哈牡線季節(jié)性凍土接觸網(wǎng)基礎(chǔ)處理措施探討

伏松平

(北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100043)

1 前言

凍土形成主要是地面以下一定深度的地層溫度隨大氣溫度而變化，當(dāng)?shù)貙訙囟冉抵?℃以下時，土中部分孔隙水將凍結(jié)而形成凍土[1]。

季節(jié)凍土是地表以下一定范圍內(nèi)寒季凍結(jié)、暖季又全部融化的巖土，呈周期性凍結(jié)和融化狀態(tài)。季節(jié)凍土是一種特殊土，但又不同于通常意義上的特殊土，可能是任何一種巖土體，包括黃土、膨脹土等特殊土。因此，季節(jié)凍土的工程特性更為復(fù)雜。我國季節(jié)凍土分布在東北、西北以及華北地區(qū)，其凍結(jié)深度由南向北、由低海拔區(qū)向高海拔區(qū)增厚，最大超過3 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國75%的交通線路位于季節(jié)凍土區(qū)，其中位于深季節(jié)凍土區(qū)的交通線路約占總量的30%，主要分布于西北、華北和東北地區(qū)[2]。

哈爾濱至牡丹江電氣化改造工程地處黑龍江省東部，線路自哈爾濱市向東南經(jīng)阿城、尚志、海林至終點(diǎn)牡丹江，改建后線路長度350.137 km。線路地處嚴(yán)寒地區(qū)，既有路基存在凍害，春融及雨季易積水。哈牡線最大季節(jié)性凍土區(qū)段分布見表1，其中路基土體的含水率分布在20%～30%區(qū)間。

表1 哈牡線最大季節(jié)性凍土區(qū)段分布

由于季節(jié)性凍土的工程特性，在寒冬季節(jié)，當(dāng)氣溫下降低于土壤水冰點(diǎn)時，地表土層中孔隙水凍結(jié)成冰，體積膨脹，且下部未凍土層中的水分源源不斷向上部凍結(jié)區(qū)遷移、聚集，并凍結(jié)成冰透鏡體，出現(xiàn)大幅度凍脹變形。春季當(dāng)氣溫再度回升至0℃以上時，土層隨之不斷融化，解凍的土體便發(fā)生弱化作用且強(qiáng)度降低，此時又將產(chǎn)生融沉病害。

根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2016)的規(guī)定，對于凍土地區(qū)的基礎(chǔ)埋深應(yīng)按照《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 118-2011)確定，嚴(yán)寒地區(qū)對入土部分的接觸網(wǎng)支柱和基礎(chǔ)，宜采取防凍脹措施。

不論是接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)還是接觸懸掛和附加導(dǎo)線的拉線基礎(chǔ)，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及行車安全都至關(guān)重要。對于哈牡線處于季節(jié)性凍土區(qū)段的接觸網(wǎng)支柱及拉線基礎(chǔ)的防止凍脹的處理措施是否合理、是否能滿足接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)及附加導(dǎo)線的安全需要、在運(yùn)行壽命周期內(nèi)能否穩(wěn)定可靠，是不可忽視的問題。

2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)選型

就一般建筑物來講，基礎(chǔ)可分為樁基和平基兩類。平基又分為深平基和淺平基。接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)直接埋置于土體中，其埋置深度一般都小于5 m，屬于淺平基[3]。

常用的電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)有直埋式整體基礎(chǔ)、單階梯或多階梯形狀的擴(kuò)大基礎(chǔ)、棱柱形基礎(chǔ)等。

按照鋼筋混凝土支柱基礎(chǔ)的設(shè)置方法，可分為整體式基礎(chǔ)和獨(dú)立式基礎(chǔ)兩種類型。對于橫腹桿式鋼筋混凝土支柱基礎(chǔ)和支柱是一個整體，其埋入地下部分即為基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)稱為直埋式基礎(chǔ)[4-5]。目前中國使用的橫腹桿式混凝土支柱多屬于整體式支柱，等徑原支柱多采用杯形混凝土基礎(chǔ)或法蘭盤連接基礎(chǔ)[6]。電氣化接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓數(shù)量眾多，其垂直度、絕對定位精度以及群栓的相對定位要求極高[7]。

接觸網(wǎng)支柱的受力特點(diǎn)是水平負(fù)荷大，因此其抗傾覆穩(wěn)定性就很重要。直埋基礎(chǔ)為人工開挖基礎(chǔ)，根據(jù)地質(zhì)情況加設(shè)橫臥板和底板埋入基坑中，簡單易行。橫臥板和底板主要作用是增大與土體的接觸面積，進(jìn)而增大其水平抗力，這種基礎(chǔ)形式主要依靠被動土壓力抗傾覆。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)的下錨包括接觸懸掛下錨和附加導(dǎo)線下錨，其拉線基礎(chǔ)有實(shí)體基礎(chǔ)和拉線盤基礎(chǔ)兩種常用類型。

針對哈爾濱至牡丹江電氣化改造工程項(xiàng)目季節(jié)性凍土特點(diǎn)，在季節(jié)性凍土區(qū)域基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)支柱類型、上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地質(zhì)情況、路基各專業(yè)接口及施工便易程度確定。

本工程項(xiàng)目區(qū)間采用混凝土單腕臂柱，埋置深度一般為3 m。當(dāng)區(qū)間支柱位于曲線內(nèi)側(cè)時應(yīng)核算支柱受力方向，以確定其基礎(chǔ)的橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。一般情況下，當(dāng)曲線半徑R≤1 400 m時，其基礎(chǔ)的上部橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的田野側(cè)一邊，而下部橫臥板和漿砌片石應(yīng)置于支柱的線路側(cè)一邊。

車站軟橫跨為格構(gòu)式鋼柱，采用階梯狀的擴(kuò)大基礎(chǔ)，其埋置深度根據(jù)容量一般在3～4.5 m。

接觸懸掛和附加導(dǎo)線的下錨拉線基礎(chǔ)均采用實(shí)體型基礎(chǔ)，埋置深度分別為2.5 m和2.2 m。

以里程K23＋100～K26＋390區(qū)段為例，本區(qū)段最大凍結(jié)深度為2.05 m，工程范圍內(nèi)上部土為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土，含水率為30%。

(1)計(jì)算設(shè)計(jì)凍深

式中，zd為設(shè)計(jì)凍深；z0為標(biāo)準(zhǔn)凍深，依據(jù)地質(zhì)資料K20＋100～K54＋000區(qū)段最大值為2.05 m，K54＋000至牡丹江區(qū)段最大值為1.91 m；φzs為土質(zhì)對凍深的影響系數(shù)，取1.0；φzw為凍脹性對凍深的影響系數(shù)，弱凍脹取0.95、凍脹取0.9、強(qiáng)凍脹取0.85、特強(qiáng)凍脹取0.8；φzc為周圍環(huán)境對凍土的影響系數(shù)，取1.0；φzt0為地形對凍土的影響系數(shù)，取1.0。

針對最大凍土深度區(qū)段為黏土，屬強(qiáng)凍脹地區(qū)，位于曠野，地勢較為平坦，最大測量凍土深度為2.05 m，通過公式(1)計(jì)算可得實(shí)際設(shè)計(jì)凍深為1.75 m；當(dāng)考慮地基土層的凍結(jié)和春融的影響，其基底的凍脹變形或法向凍脹力可能危及基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全，因此，這類凍脹土地基上基礎(chǔ)埋深應(yīng)該有更可靠的安全度，因此考慮0.5 m的安全裕量時，則經(jīng)計(jì)算可得設(shè)計(jì)凍深為2.17 m。

根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10009-2016)以及《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 118-2011)可知，基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)采用不小于設(shè)計(jì)凍深，并根據(jù)地基土凍脹性適當(dāng)采取減小基側(cè)切向凍脹力危害措施[8-9]。

可見，不論是埋置深度為3～4.5 m的支柱基礎(chǔ)，還是埋置深度分別為2.2 m和2.5 m的附加導(dǎo)線下錨拉線基礎(chǔ)及接觸懸掛下錨拉線基礎(chǔ)，其埋置深度均大于設(shè)計(jì)凍深，滿足規(guī)范要求。

(2)驗(yàn)算基礎(chǔ)的穩(wěn)定性

對接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線和接觸懸掛的下錨拉線非擴(kuò)底型實(shí)體基礎(chǔ)及鋼柱的擴(kuò)大型基礎(chǔ)分別討論。

對于下錨拉線的非擴(kuò)底基礎(chǔ)，基礎(chǔ)穩(wěn)定性采用下式進(jìn)行計(jì)算。

式中，τdik為第i層土中單位切向凍脹力的標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，取2層土即i＝1，2，其中對于第1層填土按照凍脹取60～80 kPa，第2層的黏性土為強(qiáng)凍脹取值為80～120 kPa；Aτi為與第i層凍土接觸的側(cè)表面積；GK為作用于基礎(chǔ)上的永久荷載(kN)，包括基礎(chǔ)自重部分(素混凝土基礎(chǔ))或全部(配筋基礎(chǔ))；Rta為基礎(chǔ)伸入凍脹土層之下，地基土所產(chǎn)生錨固力的特征值(對素混凝土和砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，不考慮該力，kN)。

其中錨固力Rta:

式中，qsik為在第i層內(nèi)土與側(cè)表面的摩阻力特征值，針對本選定區(qū)段參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)，填土部分為22 ～30 kPa、淤泥14 ～20 kPa、軟塑黏性土40～55 kPa、可塑黏性土55～70 kPa、細(xì)粉砂48～66 kPa、中砂54～74 kPa、中密砂74 ～95 kPa、礫砂70～110 kPa[10]；Aqi為與第i層土接觸的基礎(chǔ)的側(cè)表面積。

對于鋼支柱的擴(kuò)大基礎(chǔ)，穩(wěn)定性采用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中，Rta為當(dāng)基礎(chǔ)受切向凍脹力作用而上移時，基礎(chǔ)擴(kuò)大部分頂面覆蓋土層產(chǎn)生的反力(kPa)。該反力按地基受壓狀態(tài)承載力的計(jì)算值取用。當(dāng)基礎(chǔ)上覆土層為非原狀時，該反力根據(jù)實(shí)際回填質(zhì)量尚應(yīng)乘以0.6～0.8的折減系數(shù)。Ai為基礎(chǔ)擴(kuò)大部分頂面面積(m2)。

根據(jù)土壤資料及路基處理情況，第1層一般為填土，第2層土質(zhì)為第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土。由于接觸網(wǎng)基礎(chǔ)屬于淺基礎(chǔ)，深度一般不超過5 m，所以均在第1、2層土質(zhì)，雖然填土削弱了其凍脹性，但是在工程計(jì)算中仍按照凍脹處理。

不論是拉線基礎(chǔ)還是鋼柱的擴(kuò)底基礎(chǔ)，均為配筋基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)自重等各項(xiàng)數(shù)據(jù)分別代入公式(2)和(3)計(jì)算可知，不論是拉線基礎(chǔ)還是鋼柱的擴(kuò)底基礎(chǔ)的穩(wěn)定性均滿足要求。

3 基礎(chǔ)防凍脹處理措施

由上述分析可知，只有當(dāng)作用于基礎(chǔ)底部的垂直力不小于切向凍脹力，才能保證接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)不被拔出或融陷。其中影響切向凍脹力的因素除了包括水分、土質(zhì)與負(fù)溫三大要素外，還有基礎(chǔ)側(cè)表面的粗糙度等。

對選定含水率為30%的季節(jié)性凍土區(qū)段，地基采用開挖后換填夯實(shí)的處理方式。當(dāng)基礎(chǔ)在地下水位以上時，基礎(chǔ)側(cè)表面可回填非凍脹性的中砂和粗砂，用非凍脹性的粗顆粒土做墊層，且墊層的底面應(yīng)在設(shè)計(jì)凍深線處。

具體處理措施為首先開挖基坑，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件適當(dāng)拓寬加深0.2～0.5 m，注意擴(kuò)大基礎(chǔ)底部的階梯形狀必須嚴(yán)格按照要求施工，然后在基坑四周采用干凈的中粗砂，或改良土或級配碎石配合水泥砂漿等非凍脹土進(jìn)行換填處理。回填應(yīng)分層夯實(shí)，分層厚度不大于300 mm，密實(shí)系數(shù)0.95以上，換填承載力需滿足要求[11-12]。如基坑底部承載力小于100 kPa時，對基坑底部換填厚度不低于500 mm的碎石層并夯實(shí)，然后再做100 mm厚C15混凝土墊層；如果承載力大于等于100 kPa時，取消底部碎石換填層，其余同前述處理。

地腳螺栓材料為 Q345B，圓鋼材料為Q235B。放置地腳螺栓時，應(yīng)使螺栓底端彎鉤指向基礎(chǔ)內(nèi)部。澆筑基礎(chǔ)混凝土必須不間斷地進(jìn)行，一次澆筑完畢，基礎(chǔ)頂面應(yīng)高出地面200 mm。當(dāng)實(shí)際地面低于基礎(chǔ)頂面超過200 mm時，要把原地面培土加高，使培土后地面位于基礎(chǔ)頂面之下200 mm處。

在路堤區(qū)段，支柱安裝完畢后，基礎(chǔ)部分應(yīng)培土的寬度自支柱中心兩側(cè)各1 000 mm，高度不小于支柱深度，支柱基礎(chǔ)外沿至護(hù)坡頂面邊沿不小于500 mm并加以漿砌片石予以防護(hù)，有條件的地方可擴(kuò)大至1 000 mm，防止支柱邊坡培土的凍脹對基礎(chǔ)的影響。

對于非擴(kuò)底的實(shí)體拉線基礎(chǔ)，基礎(chǔ)處理同上，注意為保證抗拔安全穩(wěn)定系數(shù)大于等于1.5，需要注意最后拉線與地面夾角為45°～60°，基礎(chǔ)頂面高出地面100 mm。

為改善基礎(chǔ)側(cè)表面的光滑度，也可以用水泥砂漿抹面壓光改善受力狀態(tài)，或用物理化學(xué)方法處理基側(cè)表面或與其側(cè)表面接觸的土層，如在表面涂以渣油層用表面活性劑配制的憎水土隔離，用添加劑使土顆粒凝聚或分散的土隔離等。

4 結(jié)束語

結(jié)合哈牡線電氣化改造項(xiàng)目季節(jié)性凍土的特點(diǎn)，對下錨拉線的混凝土澆筑基礎(chǔ)和接觸網(wǎng)支柱的階梯型擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種情形進(jìn)行了切向凍脹應(yīng)力的計(jì)算分析，提出了采用地基換填加擴(kuò)底型基礎(chǔ)處理措施來抵抗季節(jié)性凍土的上拔力，可為后續(xù)類似季節(jié)性凍土區(qū)段接觸網(wǎng)下錨拉線基礎(chǔ)的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的處理提供參考。