汪小鋒

0 引言

凍土按其是否隨外界溫度而周期性凍結(jié)、融化可分為季節(jié)凍土和多年凍土，其中季節(jié)性凍土分布區(qū)域約占我國領(lǐng)土面積一半以上，大部分地區(qū)季節(jié)性凍土的標準凍結(jié)深度為0.6～3 m。季節(jié)性凍土夏季融化，冬季凍結(jié)，常年交替，產(chǎn)生的凍脹作用造成建筑物基礎(chǔ)的上拔、融陷，嚴重時可導(dǎo)致上部建筑物傾斜、開裂等不可逆的工程問題。季節(jié)性凍土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)如不采取有效的抗凍拔措施，將嚴重影響結(jié)構(gòu)的使用安全。

電氣化鐵路中的接觸網(wǎng)支柱作為一種“輕軸力、重彎矩”的桿塔結(jié)構(gòu)，季節(jié)性凍土的凍脹作用對其影響更為嚴重。我國北方地區(qū)鐵路在運營過程中，經(jīng)過幾個凍融期后，部分接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)出現(xiàn)上拔、隆起現(xiàn)象，已嚴重影響鐵路的運營安全，對此類情況的處理往往需要花費很長的時間和極高的經(jīng)濟成本。為防止接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)產(chǎn)生凍拔現(xiàn)象，避免影響線路運營安全，在前期設(shè)計過程中就應(yīng)充分考慮，選擇合理的基礎(chǔ)形式，配以有效的抗凍拔措施。

1 季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱常采用的基礎(chǔ)形式主要包括臺階式擴展基礎(chǔ)、錐柱基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 基礎(chǔ)形式及抗凍拔示意圖

1.1 支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理

臺階式擴展基礎(chǔ)主要依靠基礎(chǔ)下部臺階擴大段來抵抗切向凍脹力對基礎(chǔ)的凍拔作用，屬自錨式基礎(chǔ)，基底標高一般位于設(shè)計凍深線以下。凍脹發(fā)生后，當基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)臺階上部土體自重等合力大于切向凍脹力產(chǎn)生的上拔力時，基礎(chǔ)不會出現(xiàn)上拔現(xiàn)象。

錐柱基礎(chǔ)抵抗凍脹的原理與擴展基礎(chǔ)類似，不同主要在基礎(chǔ)短柱部分，擴展基礎(chǔ)短柱為上下等截面，錐柱基礎(chǔ)的短柱截面上小下大，當法向凍脹力作用于基礎(chǔ)短柱時，因其存在一定傾角，法向凍脹力將產(chǎn)生一個垂直向下的分力，該分力可與基礎(chǔ)上部荷載、基礎(chǔ)自重及臺階擴大段上部土體自重等疊加共同抵抗基礎(chǔ)凍拔破壞。相關(guān)研究表明，當基礎(chǔ)短柱上下截面傾角約為9°時，抵抗切向凍脹力的效果最好，JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]中也將該類形狀的基礎(chǔ)作為一種消除切向凍脹力的構(gòu)造措施。

樁基礎(chǔ)主要依靠樁身與土體間的摩擦力、擴底段與土體產(chǎn)生的自錨力（擴底樁）兩者合力來抵抗切向凍脹力產(chǎn)生的基礎(chǔ)上拔。采用樁基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)在設(shè)計凍深線以下需要具有一定的埋深才能提供足夠的抗拔力，當樁基礎(chǔ)上部產(chǎn)生的切向凍脹力過大時，還需對樁身截面及強度進行驗算，以保證基礎(chǔ)不被拔斷。

1.2 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型

對于接觸網(wǎng)支柱而言，基礎(chǔ)形式的選擇受諸多因素的影響。除獨立架設(shè)的供電線支柱外，接觸網(wǎng)支柱大部分位于路基基床上，且絕大部分支柱基礎(chǔ)是在路基基床施工完成后施做。

如采用臺階式擴展基礎(chǔ)，當基坑開挖采用掏挖工藝施工時，基礎(chǔ)擴大段尺寸受土體自穩(wěn)角限制，往往無法達到設(shè)計要求的基底尺寸，將嚴重影響基礎(chǔ)的抗傾覆能力；如按基底尺寸開挖，則對路基基床擾動太大，基礎(chǔ)的回填通常無法達到路基基床的壓實標準，將嚴重影響路基、道床的整體穩(wěn)定[2]，且路基上通常還設(shè)有其他專業(yè)的線纜，基礎(chǔ)施工時勢必對其造成影響，存在一定的安全隱患。

當采用錐柱基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)短柱帶有一定傾角，基坑開挖采用掏挖形式較為困難，基坑開挖一般按短柱底部尺寸開挖，再對擴大部分進行掏挖，其對路基的影響與擴展基礎(chǔ)相同。因錐柱基礎(chǔ)短柱存在傾角，基礎(chǔ)混凝土澆筑時模板搭設(shè)較復(fù)雜，澆筑混凝土時短柱傾角易出現(xiàn)偏差，基坑回填壓實度不易保證，施工周期相對較長。

與上述兩種基礎(chǔ)相比，進行樁基礎(chǔ)施工對路基基床擾動較小，基坑無需回填，可最大限度地保持原始土層的現(xiàn)狀，且施工作業(yè)面為3種基礎(chǔ)中最小，可最大限度地減少對鐵路路基及各類管線的影響。綜合比較，樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

2 接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)抗凍拔措施

防止樁基礎(chǔ)的凍拔主要從以下三方面考慮：

（1）采用物理、化學(xué)方法對樁基表面進行處理，增加基礎(chǔ)表面的光滑度，減小基礎(chǔ)側(cè)面與土壤的摩擦，削弱土層與基礎(chǔ)表面凍脹作用，降低凍脹產(chǎn)生的上拔力。

（2）采用換填法，在基礎(chǔ)側(cè)面換填弱凍脹性的中砂、粗砂或礫石等，減小基礎(chǔ)周圍土層凍脹力。

（3）設(shè)置合理有效的防排水措施，避免凍脹作用加劇。

針對上述防凍拔措施，已進行過大量研究分析，得到了很多試驗數(shù)據(jù)。如文獻[3]闡述了施工中將柔性玻璃鋼作為圓形框架柱的模板，玻璃鋼因自重輕、強度高、造價低，在保證工程質(zhì)量的同時節(jié)約了投資，將該類材料作為構(gòu)件模板可取得良好的經(jīng)濟與社會效益。DL/T 5501—2015《凍土地區(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[4]中，玻璃鋼因其表面光滑，切向凍脹力計算時基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù)為0.75，說明玻璃鋼對減小基礎(chǔ)表面與土壤的摩擦具有明顯的作用。為驗證基礎(chǔ)側(cè)面換填弱凍脹材料的防凍脹效果，文獻[5]進行了3種不同防凍措施的對比試驗，得出樁基周圍換填風積沙的防凍脹效果最好也最為穩(wěn)定。文獻[6]闡述了采用大直徑的剛性套筒套在樁基礎(chǔ)周圍，并在樁基礎(chǔ)與套筒之間填充弱凍脹材料，使凍土層的凍脹力直接作用于套筒上，凍脹發(fā)生時，套筒產(chǎn)生自由凍拔切斷了切向凍脹力與樁基礎(chǔ)間的直接傳力途徑，避免樁基礎(chǔ)凍拔的產(chǎn)生。經(jīng)分析該試驗的觀測數(shù)據(jù)，證實了采用套筒防凍拔的措施對樁周凍土凍脹力的切斷和疏導(dǎo)是有效的。

可將上述3種措施結(jié)合應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔，對設(shè)計凍深線以上部分樁基礎(chǔ)采取抗凍拔措施，凍深線以下部分按常規(guī)樁基礎(chǔ)進行施工，具體的抗凍拔措施如下：

（1）樁基開挖時采用剛性護壁進行支護，護壁內(nèi)徑比樁基外徑外擴0.2 m，樁基與護壁間空隙采用粗砂填實，將樁基礎(chǔ)與凍土隔離。

（2）樁基采用表面光滑的成品玻璃鋼管作為模板，減小樁基側(cè)面與粗砂間的摩擦力。

（3）基礎(chǔ)頂面設(shè)置混凝土散水，防止雨季、凍土融化期地表水對基礎(chǔ)的浸泡、滲透和沖刷，減小雨水對樁基周圍換填粗砂的影響。

（4）散水施工前拆除地面以下0.2 m范圍內(nèi)的護壁，回填0.2 m厚爐渣（松鋪不壓實），防止護壁凍拔時對基礎(chǔ)頂部散水造成破壞。對于有承臺的鋼柱基礎(chǔ)，還應(yīng)在承臺側(cè)面及底部換填0.2 m厚的粗砂，減小凍脹力對承臺的凍脹作用。

（5）當設(shè)計凍深線以上部分樁基護壁內(nèi)徑大于下部樁基護壁外徑時，應(yīng)在交界處鋪設(shè)土工織物或塑料膜等隔離物，避免回填的粗砂流失，同時防止地下水流動時帶入粉粘料，降低防凍拔效果[5]。

樁基礎(chǔ)抗凍拔構(gòu)造示意如圖2所示。

圖2 樁基抗凍拔構(gòu)造示意圖

3 樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性計算

以哈爾濱阿城區(qū)某專用線使用的G250/15型格構(gòu)式鋼柱樁基礎(chǔ)為例，對樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進行分析。根據(jù)該工程地質(zhì)詳勘報告及路基專業(yè)設(shè)計圖，阿城區(qū)標準凍結(jié)深度為2.0 m，路基基床以下2 m范圍換填B組填料，其下土層為強凍脹粉質(zhì)黏土（可塑），凍脹等級為Ⅳ級。

經(jīng)計算，當樁基直徑采用0.8 m時，基礎(chǔ)滿足抗傾覆要求的樁長為4.8 m?？箖霭斡嬎銜r，設(shè)計凍深線以上樁基直徑采用0.8 m，凍深線以下樁基直徑為1.0 m，護壁壁厚為0.1 m，總樁長為4.8 m。

設(shè)計凍深計算式為

式中：zd為設(shè)計凍深；z0為標準凍深；φzs為土的類別對凍深影響系數(shù)，取1.4；φzw為凍脹性對深度影響系數(shù)，取0.9；φzc為周圍環(huán)境對凍深影響系數(shù)，取0.95；φzt0為地形對凍深影響系數(shù)，取1.0。計算后該地區(qū)設(shè)計凍深為2.40 m。

切向凍脹力設(shè)計值計算式為

式中：Fτ為切向凍脹力設(shè)計值，kN；φτ為基礎(chǔ)表面狀態(tài)修正系數(shù)，取0.75；τi為單位切向凍脹力標準值，kPa；Ai為設(shè)計凍深內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)表面積，m2。

對于路基A、B組填料的凍脹性，文獻[7]論述了相關(guān)試驗，得出該類填料在凍結(jié)過程中未出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。但鑒于影響土體凍脹性的因素較多，且現(xiàn)有研究成果具有一定的局限性，加之本文采用的防凍脹措施中樁基礎(chǔ)與護壁間換填的粗砂厚度較小且易受地下水位、含水量等諸多因素影響，可能改變其凍脹性。故本次計算時第1層土仍按有凍脹力作用在樁基礎(chǔ)上，單位切向凍脹力標準值按弱凍脹土取60 kPa；第2層土為粉質(zhì)黏土（可塑），單位切向凍脹力標準值取120 kPa。樁基抗拔力計算時，樁側(cè)阻力標準值參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中粘性土（可塑）干作業(yè)鉆孔樁取53 kPa。樁基礎(chǔ)的切向凍脹力計算見表1。

表1 樁基礎(chǔ)切向凍脹力計算

樁基礎(chǔ)抗拔力中地基錨固力計算式為

式中：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，kN；qsia為土層與基礎(chǔ)側(cè)表面的摩阻力特征值，kPa；Aia為基礎(chǔ)側(cè)表面積，m2。Rta計算見表2。

表2 地基錨固力計算

樁基礎(chǔ)的抗拔力需大于切向凍脹力才能保證基礎(chǔ)不產(chǎn)生凍拔，即

式中：Gk為基礎(chǔ)上永久荷載的標準值，包括基礎(chǔ)自重及支柱自重。

經(jīng)計算，樁基礎(chǔ)自重及支柱重Gk為100.24 kN，樁基礎(chǔ)總的抗拔力為299.94 kN，大于樁基礎(chǔ)所受總的切向凍脹力（271.35 kN），樁基礎(chǔ)抗凍拔性能滿足要求。分析可知，當樁長滿足抗傾覆要求時，通過疊加上述抗凍拔措施后，僅將設(shè)計凍深線以下樁基直徑進行微調(diào)即可滿足抗凍拔要求。

4 結(jié)論

通過對不同類型接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)抗凍拔原理的分析，結(jié)合基礎(chǔ)施工對鐵路路基及各類管線的影響對比，確定了樁基礎(chǔ)應(yīng)為季節(jié)性凍土地區(qū)接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的首選形式。

參考各類防凍脹措施試驗數(shù)據(jù)及實際工程應(yīng)用案例，提出了接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)在設(shè)計凍深范圍內(nèi)的圓形短柱可采用側(cè)壁光滑的玻璃鋼管作為模板，再外套大直徑鋼筋混凝土護壁，護壁與短柱之間用粗砂填實，將基礎(chǔ)與凍土層進行隔離，最后在基礎(chǔ)頂部設(shè)置混凝土散水等多措并舉的方式來防止樁基礎(chǔ)凍拔的設(shè)計方法。結(jié)合工程實例對采用上述防凍拔措施的樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性進行了計算分析，驗證了所提措施在實際工程中應(yīng)用的可行性。文中所述的抗凍拔單項措施在其他工程行業(yè)中已進行過較多的試驗與應(yīng)用，積累了大量數(shù)據(jù)，印證了該類措施對于防止基礎(chǔ)凍拔是有效的。但將其組合起來應(yīng)用于接觸網(wǎng)支柱樁基礎(chǔ)的抗凍拔，現(xiàn)有的應(yīng)用實例較少，缺乏足夠的數(shù)據(jù)進行分析驗證，實際的抗凍拔效果尚需時間的檢驗。