锥型钢管混凝土基础在冻土地区应用研究与探讨

安之焕，陈 杰，唐占元，卢志超，高 健

(国网青海省电力公司经济技术研究院，青海 西宁 810000)

0 引言

青海位于我国西部31°39′～39°11′N，89°25′～104°00′E之间。总面积73万km2，是“世界屋脊”的主要组成部分，境内有多年冻土45万km2,占全省面积55 %。

青海省多年冻土是地球中、低纬度高海拔多年冻土的主体,海拔高度是控制多年冻土发育的主导因素。不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀季节性冻土或融化层冻土在青海高原分布十分广泛。可划分为阿尔金山-祁连山高寒带山地多年冻土区、柴达木盆地-环青海湖地区-河湟谷地温带季节冻土区和青南高原高寒带大片多年冻土区3个区。

资料表明：祁连山区多年冻土分布下界在海拔3 450 m～3 950 m以上山地,多年冻土厚度从几米到100 m不等，最厚达139.3 m，冻土温度在0 ℃～-2.5 ℃之间。东昆仑山多年冻土分布下界高度3 800 m～4 299 m。冻土层厚度一般在100 m之内,最厚超过400 m,冻土温度-1.0 ℃～-2.5 ℃,最低为-3.2 ℃。唐泉沟揭露的多年冻土层厚度为128.5 m。

青海冻土层基本分布规律：自西而东可分为多年冻土连续分布区、多年冻土片状分布区和多年冻土岛状分布区。其中木里、江仓一带属多年冻土片状分布区，多年冻土厚度在30米～60米之间，多年季节融化深度在2米左右。

随着西电东送和地区电网不断发展，电力输电线路进入青海冻土地区已不可避免。进一步研究、优化冻土地区输电线路杆塔基础设计方案势在必行。

1 冻土对杆塔基础的影响分析

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〔1〕。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。

冻土地区架空输电线路往往会不同程度受到地基土冻胀和融沉的影响。导致杆塔基础失稳。基础所受的冻胀力分为法向冻胀力、水平冻胀力和切向冻胀力，如图1所示：

图1 法向冻胀力、水平冻胀力和切向冻胀力示意图

法向冻胀力是指基础底面下的磁力层地基土因冻胀受阻而产生向上的反作用力，法向冻胀力可导致基础上拔；水平冻胀力是指垂直作用于基础立柱表面冻胀压力，由于水平冻胀力的对称作用，对基础影响不大；切向冻胀力是冻土地基土与基础表面冻结在一起时，产生冻结力，由于土体向上运动而产生平行于基础侧面的阻力，称之为切向冻胀力，可导致基础上拔，切向冻胀力与土体的冻胀性和冻结强度及基础表面的粗糙度有关。

由此可见，直柱基础的水平法向冻胀力可相互抵消，而切向冻胀力、基底法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。有关研究表明，对基础的有效冻胀力由未开裂的冻胀土产生。冻土切向张力与地表附近冻土开裂有关。冻土开裂受地表土体的类型、含水率、温度影响〔2〕。

根据不同张力作用方向可知，将基础面倾斜后可降低切向冻土张力。当基础面的倾斜角达到临界值后，作用于基础面上拉力分量将大于冻土与基础间的冻结抗拉强度，冻土层与基础表面脱离而产生开裂现象。此时，开裂区的冻胀活动不能作用到基础上。即开裂区的切向冻胀力为零，降低作用在基础上的总冻胀力。《冻土地区架空输电线路基础设计技术规程》B.3.2-3规定：基础主柱锥度最小取9度〔3〕。如图2所示。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 锥型体所受张力分解示意图

基础主柱锥度越大，切向冻胀力对基础的上拔推力越小，但基础椎体体积增大。虽可调整埋深，因柱体面积的增量大于柱体高度的增量，混凝土耗量增加。基础主柱锥度越小，切向冻胀力对基础的上拔推力越大，增大基础埋深，切向冻胀面积也随之增加。则基础柱体几何尺寸设计存在一优化解。且切向冻胀力与地基土质和冻胀类别有关，不同土质和类别的冻胀土切向冻胀力不同。切向冻胀力随冻结深度的增加显著，当冻结深度发展至2/3左右时，切向冻胀力总力值可达到最大值的80 %左右，该阶段是使基础发生破坏的主要阶段。基础表面的粗糙度对基础抵抗冻胀力影响较大，金属面基础材质与土摸混凝土修正系数相差近2倍左右。是基础设计时不可忽略的主要因素。

2 冻土地区杆塔基础类型选择

目前冻土地区杆塔基础通常采用混凝土台阶式、板式大开挖基础或掏挖等浅基础和桩基础。根据冻土张力作用特性，减小基础切向冻胀力的主要措施有：

(1)改变切向冻胀力方向，浅基础基础立柱表面做成坡型。

(2)降低基础表面与冻土的冻结强度，减小基础表面的粗糙度。

(3)冻土的稳定性差，尽量减少对多年冻土的扰动，缩短作业时间，避免冻土融化带来的不利影响。

(4)基础埋深应大于冻土融化深度。

(5)地基发生冻胀的主要因素是由于土体含有水的存在，尽量减少地基土的含水量；塔基周围应做好地面排水措施，或做隔水层(板)。

(6)改换土的冻胀性；基坑回填时参入非冻胀性材料。

(7)基础周围设置隔热层。

为此，基础选型在传统台阶、板式基础上，本文对基础结构及外形进行了改进，基础立柱采用锥型钢管混凝土结构，底板采用倒锥型底板，如图3。

图3 钢管混凝土基础

锥型钢管混凝土立柱：既改变切向冻胀力方向，同时又改善立柱表面的粗糙度，可降低60 %基础表面与冻土的冻结强度〔4〕。加之锥型钢管如一紧固楔子，基柱混凝土受拔时会向四周扩压。增强混凝土的抗拉性能。

钢管可工厂加工，锥度灵活。以管代摸，节约模板，减小现场支模、混凝土浇筑方便。避免了底部配筋过大、顶部配筋间距过密，导致主筋上下间距不同的问题。钢管混凝土施工工艺简洁，进度快，减小基坑冻土外露融化。

底板采用倒锥型底板，从外形来看，倒锥型底板和正截面锥型底板相近，底板受力性能相同。但倒锥型底板锥型朝下，水平面朝上，在相同的垂向冻胀力作用下，倒截锥形基础在基础斜面上增加了一个水平分力，减小垂直方向的冻胀力，对倒截锥形基础的受力是有利的，如图4。且混凝土容易浇筑、振实，避免正截面锥型基础坡度较大时难以浇筑和振实的缺点。

图4 倒锥型底板受力分析

当采用掏挖基础时，建议采用半掏挖基础，便于钢管的现场安装。

3 钢管混凝土基柱强度计算

钢管混凝土基柱由偏拉控制，只需考虑强度问题，其承载力按式(1)计算：

(1)

式中：N、M—基础立柱承受的拉力和弯矩，kN·m；AS—钢管截面面积，m2；f—钢管抗拉强度设计值，kPa；fsc—钢管混凝土的组合抗压强度设计值，kPa；Wsc—对钢管混凝土受压边缘的截面抵抗矩，mm3/m；

4 倒锥型底板强度计算

当底板高宽度比大于刚性角时，底板顶部和底部需配筋；锥型板配筋按式(2)计算〔5〕：

(2)

式中：As—钢筋面积，m2；ξ=x/ho；x—混凝土受压区高度，m；fc—混凝土轴心抗压设计值，kPa；b′=B+ξ(b-B)/2，其中B、b参照图5选取，m；ho—底板有效高度，m；fy—钢筋抗拉强度，kPa。

图5 下压受力简图

5 结语

本文首次提出在输电线路铁塔基础在冻土地区采用钢管混凝土基柱、倒锥型底板基础的可行性。从理论上分析了其抗冻的受力机理，体现了其技术先进适用、经济合理、资源节约、环境友好的特点。