土地基的稳定性，保证建筑物地基在运行期可长期处于设计温度状态。图3.6.6-2施工后的热棒根据青藏高原冻土区情况和环境条件，结合低温热棒的工作原理，本工程热棒主要用于高温高含冰量的多年冻土区。通过对青藏铁路冻土区典型地段清水河高温冻土区及风火山、北麓河低温冻土区，采用不同布设间距的热棒后路基温度场数值模拟计算和现场测试分析得出，埋设热棒与不埋设热棒的路基温度场进行比照，从天然上限的抬升和地基土体内“冷核〞的形成，证实了埋设热棒冷却地基的明显效果，热棒有效影响范围大于3m。保守起见，取热棒影响半径2m，埋设间距取4m是平安可靠的。热棒布置的方式及数量与岩土类型、冻土含冰量、根底型式、根底根开有关系。一般来说，高温高含冰量的冻土、采用大开挖的根底型式、根底根开较大的塔位热棒使用数量更多，反之热棒布置相对较少，对一些基岩较浅、地质较好的塔位可以少用或不用。热棒的布置尽量采取靠近根底的布置方式。根底埋深小于7m时，热棒埋深为7m。根底埋深大于7m时，热棒埋深为9m。施工根据设计提供的施工方案进行施工。方案A：内置方案。当根底立柱足够宽，采用热棒内置于根底立柱中的方案。根据根底根开和地质条件可采用一棒一根底方式〔A-1〕或两棒一根底方式〔A-2〕，如图3.6.6-3所示。图3.6.6-3热棒内置布置图方案B：外贴方案。当根底立柱宽度不能满足内置方案时，采用热棒外贴于根底立柱边的方案。根据根底根开和地质条件可采用一棒一根底方式〔B-1〕或两棒一根底方式〔B-2〕，如2.6.6-4图所示。图3.6.6-4热棒外贴方案方案C：外置方案。热棒尽量外贴于根底底板边，根据根底根开和地质条件可采用两棒一根底方式〔C-1〕，三棒一根底方式〔C-2〕或四棒一根底方式〔C-3〕，如图3.6.6-5所示。图3.6.6-5热棒外置方案3.7多年冻土的动态变化与根底设计自然环境中的季节冻结与融化深度，在一段时期内是相对稳定的。随着冻土地区经济和资源开发利用过程中，必然要扰动和破坏自然生态环境，改变土层外表的性状，导致土层与大气间的热交换量变化，增大了土层的吸热，加大了季节融化深度。如根底施工、砍伐森林，铲除植被，排除或造成积水、城镇的热岛效应等，都使土层热交换过程中吸热量增大，减小季节