冻土线路地基与基础处理方案.docx

冻土线路地基与基础处理方案.docx

《冻土线路地基与基础处理方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冻土线路地基与基础处理方案.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

冻土线路地基与基础处理方案

.

容提要

输电线路经过冻土地区，进行详细的地质调查和收资，掌握沿线冻土性质、融沉等级、地温分布、水文地质情况、季节冻结层的冻涨等级是关键。

季节性冻土地段,存在于本工程河谷、河漫滩、地下水埋藏较浅的地段,最大冻结深度围的粉土、粘性土及粉砂具有冻涨性，冻涨级别为冻涨-强冻涨。

本专题结合呼伦贝尔地区季节性冻土地段的特点和我院在同类地基上基础防冻设计的经验，对季节性冻土地区基础型式及地基处理方案进行了分析研究，在冻涨土地基选择了梯形斜面基础，在强冻涨且地下水位很浅的跨河及沼泽地段，浅基础无法施工的塔基，选择了钻孔灌注桩基础。

多年冻土地段，根据呼伦贝尔地区多年冻土的类型、埋藏深度、融沉等级，提出了地基与基础的处理方案，在弱融沉的多冰冻土地基，采用了施工运行期允许融化的设计原则，推荐采用了梯形斜面基础，地基基底进行了清除多冰冻土的措施，防止地下冰融化导致的基础下沉。

在属融沉等级的富冰冻土地基，采用保持地基冻结状态的设计原则，利用冻结状态的多年冻土作地基，选择了钻孔灌注桩基础。

专业资料．

.

1呼伦贝尔段冻土分布及特点…………………………………………………1

2季节性冻土地区线路地基与基础设计…………………2

2.1冻涨对送变电工程造成的危害……………………………………………2

2.2季节性冻土地区线路地基与基础设计的主要原则…………………4

2.3季节性冻土地区线路地基与基础通常采取的处理措施………………4

2.4季节性冻土地段地基与基础处理方案………………………5

2.5季节性冻土地段地基与基础处理方案的选择……………………8

3多年冻土地区线路地基与基础设计……………………………9

3.1多年冻土融沉对送电线路造成的危害……………………………10

3.2多年冻土地区线路地基与基础设计的主要原则………………………11

3.3多年冻土的融沉性分析………………………………………11

3.4多年冻土地区线路地基与基础设计方案………………………15

3.5多年冻土地区线路地基与基础设计方案的选择………………………15

4结论性意见………………………………………………………………16

专业资料．

.

1呼伦贝尔段冻土分布及特点

本工程线路穿行于呼伦贝尔市的鄂温克旗、新巴尔虎左旗，穿越大兴安

岭，属严寒地区。

河谷、河漫滩及地下水埋藏较浅地段围的粉土、粘性土以及粉砂均具冻胀性，级别为冻胀～强冻胀,最大冻结深度3.12m，属季节性冻土。

在上述区域的局部地段存在多年冻土，多年冻土主要分布于惠腾高勒河谷滩地及哈拉哈河谷滩地、阶地，长度约5.6km。

其次零星分布于背阴山坡处。

属于高纬度多年冻土，呈岛状分布，整体及层状构造，类型主要为多冰和富冰冻土，冻土一般厚度在1～5m,上界为3～6m，下界为4～10m。

根据我院调查资料，该冻土层融沉类别为弱融沉～融沉。

多年冻土是冻结状态持续多年而不融的冻土,多年冻土常存在于地面下的一定深度，其上部接近地表部分，往往亦受季节性影响，冬冻夏融，此冬冻夏融的部分常称为季节冻融层。

因此,多年冻土地区常伴有季节性冻结现象。

根据电网公司《±500kv呼伦贝尔-直流送电线路工程（呼伦贝尔段）设计招标文件》的有关要求，针对线路所经地区冻土地段的地形、地质、水文、施工条件、塔位分散等特点，借鉴建筑部门在冻土地区进行工程建设的经验，充分认识沿线冻土的类型、危害程度，掌握其发生、发展的科学规律。

通过对沿线冻土工程地质条件及冻土地基的调查，采取合理的处理措施和方法。

本专题针对季节性冻土、多年冻土两类不同类型冻土的特点，进行地基与基础的设计分析研究，选择合理的基础方案及处理措施,确保线路的可专业资料．

.

靠运行。

2季节性冻土地段地基与基础的设计

2.1冻涨对送变电工程造成的危害

本工程地处高寒地区,送电线路冻土地区地基与基础的防冻涨处理是至关重要的,设计中务必给予足够重视。

在呼伦贝尔冻土地区输变电工程多次发生建、构筑物的冻涨破坏，均属基础设计及施工不当造成。

冻涨对送变电工程造成的危害主要案例如下所述：

呼伦贝尔的根河市处于大兴安岭地区，110kv变电站于2003年建成投产。

2005年主建物及设备支架，因冻涨导致墙体开裂、设备支架倾斜，严重影响了变电站的正常运行。

经对本次冻害的调查分析表明，在基础设计中，虽然考虑了将基础埋置深度埋在了标准冻结深度之下，但是没有采取消除切向冻涨力的措施，是导致这次冻涨事故发生的主要原因。

（见图一）

图一

海拉尔至牙克石220kv送电线路工程于1997年12月建成投产，2003年位于东大泡子附近的N29号塔灌注桩基础因冻涨导致桩顶倾斜、联梁与专业资料．

.

桩身连结处开裂、铁塔倾斜，线路不能正常运行，N29号塔灌注桩基础不得不向大号侧移位后重新施工，给生产运行造成了损失。

经对本次冻害的调查分析表明，基础入土深度满足正常设计荷载和克服切向冻涨力验算所需的设计深度，该线路在东大泡子附近的其它4基相同塔型、相同地质条件、相同埋深的灌注桩基础运行正常，均未发生此类冻害事故的发生。

这次N29号塔灌注桩基础冻涨事故发生的主要原因，是该灌注桩基础施工时桩身在冻结深度围的部分出现约2.0m扩大头,导致在法向冻涨力作用下，造成桩向上拱起（见图二）、倾斜开裂、不能使用。

2003年，N29号塔灌注桩基础在移位按原设计图纸重新施工后，运行至今状态良好，均未再次发生此类冻害事故的发生。

实践证明，在强冻涨地段灌注桩基础的施工，保证冻深围桩身光滑、不出现扩大头现象，是灌注桩基础稳定的首要条件之一，应引起施工单位的高度重视。

图二

伊图里河至阿里河66kV线路穿行于呼伦贝尔市围的大兴安岭地区，该线路工程于1976年建成投产。

在强冻涨的沼泽地及山凹地下水位较高地专业资料．

.

区，在冻融循环的反复作用下，杆塔倾斜严重，基础向上拱起（见图三），铁塔主材弯曲，严重影响线路的正常运行（见图四）。

图三

图四

导致这次冻涨事故发生的主要原因是按旧的《送电线路基础设计规程》中规定，对于碎石、卵石、中粗砂，不论天然含水量大小，均属不冻涨的。

因此，没有对该类地基土采取抗冻涨措施，造成此类冻害事故的发生。

专业资料．

.

经过对以往工程冻害的调查分析证明，今后的工程应严格按照现行的《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）的规定，根据不同的工程地质条件及各类土的天然含水量，进行地基土冻涨类别划分，采取相应措施，消减冻涨力和进行基础极限抗冻拔稳定验算，确保不再发生此类冻害事故。

2.2季节性冻土地区线路地基与基础设计的主要原则

冻土地区线路基础设计的关键决定于冻土地基的特性，铁塔基础设计时，首先要判明冻土地基存在的可能，当存在冻土地基时，基础的埋置深度应大于地基土的标准冻结深度。

按《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）附录C3的要求，划分地基土冻涨类别（见下表），根据不同的工程地质条件，采取相应措施，消减冻涨力和进行基础极限抗冻拔稳定验算。

地基土的冻涨性分类

土的名称

天然含水量w%

冻结期间地下水位低于冻结的最小距离m

冻胀性类别

碎（卵）石，砾，粗、中砂（粒经小于的颗粒含0.075mm，细纱量大于）15%（粒经小于的颗粒含0.075mm10%

量大于

12≤W

1.0＞

不冻胀

1.0≤

弱冻胀

18

≤12＜W

1.0＞

1.0≤

冻胀

W＞18

0.5

＞

≤0.5

强冻胀

粉砂

W≤14

1.0

＞

不冻胀

专业资料．

.

1.0

≤

弱冻胀

19≤14＜W

1.0＞

1.0≤

冻胀

23≤19＜W

1.0＞

1.0≤

强冻胀

23W≥

不考虑

特强冻胀

粉土

19≤W

1.5＞

不冻胀

1.5≤

弱冻胀

22W≤19＜

1.5＞

1.5≤

冻胀

26≤22＜W

1.5＞

1.5≤

强冻胀

30＜26W≤

1.5＞

1.5≤

特强冻胀

30＞W

不考虑

粘性土

Wp+2W≤

2.0＞

不冻胀

2.0≤

弱冻胀

Wp+5WWp+2＜≤

2.0＞

2.0≤

冻胀

Wp+9W＜Wp+5≤

2.0＞

2.0≤

强冻胀

Wp+15W＜Wp+9≤

2.0＞

2.0≤

特强冻胀

Wp+15＞W

不考虑

专业资料．

.

。

—塑限含水量，%注1:

Wp

—在冻土层冻前天然含水量的平均值。

注2:

W22时，冻胀性降一级。

塑性指数大于注3:

60%时为不冻胀土。

4:

粒经小于0.005mm的颗粒含量大于注时，其冻胀性按充填物土的类别判碎石类土当充填物大于全部质量的40%注5:

定、细砂）0.075mm的颗粒含量不大于15%注6:

碎石土、砾砂、粗砂（粒经小于均按不冻胀考虑。

10%0.075mm的颗粒含量不大于（粒经小于

基础极限抗冻拔稳定验算，冬季最大风速资料应在工程初步设计中确％，或根据工程设计经验确定，当无资料时可取正常最大设计风荷载的60定。

季节性冻土地区基底持力层不允许残留冻土，如发现基底受冻应在基础浇制前予以清除，并铺设垫层，保证地基土稳定。

外，尚应验算在切向冻涨力作用常规设计容在季节性冻土地区除考虑下基础的稳定性，若不满足要求，或改变基础型式或采取相应的防冻害措施。

2.3季节性冻土地区线路地基与基础通常采取的处理措施冻土地区对基础造成危害的原因是作用于基础上的切向冻涨力。

国外送电线路铁空工程界进行了大量的实验研究,总结出许多有效方法，由于架塔布置地域分散，工程地质条件多变复杂，在建筑行业常用的基础设计方法和措施，因经济指标较高或因方案复杂而无条件实施，能够直接取用的我院在东部地区送电线路工程中积累了大量的工程设计经验，方法有限，专业资料．

.

综合以往工程设计和国外工程界的实验研究结果，比较适用于送电线路地基与基础的有如下几种处理方法：

2.3.1换填法

利用非冻涨性材料（如中砂、粗砂、卵石等）置换基础周边一定围的冻涨性土体，避免切向冻涨力作用于基础上，（见图五）

图五

用基侧填砂来防止切向冻涨力是一个即简便又经济的好办法，但它仅适用于地下水位之上，如果所填之砂达到饱和状态和含泥量过多，在冻结时土与基础周围坚固地冻结在一起有较高的冻结强度，就会失去效果。

施工时必须保证换土宽度不小于基础底板的宽度，才能保证安全可靠。

2.3.2梯形斜面基础

该基础是将基础设计成图六的型式，国外工程界进行的试验研究结果表明，其侧面坡度≥1：

7为宜，从试验的数据看，切向冻涨力确实不小，专业资料．

.

因此，我们使用梯形斜面基础的目的，就是将基础侧面设计成不小于9度的斜面来消除切向冻涨力，这样可使基础受力清楚，计算准确，安全可靠。

（见图六）

图六

关于（其截面为上小下大斜面）梯形斜面基础防切向冻涨力的问题早有简单地报道,但都认为它是锚固基础的一种,即用下部基础断面中的扩大部分来阻止切向冻涨力将基础抬起,类似于带扩大板的自锚式基础。

这种作用对将基础埋深设在冻层之的浅基础毫无意义。

实验证明用斜面基础抵御切向冻涨力当β角大于等于9度时基础稳定的原因,不是由于冻涨力被下部扩大部分给锚住，而是由于在倾斜面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂，切向冻涨力退出工作造成的。

应该说明的是,在冻涨土层围之的基础扩大部分根本起不到锚固作用,因在上层冻涨时基础下部所出现的锚固力,专业资料．

.

等冻深发展到该层时,随着该层的冻涨而消失了,只有处在下部未冻土中且扩大端顶面也深入到标准冻深线以以下的基础的括大部分才起锚固作用,我们所说的浅埋基础根本不存在这一深入未冻土层中的部分。

（见图七）

图七

用斜面基础防切向冻涨力具有如下特点：

a在冻涨作用下，基础受力明确，技术可靠，当其倾斜角β大于等于9度时，将不会出现因切向冻涨力作用而导致冻害事故的发发生；

b不但可以在地下水位之上，也可在地下水位之下应用；

c耐久性好，在反复冻融作用下防冻涨效果不变；

d不用任何防冻涨材料就可解决切向冻涨问题；

e该种基础施工时较常规基础相比稍有麻烦,基础表面要求光滑。

2.3.3桩基础

采用桩基础,就是利用深基础在不冻土中的桩土间摩擦力（或冻结阻力）

专业资料．

.

平衡冻涨土区域作用于铁塔基础上的切向冻涨力。

深基础一般用于地基软弱的强冻涨地段。

基础入土深度应满足正常设计荷载和克服切向冻涨力验算所须的设计深度，但是要保证基础施工时桩在冻深围桩身光滑、不出现扩大头现象。

一般采用钻孔灌注桩基础或打入式桩基础。

2.4季节性冻土地段地基与基础处理方案

根据我院现场地质调查表明，本工程河谷、河漫滩及地下水埋藏浅的地段最大冻结深度3.12m围的粉土、粘性土及粉沙有冻涨性，级别为冻涨-强冻涨的具体情况,基础必须采取防冻涨措施，以避免送电线路因地基土冻涨，基础失稳而发生倒塔事故，对于线路地基冻涨的问题,提出如下二个处理方案:

2.4.1方案一

根据对冻土地段现状、地质构造调查，地基稳定性评价分析与实践，结合我院在东部地区线路工程设计的成功经验，对于阶地地下水位埋藏较深的冻涨地基,可利用非冻涨材料（如中砂、粗砂、卵石等），置换基础周边围的冻涨性土体，避免切向冻涨力作用于基础上。

此方法仅适用于地下水位之上的地基，采用时应根据工程水文地质条件逐基确定，基础的埋置深度应大于地基土的标准冻结深度，才能保证安全可靠。

2.4.2方案二

对于地下水位较浅的跨越河谷及大开挖施工困难的沼泽地段的强冻涨地基，结合水文资料（包括洪水、淹没、冲刷及河床演变）和冻土工程地质条件，确定采用钻孔灌注桩基础。

该种深基础型式施工方便，减少了地下水位较高地区，粉质土体流动，大开挖施工困难带来的诸多不便，是跨专业资料．

.

河及地下水位较高的软弱地基地段广泛采用的基础型式。

桩基入土深度应满足正常设计荷载和克服切向冻涨力验算所需的设计深度。

承台或框架联梁下留出一定的空隙，或在空隙充填松软材料，防止在强冻涨土中产生的法向冻涨力将桩基和联梁拱坏。

对于可以进行大开挖施工的具有冻涨性或强冻涨地段的地基均采用梯形斜面基础，该种基础型式我院在东部220kV线路联网工程中得到广泛应用。

（见下表）

东部地区线路工程梯形斜面基础使用数量统计表

？

工程名称

梯形基础用量（基）

投产时间

占铁塔基础数量的百分数％

-牙忠220kv线

225

月2003年3

71.8

220kv忠-扎线

206

月2003年3

63

220kv线-海扎

62

年6月2004

12.4

220kv友-伊线

35

月年200412

19

220kv-扎音线

171

2004年11月

35.8

220kv-音乌线

87

11月2004年

33

220kv-乌突线

110

112005年月

38

线220kv-突九

193

年200511月

45

呼伦-满洲里220kv线

71

122005年月

63

在上述工程应用中证明，用梯形斜面基础克服切向冻涨力是最有效措施之一,以上工程投运至今，没有出现因切向冻涨力作用而导致的基础倾斜、铁塔主材弯曲等冻害事故的发生，基础是稳定的。

2.5季节性冻土地段地基与基础处理方案的选择

专业资料．

.

从上述两方案的比选中可知，换填法虽然防止切向冻涨力是一个即简便又经济的好办法，但沿线冻涨-强冻涨地段多为河谷、河满滩及阶地，地下水位埋藏较浅，约为0.5-2.0m,采用换填法,在地下水位之下,防冻涨质量不易保证。

故在季节性冻土地段推荐采用即可在地下水位之上应用，也可在地下水位之下应用的梯形斜面基础作为本工程季节性冻土地段基础的首选方案。

在跨河及强冻涨的沼泽地段，浅基础无法实施的地基采用钻孔灌注桩基础的方案。

桃花水即积雪融水，多发生在诸如呼伦贝尔市的高寒且降雪量大的大兴安岭地区，由于此类地区，冬季降雪大部分要积累在来年4月份以后才开始融化，致使积雪融水集中，流量较大。

而4月份以后天气变暖也正是电力工程施工的好季节，在河漫滩及沼泽地段的基础施工将受到影响,建议施工时减少不必要的损失。

采取防洪措施或避开积雪融水泛滥的季节,3多年冻土地段线路地基与基础设计

3.1多年冻土融沉对送变电工程造成的危害

本工程地处高寒地区,送电线路多年冻土地区地基与基础的防融沉处理是至关重要的,设计中务必给予足够重视。

在呼伦贝尔冻土地区输变电工程多次发生建、构筑物的冻涨破坏，均属基础设计及施工不当造成。

融沉对送变电工程造成的危害主要案例如下所述：

其上部接近地表部分，往往亦受季节性影响，冬冻夏融，此冬冻夏融的部分常称为季节冻融层。

因此,多年冻土地区常伴有季节性冻结现象。

其主要危害表现在公路地基融沉、路面下沉而不能使用。

铁塔基础地基融沉，造成基础下沉，严重影响线路的正常运行。

专业资料．

.

3.2多年冻土地段线路地基与基础设计的主要原则

本工程多年冻土主要集中在呼伦贝尔段惠腾高勒河谷滩地及哈拉哈河谷滩地、阶地、局部存在于背阴处山坡坡脚，多年冻土地区送电线路基础的设计务必给予足够重视，东部多年冻土地区此类构筑物的破坏，主要表现在冬冻夏融，如夏季地基土融沉，造成公路、铁塔基础下沉。

冬季季节性冻层冻涨向上拱起，反复作用，造成铁塔倾斜、主材弯曲、电杆卡盘基础拱出地面、电杆严重倾斜不能使用，均属处理措施及施工不当造成（见图八）。

八图

在工业与民用建筑领域对多年冻土地基基础的设计一般可以采取下列不同的设计原则:

（1）保持冻结法

就是始终保持地基处于冻结状态的设计方法,一般来说,当冻土厚度较专业资料．

.

大,土温比较稳定,或者是坚硬的和融陷性很大的冻土,采用保持冻结法比较合理,特别是对送电线路基础,如能采取措施,保证基础周围冻土地基温度不比天然状态高时,可按保持冻结法进行设计。

保持冻结状态的设计宜用于下列之一的情况：

a）多年冻土的年平均地温低于-1.0℃的地基;

b）持力层围的地基土处于坚硬的冻结状态；

c）最大融化深度围,存在融沉、强融沉、融陷性土及其夹层的地基。

（2）允许融化法

就是利用正在融化或融化后的土作为地基，融陷的承载力很高的土层埋深较浅；不连续分布的小块岛状冻土融陷量不大的冻土则采取允许融化的原则较为合理。

特别是对上部结构刚度较好或对不均匀沉降不敏感的结构物按允许融化原则进行设计。

当予估融陷量超过地基容许变形值时，也可采取人工予融法将冻土融化后再建基础。

或者适当加固地基（如换填融性不大的土等）按容许融化的原则设计时，要验算地基的强度（包括持力层和下卧层）。

在确定地基的承载力值时，所采用物理力学性质指标应尽量模拟以后地基的实际受力状态。

除强度验算外，还必须计算地基的变形，地基变形的计算方法和容许变形值与一般天然地基一样，仅需将压缩性指标换成正在融化中的土或已融土的变形性质指标，以便将融陷变形考虑进去。

允许融化状态的设计宜用于下列之一的情况：

a）多年冻的年平均地温为-0.5-1.0℃的场地;

b）持力层围的地基土处于塑性冻结状态;

专业资料．

.

c）在最大融化深度围,地基土为不融沉和弱融沉性土；

d）地基土逐渐融化的最大深度可根据《冻土地区建筑地基基础设计规》（JGJ118-98）附录B的要求确定。

3.3多年冻土的融沉性分析

本工程多年冻土主要存在于惠腾高勒河谷滩地及哈拉哈河谷滩地、阶地、局部存在于背阴处山坡坡脚，岛状分部，无规律，大多为冻土沼泽现象。

是多年冻土区适宜的水热环境条件下形成的，同时冻土沼泽的发育又促进冻土层形成，它可分为低位、中位、高位三种类型。

在蒙东部冻土区的泥炭沼泽多数由于下卧多年冻土或地下冰层的存在而形成，由于地面积水的温度很低，多长塔头（苔草墩）。

冻土沼泽现象多分布在河漫滩，阶地或台地上，在夏季可以钎探获得季节融化深度资料。

但是设计中必须注意冻土沼泽形成区的多年冻土或地下冰和季节融化层的热平衡状况，合理的确定多年冻土的融沉等级是至关重要的。

关于多年冻土的融沉性问题,我国的建筑科研部门作了大量工作,将多年冻土的融沉性，主要以土的类别、总含水量，根据平均融沉系数的大小，：

融沉可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉、融陷五级。

见下表

专业资料．

.

土的名称专业资料

总含水量w（%）

平均融沉系数δo

融沉.等级

融沉类别

碎（卵）石，砾、粗、中<0.（粒径砂量含㎜、<15%）

w<10

δ≤1o

Ⅰ

不融沉

w≥10

1<δ≤3o

Ⅱ

弱融沉

碎（卵）石，砾、粗、中<0.砂（粒径含、㎜）量>15%

w<12

δ≤1o

Ⅰ

不融沉

12≤w<15

≤31<δo

Ⅱ

弱融沉

15≤w<25

3<δ≤10o

Ⅲ

融沉

w≥25

10<δ≤25o

Ⅳ

强融沉

粉、细砂

w<14

δ≤1o

Ⅰ

不融沉

w<18

≤14

1<δ≤3o

Ⅱ

弱融沉

≤18w<28

δ≤103

Ⅲ

融沉

28w≥

10<δ≤25o

Ⅳ

强融沉

粉土

w<17

1δ≤o

Ⅰ

不融沉

w<21

17≤

3≤1<δo

Ⅱ

弱融沉

≤21w<32

3<δ10≤o

Ⅲ

融沉

w≥32

≤25δ10

Ⅳ

强融沉

粘性土

w

δ<1o

Ⅰ

不融沉

4

＋≤ww

3≤δ1

Ⅱ

弱融沉

≤+4w15

＋w

10≤δ3

Ⅲ

融沉

w+15≤w

pp

25≤δ10

Ⅳ

强融沉

含水冻层

w≥w35

＋p

>25δo

Ⅴ

融陷

.

工业与民用建筑、铁路、公路和电力等工程对冻土地基的融沉性适应程度是不相同的，一般对不融沉、弱融沉的构筑物基础设计时，无须考虑多年冻土地基融沉影响。

因为一般构筑物的主要结构在设计和使用过程中都容许有一定变形量，以适应地基的融沉性，但是当融沉