辽源地区季节冻土输电线基础变形规律分析

邓振鹏,潘殿琦,黄非,岳科宇,刘华南

(1.长春工程学院 勘查与测绘工程学院,长春 130021;2.国网吉林省电力有限公司 辽源供电公司,吉林 辽源 136200)

0 引言

我国冻土分布面积广阔,其中季节性冻土占中国领土面积的一半以上。随着冻融循环的反复发生,冻土层中的水分相应地出现相变与迁移,导致冻土层发生变形,产生冻胀、融沉等一系列工程事故。因此,掌握季冻区地基土体冻融循环下的变形规律尤为重要。国内外学者对土体冻胀融沉破坏进行了大量的研究,王晓刚[1]、白清波等[2]运用Comsol自定义板块建立了冻土水热力耦合模型,模拟得到冻结过程中土体各部分温度的变化规律及水分分布规律;郑勋等[3]通过对土样进行冻融循环试验,发现在冻结过程中土体原有结构遭到破坏,土体颗粒级配会重新分布,连续的冻融还会产生使土的迁移通道扩大、盐分和水分迁移量增加、强度降低等一系列削减土体工程性质的危害;郭浩天[4]得出长春粉质黏土土水特征曲线VG、BC模型的参数,验证了土体基质在非饱和土的土颗粒之间起到连接作用和对孔隙水的驱动作用。李海洋等[5]建立 Fisher判别分析模型对土样进行融沉等级的判定,为多年冻土区冻土融沉等级的判定提供参考。丁雪涛等[6]通过对长春地区粉质黏土进行冻土单轴抗压强度试验,得到不同影响因素条件下抗压强度随温度变化的特征曲线。对于季节性冻土区土体力学性质的研究已经相当成熟,但对于季节性冻土区输电线塔杆基础稳定性的研究相对较少,为分析季节性冻土区输电线塔杆偏移的原因,本文从外界环境变化和冻融循环作用两方面入手,分析季节性冻土区塔杆基础偏移的原因。

笔者以辽源某季节性冻土区建设工程为依托,基于Comsol多物理场耦合作用,得出冻融循环作用下土体的水分、温度分布和冻胀变形的变化规律,分析造成输电线塔杆产生偏移的原因。

1 冻融对基础偏移的理论分析

在季节性冻土区,建筑物普遍受到冻胀融沉破坏作用,由于初冬气温降低,导致土体从表层开始冻结,由于水分的迁移作用,土体表层以及基础表面产生大量带有冰晶的土体,使基础与周围土体产生胶结作用,为切向冻胀力的产生提供条件。同样,随季节升温,土体融化时,大量的固体冰融化为水,赋存于混凝土周围,导致基础周围的土体结构弱化,建筑物底部抗弯强度减弱,基础容易产生倾斜破坏。图1为冻结前塔杆基础周围土体水分分布迁移图,图2为冻结过程中水分分布迁移图。

图1 初始水分分布图

图2 水分分布迁移图

1.1 冻胀对基础偏移的理论分析

在冻结过程中,由于切向冻胀力的产生,季节性冻土区会产生一定的冻胀破坏,冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结,造成土体体积增大9%,但由于外界水分在土中迁移到冰水相变区并产生冻结,导致体积增大至原来土体的1.09倍。所以饱水土体在开放体系下的分凝冻胀是土体冻胀的主要分量。分凝冻胀的机理包含土中水分迁移与成冰两个物理过程。前者主要受土体基质的吸附作用以及孔隙的毛细作用、渗透系数和迁移量等因素的影响,后者则取决于界面状态、冰晶生长情况等因素。土体冻胀变形大都是由于分凝冻胀产生的,原位冻胀只占很小一部分。由于土体冻胀的产生是因为水凝结成冰造成的体积膨胀,所以可以根据体积含冰量的变化来预测土体体积冻胀量。

1.2 融沉对基础偏移的理论分析

由于混凝土的导热系数大于基础土体的导热系数,故当温度降低时基础周围土体先被冻结,土体颗粒表面的负电荷构成电场的内层,当温度降低到0 ℃以下时,土中的自由水先冻结成冰。温度继续降低,土颗粒周围的结合水会发生冻结,电场平衡遭到破坏。未冻区土颗粒周围的水分被源源不断地吸引到已冻结土颗粒四周,直至电化学势再次达到平衡[3]。电场的再平衡过程导致冻结过程中土体周围富含冰晶,当气温回升后,由于导热系数存在差值,所以混凝土周围的土体先融化,导致大量水分赋存于基础周围,削减地基抗弯强度,致使地基结构弱化。

1.3 冻融对颗粒级配的理论分析

因为单位mm的土颗粒接触应力最大可达500 MPa,同样可以推断在土壤中粗粒矿物成冰的过程中,土颗粒之间的节理产生并且扩大,其中闭合节理发生扩张,从而造成粗粒土的分裂现象,而在黏土颗粒中,由于黏土颗粒的双电层作用,大量未冻水分子以结合水的形式存在,单位质量含水率大于粗粒土的,在双电层作用下反而会产生团聚作用,经过冻融循环粉粒级颗粒微观分析发现,粉粒级土体是以细砂为核心的,黏土颗粒是包裹的土颗粒团聚体,所以在冻融循环作用下粉粒级可以向细粒级转变,黏土级颗粒可以向粗粒级转变,故在多次冻融循环作用后,土颗粒会向某个粒组富集,使得土体渗透性增大,塑性指数减小,从而削减地基的工程性质。

为预测输电线塔杆地基冻胀融沉后的水分分布情况,本文采用Comsol软件对季节性冻土区地基温度、水分和变形情况进行预测。

2 冻土物理场方程和参数的确定及模拟过程

2.1 物理场方程确定

将相变潜热作为热源[2],采用克拉伯龙方程来模拟土体冻结过程中温度场和水分场的变化。

1)土体温度场方程确定为

(1)

式中:T为土体实时温度,℃;t为时间,s;θ为土体体积含水率;ρ为土体密度,g/cm3;ρI为土中冰的密度,g/cm3;L为冰水相变潜化热。

根据固液比定义将体积含冰量和体积含水率相连接,θI=BI(T)·θu。

式(1)与Comsol中偏微分方程相对应可得

(2)

与偏微分方程相对应可得

(3)

2)土体水分场方程确定为

(4)

式中θu为冻土中未冻水的体积含量,θI为孔隙冰的体积含量,k为重力加速度方向的非饱和土体渗透系数,θs为土体体积饱和含水率,θr为残余体积含水率。

冻土中水的扩散率计算为

(5)

将未冻水含量与初始含水率用未冻水经验表达式进行组合求解:

(6)

式中:Tf为粉质黏土冻结温度,℃;ω0为初始含水率;ωu为相应温度下未冻水含量;B为常数,当土体为粉质黏土时,经验取值为0.56。

根据式(6)的描述可知初始体积含水率、未冻水和温度3者关系。

3)粉质黏土应变场方程确定

一般粉质黏土冻结体积的应变和含冰量有关,根据粉质黏土冻结变形系数可得:当ωθI(x,y)>0.000 3时,粉质黏土变形系数[3]为

η(x,y)=0.008 9ωθI(x,y)-0.000 3,

(7)

式中ωθI(x,y)为含冰量θI(x,y)的质量分数,表示为

ωθI(x,y)=0.9θI(x,y)-0.000 3。

(8)

2.2 模拟参数确定

本文采用VG模型对土水特征曲线进行拟合,VG模型表示为

(9)

式中:θw为粉质黏土体积含水率,%;θs为饱和体积含水率,%;θr为粉质黏土残余体积含水率,%;s为粉质黏土基质吸力,kPa。

根据测试的粉质黏土体土水特征曲线参数[4],可知a、m、θs、θr的取值,ks为土体渗透系数,通过

薄壁渗透仪测定(表1)。

表1 渗透系数测定 单位:cm/s

最终测定辽源地区粉质黏土渗透系数为5.234×10-8,水力学模型参数见表2。

表2 材料的水力学模型参数

为考虑冻结过程中土体力学性质改变,土体的黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比ν计算公式为

E=a1+b1|T|m,

(10)

ν=a2+b2|T|,

(11)

C=a3+b3|T|,

(12)

φ=a4+b4|T|,

(13)

式中ai、bi均为试验常数,T表示土温,m通常选取0.6。冻结过程中土体力学性质参数见表3。

表3 力学系数

本模型参数选取参照《冻土物理学》《混凝土设计规范》等,仿真模型参数见表4。

表4 仿真模型参数

2.3 模拟过程

为预测辽源地区输电线塔杆基础在环境温度发生变化时,土体内部水分、温度的变化规律,根据输电线塔杆冻胀融沉影响范围,建立10m×10m×2m的长方体仿真模型,塔杆位于模型中心,底部基础直径设定为46.4cm,通过Comsol软件建立模型(图3)。

图3 模型网格剖分图/m

将基础土体体系建立为三维的轴对称模型,基础埋深设为1.5m,根据塔杆周围土体冻胀影响范围确定土体地基建模范围,根据物理场要求进行网格剖分,剖分为1 884个边界单元和192个边单元。完整网格包含30 328个域单元、3 182个边界单元和 256个边单元。

初始边界条件设定。将冻结温度边界条件设定为-25 ℃,土体初始含水率配比均匀,初始饱和度均为0.6,换算初始含水率为26.1%。试验初始温度设为33.85 ℃,冻结管制冷温度设定为-25 ℃。冻结20d,融化20d,冻结过程水分场、温度场和变形场模拟云图如图4～12所示。为使结果清晰可见,图5～6、图9～11均为局部放大图,图12为冻胀量最大时变形模拟云图。

图4 0 h温度场分布模拟云图

图5 300 h温度场分布模拟云图

图6 600 h温度场分布模拟云图

图7 960 h温度场分布模拟云图

图8 0 h水分场分布模拟云图

图9 300 h水分场分布模拟云图

图10 600 h水分场分布模拟云图

图11 960 h水分分布模拟云图

图12 预测冻胀变形模拟云图

2.3.1 温度变化过程

根据模拟过程中,由图5模拟结果可得,基础周围土体冻结初期,由于混凝土的导热系数大于土体的,故混凝土周围率先降温,在同一高度,土体冻结过程中,基础周围的温度已经降低至-24.35 ℃,而远离基础的最低温度为-20.25 ℃,由于温度梯度的差异,导致水分沿着温度梯度减小的方向迁移,冰晶薄层吸附于混凝土周围,将土体与基础胶结在一起,为基础土体体系共同上拔提供媒介,土体在冻胀过程中,体积变化的主要原因是土中水分冻结成冰产生的体积膨胀,由此便可根据含冰量的变化预测土体冻结后的体积膨胀量,这也为计算季节性冻土区土体体积膨胀提供了一种简便的方法[1]。

2.3.2 土体水分、冻胀变形变化过程

当20d冻结结束时,根据图12的模拟结果同样可以得出,土体自由平面最终变形量可以达到4.43cm,基础最终上拔量可达6.84cm。当温度回升,地基土体融化过程中,基础周围的土体融化速度大于同一高度其他位置的。如图10所示,融化过程中,在冻融界面交界处,基础周围饱和度已经达到了0.490 8,而同一高度的其他位置饱和度依然处于0左右。同样由图11可得,基础底部,当远离基础的土体未融化时,基础周围土体含水率已达到11.52%,由此可见,由于混凝土与土体导热系数的差异,以及含冰量的赋存与冻融界面的阻碍作用,导致大量水分滞留在冻融界面,冻融界面含水率逐渐增大,基础周围土体力学性能受到严重的削减,由此可能造成基础失稳的情况。

3 环境变化对基础偏移的影响

为预测输电线塔杆四季随冻融循环变化的规律,寻找塔杆基础薄弱的时间段,以辽源地区粉质黏土为例,结合辽源地区季节温度变化,进一步分析塔杆在工作中产生偏移的时间段,为塔杆预警前期工作做好充足准备。

采用正弦函数对辽源地区温度变化进行模拟,得到拟合方程为

(14)

式中:t为时间,h;T为温度,℃。

将所得方程带入边界初始条件,得到辽源地区预测未来两年内温度函数曲线(初始时间为每年的7月30日),如图13所示。

图13 预测辽源地区未来两年的温度变化

图14～17为辽源地区预测每年在固定时间段冻胀过程中温度、水分变化模拟云图,图18为最大冻胀位移模拟云图。

图14 预测11月中旬温度模拟云图

图15 预测4月中旬温度模拟云图

图16 预测11月中旬水分模拟云图

图17 预测4月中旬水分模拟云图

图18 预测1月份最大冻胀量模拟云图

根据辽源气象局报告可以得到,辽源气候属温带大陆性半湿润气候类型。1月份达到全年最低气温,通过模拟可知:基础冻胀量达到最大值为15.6cm,土体最大冻胀量为7.99cm。预测每年的11月15日冻结过程中,同一高度,接近基础的位置含冰量要高于其他位置,冻结过程基础周围含冰量的增加,冻结前初始饱和度设为0.6,预测每年的4月16日融化过程可以通过图17观察到,图中黄色区域饱和度已经达到0.62,基础底部周围土体饱和度更是达到1.0,粉质黏土饱和含水率为43.44%,而同一高度其他位置的土体未融化,并且辽源地区春季大风天气较多,风力最大月份大概在3—4月份,最大风速可达30m/s。此时恰是春天来临,温度回升,是土体融化的月份,基础处于最不稳定阶段,经前述模拟结果分析可知,当土体含水率过大时,土体抗弯强度降低,基础周围融化土体部分含水率较高,当风力作用于输电线塔杆时,输电线基础底部抗弯强度不足以保持稳定,故输电线塔杆会发生偏移。

4 结论

1)使用仿真模拟软件建立季节性冻土区输电线塔杆基础冻胀融沉水热力耦合模型,确定冻融循环对输电线塔杆稳定性的影响,利用多物理场耦合作用分析塔杆产生偏移的原因。

2)通过仿真模拟方式得到,在为期40d冻融循环后,基础底部土体的含水率由原来的26.1%增加为43%。

3)将辽源地区环境变化与工程破坏原因相关联,发现塔杆基础抗剪强度的薄弱月份为4月,预测地基强度薄弱时间可以为工程防护提供参考。