遼源地區(qū)季節(jié)凍土輸電線基礎(chǔ)變形規(guī)律分析

鄧振鵬,潘殿琦,黃非,岳科宇,劉華南

(1.長春工程學(xué)院 勘查與測繪工程學(xué)院,長春 130021;2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司 遼源供電公司,吉林 遼源 136200)

0 引言

我國凍土分布面積廣闊,其中季節(jié)性凍土占中國領(lǐng)土面積的一半以上。隨著凍融循環(huán)的反復(fù)發(fā)生,凍土層中的水分相應(yīng)地出現(xiàn)相變與遷移,導(dǎo)致凍土層發(fā)生變形,產(chǎn)生凍脹、融沉等一系列工程事故。因此,掌握季凍區(qū)地基土體凍融循環(huán)下的變形規(guī)律尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土體凍脹融沉破壞進(jìn)行了大量的研究,王曉剛[1]、白清波等[2]運(yùn)用Comsol自定義板塊建立了凍土水熱力耦合模型,模擬得到凍結(jié)過程中土體各部分溫度的變化規(guī)律及水分分布規(guī)律;鄭勛等[3]通過對(duì)土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在凍結(jié)過程中土體原有結(jié)構(gòu)遭到破壞,土體顆粒級(jí)配會(huì)重新分布,連續(xù)的凍融還會(huì)產(chǎn)生使土的遷移通道擴(kuò)大、鹽分和水分遷移量增加、強(qiáng)度降低等一系列削減土體工程性質(zhì)的危害;郭浩天[4]得出長春粉質(zhì)黏土土水特征曲線VG、BC模型的參數(shù),驗(yàn)證了土體基質(zhì)在非飽和土的土顆粒之間起到連接作用和對(duì)孔隙水的驅(qū)動(dòng)作用。李海洋等[5]建立 Fisher判別分析模型對(duì)土樣進(jìn)行融沉等級(jí)的判定,為多年凍土區(qū)凍土融沉等級(jí)的判定提供參考。丁雪濤等[6]通過對(duì)長春地區(qū)粉質(zhì)黏土進(jìn)行凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到不同影響因素條件下抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的特征曲線。對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)土體力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟,但對(duì)于季節(jié)性凍土區(qū)輸電線塔桿基礎(chǔ)穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少,為分析季節(jié)性凍土區(qū)輸電線塔桿偏移的原因,本文從外界環(huán)境變化和凍融循環(huán)作用兩方面入手,分析季節(jié)性凍土區(qū)塔桿基礎(chǔ)偏移的原因。

筆者以遼源某季節(jié)性凍土區(qū)建設(shè)工程為依托,基于Comsol多物理場耦合作用,得出凍融循環(huán)作用下土體的水分、溫度分布和凍脹變形的變化規(guī)律,分析造成輸電線塔桿產(chǎn)生偏移的原因。

1 凍融對(duì)基礎(chǔ)偏移的理論分析

在季節(jié)性凍土區(qū),建筑物普遍受到凍脹融沉破壞作用,由于初冬氣溫降低,導(dǎo)致土體從表層開始凍結(jié),由于水分的遷移作用,土體表層以及基礎(chǔ)表面產(chǎn)生大量帶有冰晶的土體,使基礎(chǔ)與周圍土體產(chǎn)生膠結(jié)作用,為切向凍脹力的產(chǎn)生提供條件。同樣,隨季節(jié)升溫,土體融化時(shí),大量的固體冰融化為水,賦存于混凝土周圍,導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍的土體結(jié)構(gòu)弱化,建筑物底部抗彎強(qiáng)度減弱,基礎(chǔ)容易產(chǎn)生傾斜破壞。圖1為凍結(jié)前塔桿基礎(chǔ)周圍土體水分分布遷移圖,圖2為凍結(jié)過程中水分分布遷移圖。

圖1 初始水分分布圖

圖2 水分分布遷移圖

1.1 凍脹對(duì)基礎(chǔ)偏移的理論分析

在凍結(jié)過程中,由于切向凍脹力的產(chǎn)生,季節(jié)性凍土區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的凍脹破壞,凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y(jié),造成土體體積增大9%,但由于外界水分在土中遷移到冰水相變區(qū)并產(chǎn)生凍結(jié),導(dǎo)致體積增大至原來土體的1.09倍。所以飽水土體在開放體系下的分凝凍脹是土體凍脹的主要分量。分凝凍脹的機(jī)理包含土中水分遷移與成冰兩個(gè)物理過程。前者主要受土體基質(zhì)的吸附作用以及孔隙的毛細(xì)作用、滲透系數(shù)和遷移量等因素的影響,后者則取決于界面狀態(tài)、冰晶生長情況等因素。土體凍脹變形大都是由于分凝凍脹產(chǎn)生的,原位凍脹只占很小一部分。由于土體凍脹的產(chǎn)生是因?yàn)樗Y(jié)成冰造成的體積膨脹,所以可以根據(jù)體積含冰量的變化來預(yù)測土體體積凍脹量。

1.2 融沉對(duì)基礎(chǔ)偏移的理論分析

由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)大于基礎(chǔ)土體的導(dǎo)熱系數(shù),故當(dāng)溫度降低時(shí)基礎(chǔ)周圍土體先被凍結(jié),土體顆粒表面的負(fù)電荷構(gòu)成電場的內(nèi)層,當(dāng)溫度降低到0 ℃以下時(shí),土中的自由水先凍結(jié)成冰。溫度繼續(xù)降低,土顆粒周圍的結(jié)合水會(huì)發(fā)生凍結(jié),電場平衡遭到破壞。未凍區(qū)土顆粒周圍的水分被源源不斷地吸引到已凍結(jié)土顆粒四周,直至電化學(xué)勢(shì)再次達(dá)到平衡[3]。電場的再平衡過程導(dǎo)致凍結(jié)過程中土體周圍富含冰晶,當(dāng)氣溫回升后,由于導(dǎo)熱系數(shù)存在差值,所以混凝土周圍的土體先融化,導(dǎo)致大量水分賦存于基礎(chǔ)周圍,削減地基抗彎強(qiáng)度,致使地基結(jié)構(gòu)弱化。

1.3 凍融對(duì)顆粒級(jí)配的理論分析

因?yàn)閱挝籱m的土顆粒接觸應(yīng)力最大可達(dá)500 MPa,同樣可以推斷在土壤中粗粒礦物成冰的過程中,土顆粒之間的節(jié)理產(chǎn)生并且擴(kuò)大,其中閉合節(jié)理發(fā)生擴(kuò)張,從而造成粗粒土的分裂現(xiàn)象,而在黏土顆粒中,由于黏土顆粒的雙電層作用,大量未凍水分子以結(jié)合水的形式存在,單位質(zhì)量含水率大于粗粒土的,在雙電層作用下反而會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚作用,經(jīng)過凍融循環(huán)粉粒級(jí)顆粒微觀分析發(fā)現(xiàn),粉粒級(jí)土體是以細(xì)砂為核心的,黏土顆粒是包裹的土顆粒團(tuán)聚體,所以在凍融循環(huán)作用下粉粒級(jí)可以向細(xì)粒級(jí)轉(zhuǎn)變,黏土級(jí)顆?？梢韵虼至＜?jí)轉(zhuǎn)變,故在多次凍融循環(huán)作用后,土顆粒會(huì)向某個(gè)粒組富集,使得土體滲透性增大,塑性指數(shù)減小,從而削減地基的工程性質(zhì)。

為預(yù)測輸電線塔桿地基凍脹融沉后的水分分布情況,本文采用Comsol軟件對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)地基溫度、水分和變形情況進(jìn)行預(yù)測。

2 凍土物理場方程和參數(shù)的確定及模擬過程

2.1 物理場方程確定

將相變潛熱作為熱源[2],采用克拉伯龍方程來模擬土體凍結(jié)過程中溫度場和水分場的變化。

1)土體溫度場方程確定為

(1)

式中:T為土體實(shí)時(shí)溫度,℃;t為時(shí)間,s;θ為土體體積含水率;ρ為土體密度,g/cm3;ρI為土中冰的密度,g/cm3;L為冰水相變潛化熱。

根據(jù)固液比定義將體積含冰量和體積含水率相連接,θI=BI(T)·θu。

式(1)與Comsol中偏微分方程相對(duì)應(yīng)可得

(2)

與偏微分方程相對(duì)應(yīng)可得

(3)

2)土體水分場方程確定為

(4)

式中θu為凍土中未凍水的體積含量,θI為孔隙冰的體積含量,k為重力加速度方向的非飽和土體滲透系數(shù),θs為土體體積飽和含水率,θr為殘余體積含水率。

凍土中水的擴(kuò)散率計(jì)算為

(5)

將未凍水含量與初始含水率用未凍水經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式進(jìn)行組合求解:

(6)

式中:Tf為粉質(zhì)黏土凍結(jié)溫度,℃;ω0為初始含水率;ωu為相應(yīng)溫度下未凍水含量;B為常數(shù),當(dāng)土體為粉質(zhì)黏土?xí)r,經(jīng)驗(yàn)取值為0.56。

根據(jù)式(6)的描述可知初始體積含水率、未凍水和溫度3者關(guān)系。

3)粉質(zhì)黏土應(yīng)變場方程確定

一般粉質(zhì)黏土凍結(jié)體積的應(yīng)變和含冰量有關(guān),根據(jù)粉質(zhì)黏土凍結(jié)變形系數(shù)可得:當(dāng)ωθI(x,y)>0.000 3時(shí),粉質(zhì)黏土變形系數(shù)[3]為

η(x,y)=0.008 9ωθI(x,y)-0.000 3,

(7)

式中ωθI(x,y)為含冰量θI(x,y)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),表示為

ωθI(x,y)=0.9θI(x,y)-0.000 3。

(8)

2.2 模擬參數(shù)確定

本文采用VG模型對(duì)土水特征曲線進(jìn)行擬合,VG模型表示為

(9)

式中:θw為粉質(zhì)黏土體積含水率,%;θs為飽和體積含水率,%;θr為粉質(zhì)黏土殘余體積含水率,%;s為粉質(zhì)黏土基質(zhì)吸力,kPa。

根據(jù)測試的粉質(zhì)黏土體土水特征曲線參數(shù)[4],可知a、m、θs、θr的取值,ks為土體滲透系數(shù),通過

薄壁滲透儀測定(表1)。

表1 滲透系數(shù)測定 單位:cm/s

最終測定遼源地區(qū)粉質(zhì)黏土滲透系數(shù)為5.234×10-8,水力學(xué)模型參數(shù)見表2。

表2 材料的水力學(xué)模型參數(shù)

為考慮凍結(jié)過程中土體力學(xué)性質(zhì)改變,土體的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ、彈性模量E、泊松比ν計(jì)算公式為

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均為試驗(yàn)常數(shù),T表示土溫,m通常選取0.6。凍結(jié)過程中土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表3。

表3 力學(xué)系數(shù)

本模型參數(shù)選取參照《凍土物理學(xué)》《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》等,仿真模型參數(shù)見表4。

表4 仿真模型參數(shù)

2.3 模擬過程

為預(yù)測遼源地區(qū)輸電線塔桿基礎(chǔ)在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),土體內(nèi)部水分、溫度的變化規(guī)律,根據(jù)輸電線塔桿凍脹融沉影響范圍,建立10m×10m×2m的長方體仿真模型,塔桿位于模型中心,底部基礎(chǔ)直徑設(shè)定為46.4cm,通過Comsol軟件建立模型(圖3)。

圖3 模型網(wǎng)格剖分圖/m

將基礎(chǔ)土體體系建立為三維的軸對(duì)稱模型,基礎(chǔ)埋深設(shè)為1.5m,根據(jù)塔桿周圍土體凍脹影響范圍確定土體地基建模范圍,根據(jù)物理場要求進(jìn)行網(wǎng)格剖分,剖分為1 884個(gè)邊界單元和192個(gè)邊單元。完整網(wǎng)格包含30 328個(gè)域單元、3 182個(gè)邊界單元和 256個(gè)邊單元。

初始邊界條件設(shè)定。將凍結(jié)溫度邊界條件設(shè)定為-25 ℃,土體初始含水率配比均勻,初始飽和度均為0.6,換算初始含水率為26.1%。試驗(yàn)初始溫度設(shè)為33.85 ℃,凍結(jié)管制冷溫度設(shè)定為-25 ℃。凍結(jié)20d,融化20d,凍結(jié)過程水分場、溫度場和變形場模擬云圖如圖4～12所示。為使結(jié)果清晰可見,圖5～6、圖9～11均為局部放大圖,圖12為凍脹量最大時(shí)變形模擬云圖。

圖4 0 h溫度場分布模擬云圖

圖5 300 h溫度場分布模擬云圖

圖6 600 h溫度場分布模擬云圖

圖7 960 h溫度場分布模擬云圖

圖8 0 h水分場分布模擬云圖

圖9 300 h水分場分布模擬云圖

圖10 600 h水分場分布模擬云圖

圖11 960 h水分分布模擬云圖

圖12 預(yù)測凍脹變形模擬云圖

2.3.1 溫度變化過程

根據(jù)模擬過程中,由圖5模擬結(jié)果可得,基礎(chǔ)周圍土體凍結(jié)初期,由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)大于土體的,故混凝土周圍率先降溫,在同一高度,土體凍結(jié)過程中,基礎(chǔ)周圍的溫度已經(jīng)降低至-24.35 ℃,而遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的最低溫度為-20.25 ℃,由于溫度梯度的差異,導(dǎo)致水分沿著溫度梯度減小的方向遷移,冰晶薄層吸附于混凝土周圍,將土體與基礎(chǔ)膠結(jié)在一起,為基礎(chǔ)土體體系共同上拔提供媒介,土體在凍脹過程中,體積變化的主要原因是土中水分凍結(jié)成冰產(chǎn)生的體積膨脹,由此便可根據(jù)含冰量的變化預(yù)測土體凍結(jié)后的體積膨脹量,這也為計(jì)算季節(jié)性凍土區(qū)土體體積膨脹提供了一種簡便的方法[1]。

2.3.2 土體水分、凍脹變形變化過程

當(dāng)20d凍結(jié)結(jié)束時(shí),根據(jù)圖12的模擬結(jié)果同樣可以得出,土體自由平面最終變形量可以達(dá)到4.43cm,基礎(chǔ)最終上拔量可達(dá)6.84cm。當(dāng)溫度回升,地基土體融化過程中,基礎(chǔ)周圍的土體融化速度大于同一高度其他位置的。如圖10所示,融化過程中,在凍融界面交界處,基礎(chǔ)周圍飽和度已經(jīng)達(dá)到了0.490 8,而同一高度的其他位置飽和度依然處于0左右。同樣由圖11可得,基礎(chǔ)底部,當(dāng)遠(yuǎn)離基礎(chǔ)的土體未融化時(shí),基礎(chǔ)周圍土體含水率已達(dá)到11.52%,由此可見,由于混凝土與土體導(dǎo)熱系數(shù)的差異,以及含冰量的賦存與凍融界面的阻礙作用,導(dǎo)致大量水分滯留在凍融界面,凍融界面含水率逐漸增大,基礎(chǔ)周圍土體力學(xué)性能受到嚴(yán)重的削減,由此可能造成基礎(chǔ)失穩(wěn)的情況。

3 環(huán)境變化對(duì)基礎(chǔ)偏移的影響

為預(yù)測輸電線塔桿四季隨凍融循環(huán)變化的規(guī)律,尋找塔桿基礎(chǔ)薄弱的時(shí)間段,以遼源地區(qū)粉質(zhì)黏土為例,結(jié)合遼源地區(qū)季節(jié)溫度變化,進(jìn)一步分析塔桿在工作中產(chǎn)生偏移的時(shí)間段,為塔桿預(yù)警前期工作做好充足準(zhǔn)備。

采用正弦函數(shù)對(duì)遼源地區(qū)溫度變化進(jìn)行模擬,得到擬合方程為

(14)

式中:t為時(shí)間,h;T為溫度,℃。

將所得方程帶入邊界初始條件,得到遼源地區(qū)預(yù)測未來兩年內(nèi)溫度函數(shù)曲線(初始時(shí)間為每年的7月30日),如圖13所示。

圖13 預(yù)測遼源地區(qū)未來兩年的溫度變化

圖14～17為遼源地區(qū)預(yù)測每年在固定時(shí)間段凍脹過程中溫度、水分變化模擬云圖,圖18為最大凍脹位移模擬云圖。

圖14 預(yù)測11月中旬溫度模擬云圖

圖15 預(yù)測4月中旬溫度模擬云圖

圖16 預(yù)測11月中旬水分模擬云圖

圖17 預(yù)測4月中旬水分模擬云圖

圖18 預(yù)測1月份最大凍脹量模擬云圖

根據(jù)遼源氣象局報(bào)告可以得到,遼源氣候?qū)贉貛Т箨懶园霛駶櫄夂蝾愋汀?月份達(dá)到全年最低氣溫,通過模擬可知:基礎(chǔ)凍脹量達(dá)到最大值為15.6cm,土體最大凍脹量為7.99cm。預(yù)測每年的11月15日凍結(jié)過程中,同一高度,接近基礎(chǔ)的位置含冰量要高于其他位置,凍結(jié)過程基礎(chǔ)周圍含冰量的增加,凍結(jié)前初始飽和度設(shè)為0.6,預(yù)測每年的4月16日融化過程可以通過圖17觀察到,圖中黃色區(qū)域飽和度已經(jīng)達(dá)到0.62,基礎(chǔ)底部周圍土體飽和度更是達(dá)到1.0,粉質(zhì)黏土飽和含水率為43.44%,而同一高度其他位置的土體未融化,并且遼源地區(qū)春季大風(fēng)天氣較多,風(fēng)力最大月份大概在3—4月份,最大風(fēng)速可達(dá)30m/s。此時(shí)恰是春天來臨,溫度回升,是土體融化的月份,基礎(chǔ)處于最不穩(wěn)定階段,經(jīng)前述模擬結(jié)果分析可知,當(dāng)土體含水率過大時(shí),土體抗彎強(qiáng)度降低,基礎(chǔ)周圍融化土體部分含水率較高,當(dāng)風(fēng)力作用于輸電線塔桿時(shí),輸電線基礎(chǔ)底部抗彎強(qiáng)度不足以保持穩(wěn)定,故輸電線塔桿會(huì)發(fā)生偏移。

4 結(jié)論

1)使用仿真模擬軟件建立季節(jié)性凍土區(qū)輸電線塔桿基礎(chǔ)凍脹融沉水熱力耦合模型,確定凍融循環(huán)對(duì)輸電線塔桿穩(wěn)定性的影響,利用多物理場耦合作用分析塔桿產(chǎn)生偏移的原因。

2)通過仿真模擬方式得到,在為期40d凍融循環(huán)后,基礎(chǔ)底部土體的含水率由原來的26.1%增加為43%。

3)將遼源地區(qū)環(huán)境變化與工程破壞原因相關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)塔桿基礎(chǔ)抗剪強(qiáng)度的薄弱月份為4月,預(yù)測地基強(qiáng)度薄弱時(shí)間可以為工程防護(hù)提供參考。