哈大铁路客运专线季节性冻土区段接触网柱基础设计

王玉环

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

哈大铁路客运专线季节性冻土区段接触网柱基础设计

王玉环

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化处,西安 710043)

主要阐述特殊地质即季节性冻土条件下接触网支柱基础的设计理念。针对东北地区季节性冻土这一特殊土壤特性,提出采用机械扩底桩基来抵抗季节性冻土冻胀上拔,其优点是有效地提高抗冻拔力及减少钻孔深度,尽可能减少支柱基础与路基内桩板结构干扰。机械钻孔扩底桩基是季节性冻土代表区域内高速铁路建设中接触网支柱基础设计可选的优化方案,也是支柱基础底部受到地基处理措施干扰及湿陷性黄土影响要求基础浅埋时的佳选。

哈大客运专线;接触网支柱;季节性冻土;上拔力;冻胀

冻土形成主要是地面以下一定深度的地层温度随大气温度而变化,当地层温度降至0℃以下时,土中部分孔隙水将冻结而形成冻土。冻土分为季节性冻土和多年冻土,季节性冻土在冬季冻结而夏季融化,每年冻融交替1次,具有低温、易变、温度敏感等特殊工程地质性质[1]。多年冻土则不论冬夏,常年均处于冻结状态,且冻结连续3年以上。对于浅基础来说季节性冻土的危害要比多年冻土大,因为季节温度差异使得基础的附加应力非恒定,而是随冻胀量变化而变化。

我国季节性冻土分布很广,东北、新疆是主要分布区[2],冻土厚度均在0.5 m以上,最大可达3.0 m左右,而哈大铁路客运专线恰位于季节性冻土区段。哈大客运专线沈哈段沿途经过新四平、双城、长春西等9个新建站,沈哈段气象条件较差,特别是四平到哈尔滨区段,受季节性气候影响较大,四平～哈尔滨区段沿线季节性冻土分布较广。沈哈段主要标准测量冻结深度及设计冻深见表1。

从全线最大季节冻土深度区划表来看,最大冻结深度为 2.05 m。经调查路基区段土体含水量为42.4%,最小为20.8%,年平均值为33.389%,而《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ118)规定当土体含水量大于18%可视为强冻胀地基类别。季节性冻土危害不容忽视,主要影响表现为冬季上拔和夏季融陷。接触网支柱基础为浅基础,所以在设计时必须考虑土冻胀对其的影响,这关系到接触网系统乃至供电系统的安全性及可靠性。

表1 哈大客运专线沈哈段季节冻土深度区划

1 哈大铁路客运专线季节性冻土区域接触网柱基础的结构形式选择

哈大铁路客运专线接触网支柱基础选型首先要从基础自身对铁路高速运营的适应性进行选择,要充分考虑接触网与其他相关专业的特性匹配情况,影响因素,如设计速度等级、环境因素(抗灾)、地质情况、路基承载情况、综合接地设置、电缆沟、排水设施等。

接触网为独杆基础,支柱的稳定性、可靠性保证主要靠其下部基础来实现。在季节性冻土区域基础结构形式主要根据支柱类别、上部结构特点、地质情况、路基各专业接口及施工便易程度确定[5]。

目前电气化铁路接触网柱基础形式主要有直埋基础、杯口基础、整体刚性基础、钻孔灌注桩基础。4类接触网支柱基础类型见图1,概况对比见表2。

图1 接触网支柱常用基础类型(单位:mm)

表2 常用基础形式特性对比

从表2及图1可知,直埋基础(图1(a))为人工开挖基础,支柱加横卧板或卡盘等埋入基坑,基坑回填土夯实。此法简单易行,主要依靠被动土压力抗倾覆,此基础较适用于容量、扰动小的支柱。轮轨振动大时其稳定性及抗倾覆能力差,且人工开挖效率低不符合高速铁路设计标准。

杯口基础(图1(b))是支柱插入杯底后采用细混凝土分层浇筑而成,此种基础相对直埋基础稳定性较好,但是支柱插入后混凝土需要一定的养护、固化时间,不能与路基整体施工,易受扰动,也不适用于高速铁路运营。

混凝土整体刚性基础(图1(c)),此类基础基坑开挖较大,对客专路基产生扰动大,底部扩阶深入道床底部严重影响路基、道床整体稳定性。

机械钻孔桩(图1(d)),此种基础承载能力大,路基占用面积小,桩径为0.7 m,机械成孔作业,与路基专业同步施工,避免了后期开挖对路基及整体道床的扰动,整体性能好。与其他专业在路基路肩宽度范围内的布置较为合理,特别是综合接地电缆槽等设施,见图2。电缆槽的宽度一般为0.8 m左右,如果采用其他类型基础,则导致侧面限界不满足3.0m要求,也不满足路基宽度13.6m要求。

图2 客运专线路基断面相关专业设施布置(单位:m)

综合电气化常用接触网柱基础的对比分析,在哈大铁路客运专线优先选用机械钻孔桩,但是考虑哈大铁路客运专线季节性冻土影响,在季节性冻土区段接触网支柱及拉线基础宜采用机械钻孔扩底桩,以抵抗侧向冻胀力及交替季节冻胀产生的上拔力。

2 哈大铁路客运专线地质情况与支柱基础选型

2.1 地质情况

以里程CK825+111.70～CK901+807为例,其主要地质情况如下:

(1)本段处于季节性冻土区段,土壤最大冻结深度205 cm;

(2)工点范围内上部为第四系全新统冲积黏质黄土(Q3al3);

(3)该场地为非自重湿陷性场地,湿陷等级为Ⅰ级轻微,湿陷厚度为6.5～8.5m;

2.2 从设计角度减少季节性冻土及湿陷性对网柱基础影响所采取的措施

2.2.1 地基处理[3]

(1)基础四侧换土,采用较纯净的砂、砂砾石等粗颗粒土换填基础四周冻土,填土要夯实。

(2)将基底以下1～3m湿陷性土层全部挖除,采用强夯法夯实。

2.2.2 基础结构

(1)选用抗冻胀基础,改变基础断面形状,利用冻胀反力自锚作用(即扩底)增加基础抗冻拔的能力。

(2)改善基础侧表面平滑度,基础必须浇筑密实,具有平滑表面。基础侧面在冻土范围内还可用工业凡土林、渣油等涂刷以减少切向冻胀力。对桩基础也可用混凝土套管来减除切向冻胀力,但是其工程造价很高。

(3)增大桩基底面承压面积以减少湿陷性影响。

由以上地质情况可知,接触网支柱基础设计时除要考虑设季节性冻土的冻胀和融沉影响,也要考虑其湿陷性的特性对网柱基础的影响,抵抗冻拔就要扩大桩底端增加覆土与基础的正压力;避免融陷与湿陷性就要加大基础底端与土壤的接触面积,所以这也是哈大铁路客运专线选用机械钻孔扩底桩的最重要的原因。下面详细分析一下扩底钻孔桩与普通钻孔桩在抵抗冻拔的力学优势。

3 普通的钻孔桩与钻孔扩底桩抗冻拔计算分析

3.1 普通的钻孔桩与钻孔扩底桩外部结构

以JA-1型基础为例见图3。

图3 两种不同形式灌注桩基(单位:mm)

3.2 哈大铁路客运专线沈哈段季节性冻土冻胀设计深度计算

式中 zd——设计冻深;

z0——标准冻深,按照表1取值;

φzs——土质对冻深的影响系数,取1.0;

φzw——湿度对冻深的影响系数,取0.85;

φzc——周围环境对冻土的影响系数,取1.05;

φzt0——地形对冻土的影响系数,取1.0。

以双城区段为例,最大测量冻深为2.05 m,实际计算设计冻深为1.82 m,考虑2年后胀、融影响取值2.32m。

3.3 标准切向冻胀力计算

式中 τdi——切向冻胀应力设计值(kPa),取2层土即i=1,2。

Aτi——与第1、2层土接触的桩侧表面积。根据土壤资料及路基处理情况第1层一般为填土,第2层(工点范围内)土质为第四系全新统冲积黏质黄土(Q3al3),接触网基础属于浅基础,深度一般不超过5m,所以均在第1、2层土质,虽然填土已经削弱了其冻胀性,但是在工程计算上可仍按照冻胀处理。

土壤特性及基础相关参数见表3。

表3 土壤特性及基础相关参数

第1层土壤切向冻胀力Fd1=τd1Aτ1=230.79 kN

第2层土壤切向冻胀力Fd2=τd2Aτ2=187 kN

3.4 不扩底桩基及扩底桩基的实际抗拔力计算对比分析及价差

3.4.1 实际抗拔力计算

根据3.3节计算可知,双城地区冻土深度2.32m,切向冻胀力(冻胀上拔力)约为417.79 kN。在进行基础校验时必须要满足作用于基础底部的垂直力要大于切向冻胀力Fdi才能保证接触网基础不被拔出或融陷。

式中 Gk——作用于基础上的所有重力(含基础自重)。以中间柱为例,采用 GH240/ 7.8支柱,上部固定荷载为119.26 kN;

Ra——地基土产生的锚固力(摩阻力)设计值,kN;

Aq1——第1层土内桩身的侧表面积,m2;

Aq2——第2层土内桩身的侧表面积,m2;

qs2——第1层土内桩身的侧表面单位摩阻力,kPa;

qs2——第2层土内桩身的侧表面单位摩阻力,kPa。

如果暂不考虑上部荷载的重力,仅考虑基础本身及覆土重力,则不扩底基础与扩底基础其计算参数不同,桩侧的摩阻力也不相同,见表4。

表4 桩侧摩阻力及抵抗上拔力计算对比

各系列抵抗上拔力线性对比见图4。

从表5及图4可知,系列1扩底桩的扩底部分使得桩基增加了约40 kN的抗冻拔荷载,换言之,采用扩底桩基有效地削弱了由季节性冻土引起的冻胀力。《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJ118—98)在减小和消除切向冻胀力的措施中也建议基础底部带扩大部分的自锚式基础。图5为两种基础形式对应的选择关系,同等外部荷载及使用条件情况下,扩底桩基为埋深3.5m的桩基,而对应的不扩底桩基为埋深4.0m的桩基。

图4 抵抗上拔力线性对比

图5 两种基础选用对应图表

3.4.2 价差简析

以埋深3.5m扩底桩基与埋深4.0m不扩底桩基为例,对二者增加的材料及工费进行比较。扩底桩基扩底部分增加的混凝土量为0.304 t,不扩底桩基比扩底桩基深埋最少0.5m,相应的0.5m的埋深的混凝土量为0.442 t,增加的钢筋笼与箍筋质量为5.1 kg,由于不扩底桩基增大了埋深,钢筋笼加长也增加了施工难度及材料加工难度。统筹计算不扩底桩基比同强度的扩底桩基每个基础增加成本560元。

4 结语

从图4可知,在同等基础埋深情况下,扩底桩基与不扩底桩基其抵抗上拔力的计算结果有明显区别,埋深为3.5～4.0m不扩底桩基的抵抗上拔力小于季节性冻土引起的冻胀力,不满足Tb≥Fdi要求,在实际工程设计时不能采用,但是同样的埋深扩底桩基就可满足Tb≥Fdi设计要求。但这并不代表不能选用不扩底桩基,如采用普通的不扩底桩基,则要求基础埋深要比扩底桩基大,钢筋笼的长度增加0.5～1 m,增加环形箍筋数量,对整个工程而言既增加了施工难度,又增加了工程成本,也不利于施工工期。扩底桩基对季节性冻土引起的切向冻胀力有明显的削弱作用,权衡二者的优略,经过对两种桩基的力学计算分析后确定哈大铁路客运专线接触网基础宜采用扩底桩基。

[1] 黑龙江省寒地建筑科学研究院.JGJ 118—98 冻土地区建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京:中国电力出版社,2007.

[3] 江正荣.建筑地基与基础施工手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2005年.

[4] 沈宇鹏,吴艳,许兆义,王连俊.多年冻土斜坡稳定性评价方法的探讨[J].铁道标准设计,2011(3):34 -37.

[5] [苏]H.马克瓦尔特,N.N.符拉索夫.接触网[M].北京:中国铁道出版社,1986.

[6] 铁道部电化工程局电气化勘测设计处.接触网设计手册[M].北京:中国铁道出版社,1988.

Foundation Design for Overhead Contact System Posts in Seasonally Frozen Ground Section of Harbin-Dalian Passenger-dedicated Line

WANG Yu-huan
(Electrification Department of China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

This papermainly expounds the design ideas of overhead contact system post foundation under the condition of special geology that is seasonally frozen ground.Aiming at the special soil characteristic of seasonally frozen ground in northeast China,this paper puts forward that themechanical pedestal pile foundation,which can be used for resisting the frost heave and up-pull force of the seasonally frozen ground,has the advantages of enhancing the frost heave resistance and reducing the borehole depth as well as reducing the interference between the OCS post foundation and the pile-sheet structure within the railway subgrade.Somechanical pedestal pile foundation not only is the optimum scheme on OCS post foundation design of high-speed railway in the representative seasonally-frozen ground section,but also is the good choice in case the OCS post foundation bottom is disturbed by ground treatment or affected by collapsibility loess which often has the requirement of shallow burying.

Harbin-Dalian Passenger-dedicated line;overhead contact system posts;seasonally frozen ground;pull force;frost heave

U213.157;U226.8

A

1004 -2954(2012)10 -0084 -04

2012-02-19

王玉环(1975—),女,高级工程师,2000年毕业于甘肃工业大学机械设计专业,工学学士。