高海拔多年冻土区锥柱基础的选型优化

2012-03-28胡志义王虎长吴彤王学明吕宝华

电力建设 2012年6期

胡志义，王虎长，吴彤，王学明，吕宝华

(西北电力设计院，西安市，710075)

0 引言

青藏直流联网工程是世界上穿越多年冻土区距离最长的高压输电线路工程，多年冻土稳定性差、冻胀力强是基础设计时面临的主要问题［1］。为保证青藏直流输电线路的长期稳定运行，基础选型采用了抗冻胀效果较好的锥柱基础。但由于青藏高海拔多年冻土地质复杂、地形变化较大、现场施工条件差、操作难度高［2-3］，因此需要对工程中使用的锥柱基础进行合理选型优化，全面提高基础的综合性能，节省工程投资，确保输电线路的安全运行。

1 基础冻胀受力特征

土体在冻结时，其垂直面和横剖面都存在厚度不等的冰分凝集合体生长，致使土颗粒之间相互隔离，产生程度不同的位移，引起土体体积膨胀。当冻土层的非均匀膨胀受到基础的约束时，会基于不同的约束条件对基础产生不同的冻胀力［4-5］。为了便于工程设计，根据冻胀力与基础的相互关系，将作用在基础上的冻胀力分为切向冻胀力和法向冻胀力。多年冻土基础立柱所受到的冻胀力如图1所示。直柱基础的水平法向冻胀力可相互抵消，而切向冻胀力会对基础产生上拔作用，容易造成基础的上拔失稳破坏。

图1 多年冻土基础所受的冻胀力Fig.1 Frost-heave forces on foundations in permafrost

锥柱基础是指立柱带有一定坡面的基础型式，如图2所示。由于其结构特点，立柱部分的法向冻胀力和切向冻胀力在竖直方向的分力可相互消减，能显著降低切向冻胀力对基础的影响，因此在多年冻土区得到了广泛应用。

图2 锥柱基础所受的冻胀力Fig.2 Frost-heave forces on cone cylindrical foundation

2 锥柱基础立柱截面型式选择

锥柱基础的坡面立柱分为四棱台立柱和圆台立柱2种结构型式，断面上分别呈方形(棱台立柱)和圆形(圆台立柱)。方形断面立柱的钢模板易于制作、成本较小，在同等设计条件下圆形断面能节省材料、降低投资且造型流畅美观。

对于青藏直流输电线路工程，高海拔多年冻土的稳定性差、高寒作业条件艰苦，为了尽量减少对多年冻土的扰动，缩短作业时间，减小切向冻胀力对基础的影响，绝大部分的锥柱基础都采用了玻璃钢模板。圆形断面的立柱比方形断面立柱的玻璃钢模板加工制作容易、工艺简单、节省材料，同时还能避免方形玻璃钢模板在弯折线处应力集中引起的冷冻开裂。

基于以上因素，在青藏直流输电线路工程中锥柱基础采用了更经济、加工更便捷、外形更美观的圆台立柱型式。

3 锥柱基础立柱型式的优化改进

文献［6］规定:对标准冻深大于1.5 m、基底以上为冻胀土和强冻胀土的基础，为防止切向冻胀力对基础侧面的破坏作用，可将基础回填粗砂、中砂等非冻胀性散粒材料，或采取有9°倾角的坡面型式。基础型式如图3所示，图中:A为立柱顶部直径;B为基础底板直径;H为基础总高;H0为基础露头;Ht为基础埋深。

按照规定若保证9°倾角，对于埋深较大的基础，由于立柱底部直径过大，将造成以下问题:

(1)基础混凝土方量明显增加。

(2)立柱底部直径过大，基础钢筋间距过大。如果要保证基础主筋间距满足规范要求，则必须增加基础钢筋的使用量，造成投资的增加。

因此，本文对常规的锥柱基础进行了设计改进，以充分发挥其结构的抗冻胀性能，避免立柱底部直径过大引起的材料浪费和配筋困难等问题。

图3 采用9°倾角的常规锥柱基础型式Fig.3 Conventional cone cylindrical foundation with 9°dip angle

锥柱基础的改进方法有以下3种:

(1)锥柱+台阶。基础型式如图4所示，此类锥柱基础型式自重较大，对于上拔力较大、土重较轻、地下水位较浅的基础塔位有较好的适用性。其台阶部分按刚性基础台阶设计，可减少基础的钢筋量，同时由于台阶的增高(仍然在冻土的设计冻深下)，锥柱基础立柱底部截面尺寸较小，立柱的配筋、模板制作和混凝土浇筑较为便利。基础的埋深相对较浅，开挖土方量不大，对于坑壁易坍塌的塔位具有应用价值。

图4 锥柱+台阶基础Fig.4 Cone cylindrical and step foundations

(2)锥柱+直柱+底板。锥柱+直柱+底板的改进锥柱基础型式适用于基础埋深较大但设计冻深较浅，或冻深大但冻胀作用主要在浅层的塔位，基础型式如图5所示，其型式结合了锥柱和直柱基础的设计理念，图5中:Hn为直柱段;Hz为锥柱段。对于立柱的设计可以通过分段函数求得其最差性能截面所在的位置，也可以把锥柱段和直柱段分开设计。该型式在其适用塔位具有以下优点:

1)最大程度上消除了冻胀力。

2)相比其他锥柱型式，节省了混凝土材料量。

3)减小了锥柱基础立柱底部的截面直径，有利于钢筋的配筋和主筋间距的控制。