季节性冻土地区接触网支柱基础的选型与抗冻拔设计

汪小锋

0 引言

冻土按其是否随外界温度而周期性冻结、融化可分为季节冻土和多年冻土，其中季节性冻土分布区域约占我国领土面积一半以上，大部分地区季节性冻土的标准冻结深度为0.6～3 m。季节性冻土夏季融化，冬季冻结，常年交替，产生的冻胀作用造成建筑物基础的上拔、融陷，严重时可导致上部建筑物倾斜、开裂等不可逆的工程问题。季节性冻土地区建筑物基础如不采取有效的抗冻拔措施，将严重影响结构的使用安全。

电气化铁路中的接触网支柱作为一种“轻轴力、重弯矩”的杆塔结构，季节性冻土的冻胀作用对其影响更为严重。我国北方地区铁路在运营过程中，经过几个冻融期后，部分接触网支柱基础出现上拔、隆起现象，已严重影响铁路的运营安全，对此类情况的处理往往需要花费很长的时间和极高的经济成本。为防止接触网支柱基础产生冻拔现象，避免影响线路运营安全，在前期设计过程中就应充分考虑，选择合理的基础形式，配以有效的抗冻拔措施。

1 季节性冻土地区接触网支柱基础选型

冻土地区接触网支柱常采用的基础形式主要包括台阶式扩展基础、锥柱基础及桩基础（图1）。

图1 基础形式及抗冻拔示意图

1.1 支柱基础抗冻拔原理

台阶式扩展基础主要依靠基础下部台阶扩大段来抵抗切向冻胀力对基础的冻拔作用，属自锚式基础，基底标高一般位于设计冻深线以下。冻胀发生后，当基础上部荷载、基础自重及基础台阶上部土体自重等合力大于切向冻胀力产生的上拔力时，基础不会出现上拔现象。

锥柱基础抵抗冻胀的原理与扩展基础类似，不同主要在基础短柱部分，扩展基础短柱为上下等截面，锥柱基础的短柱截面上小下大，当法向冻胀力作用于基础短柱时，因其存在一定倾角，法向冻胀力将产生一个垂直向下的分力，该分力可与基础上部荷载、基础自重及台阶扩大段上部土体自重等叠加共同抵抗基础冻拔破坏。相关研究表明，当基础短柱上下截面倾角约为9°时，抵抗切向冻胀力的效果最好，JGJ 118—2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[1]中也将该类形状的基础作为一种消除切向冻胀力的构造措施。

桩基础主要依靠桩身与土体间的摩擦力、扩底段与土体产生的自锚力（扩底桩）两者合力来抵抗切向冻胀力产生的基础上拔。采用桩基础时，基础在设计冻深线以下需要具有一定的埋深才能提供足够的抗拔力，当桩基础上部产生的切向冻胀力过大时，还需对桩身截面及强度进行验算，以保证基础不被拔断。

1.2 接触网支柱基础选型

对于接触网支柱而言，基础形式的选择受诸多因素的影响。除独立架设的供电线支柱外，接触网支柱大部分位于路基基床上，且绝大部分支柱基础是在路基基床施工完成后施做。

如采用台阶式扩展基础，当基坑开挖采用掏挖工艺施工时，基础扩大段尺寸受土体自稳角限制，往往无法达到设计要求的基底尺寸，将严重影响基础的抗倾覆能力；如按基底尺寸开挖，则对路基基床扰动太大，基础的回填通常无法达到路基基床的压实标准，将严重影响路基、道床的整体稳定[2]，且路基上通常还设有其他专业的线缆，基础施工时势必对其造成影响，存在一定的安全隐患。

当采用锥柱基础时，基础短柱带有一定倾角，基坑开挖采用掏挖形式较为困难，基坑开挖一般按短柱底部尺寸开挖，再对扩大部分进行掏挖，其对路基的影响与扩展基础相同。因锥柱基础短柱存在倾角，基础混凝土浇筑时模板搭设较复杂，浇筑混凝土时短柱倾角易出现偏差，基坑回填压实度不易保证，施工周期相对较长。

与上述两种基础相比，进行桩基础施工对路基基床扰动较小，基坑无需回填，可最大限度地保持原始土层的现状，且施工作业面为3种基础中最小，可最大限度地减少对铁路路基及各类管线的影响。综合比较，桩基础应为季节性冻土地区接触网支柱基础的首选形式。

2 接触网支柱桩基础抗冻拔措施

防止桩基础的冻拔主要从以下三方面考虑：

（1）采用物理、化学方法对桩基表面进行处理，增加基础表面的光滑度，减小基础侧面与土壤的摩擦，削弱土层与基础表面冻胀作用，降低冻胀产生的上拔力。

（2）采用换填法，在基础侧面换填弱冻胀性的中砂、粗砂或砾石等，减小基础周围土层冻胀力。

（3）设置合理有效的防排水措施，避免冻胀作用加剧。

针对上述防冻拔措施，已进行过大量研究分析，得到了很多试验数据。如文献[3]阐述了施工中将柔性玻璃钢作为圆形框架柱的模板，玻璃钢因自重轻、强度高、造价低，在保证工程质量的同时节约了投资，将该类材料作为构件模板可取得良好的经济与社会效益。DL/T 5501—2015《冻土地区架空输电线路基础设计技术规程》[4]中，玻璃钢因其表面光滑，切向冻胀力计算时基础表面状态修正系数为0.75，说明玻璃钢对减小基础表面与土壤的摩擦具有明显的作用。为验证基础侧面换填弱冻胀材料的防冻胀效果，文献[5]进行了3种不同防冻措施的对比试验，得出桩基周围换填风积沙的防冻胀效果最好也最为稳定。文献[6]阐述了采用大直径的刚性套筒套在桩基础周围，并在桩基础与套筒之间填充弱冻胀材料，使冻土层的冻胀力直接作用于套筒上，冻胀发生时，套筒产生自由冻拔切断了切向冻胀力与桩基础间的直接传力途径，避免桩基础冻拔的产生。经分析该试验的观测数据，证实了采用套筒防冻拔的措施对桩周冻土冻胀力的切断和疏导是有效的。

可将上述3种措施结合应用于接触网支柱桩基础的抗冻拔，对设计冻深线以上部分桩基础采取抗冻拔措施，冻深线以下部分按常规桩基础进行施工，具体的抗冻拔措施如下：

（1）桩基开挖时采用刚性护壁进行支护，护壁内径比桩基外径外扩0.2 m，桩基与护壁间空隙采用粗砂填实，将桩基础与冻土隔离。

（2）桩基采用表面光滑的成品玻璃钢管作为模板，减小桩基侧面与粗砂间的摩擦力。

（3）基础顶面设置混凝土散水，防止雨季、冻土融化期地表水对基础的浸泡、渗透和冲刷，减小雨水对桩基周围换填粗砂的影响。

（4）散水施工前拆除地面以下0.2 m范围内的护壁，回填0.2 m厚炉渣（松铺不压实），防止护壁冻拔时对基础顶部散水造成破坏。对于有承台的钢柱基础，还应在承台侧面及底部换填0.2 m厚的粗砂，减小冻胀力对承台的冻胀作用。

（5）当设计冻深线以上部分桩基护壁内径大于下部桩基护壁外径时，应在交界处铺设土工织物或塑料膜等隔离物，避免回填的粗砂流失，同时防止地下水流动时带入粉粘料，降低防冻拔效果[5]。

桩基础抗冻拔构造示意如图2所示。

图2 桩基抗冻拔构造示意图

3 桩基础抗冻拔稳定性计算

以哈尔滨阿城区某专用线使用的G250/15型格构式钢柱桩基础为例，对桩基础抗冻拔稳定性进行分析。根据该工程地质详勘报告及路基专业设计图，阿城区标准冻结深度为2.0 m，路基基床以下2 m范围换填B组填料，其下土层为强冻胀粉质黏土（可塑），冻胀等级为Ⅳ级。

经计算，当桩基直径采用0.8 m时，基础满足抗倾覆要求的桩长为4.8 m。抗冻拔计算时，设计冻深线以上桩基直径采用0.8 m，冻深线以下桩基直径为1.0 m，护壁壁厚为0.1 m，总桩长为4.8 m。

设计冻深计算式为

式中：zd为设计冻深；z0为标准冻深；φzs为土的类别对冻深影响系数，取1.4；φzw为冻胀性对深度影响系数，取0.9；φzc为周围环境对冻深影响系数，取0.95；φzt0为地形对冻深影响系数，取1.0。计算后该地区设计冻深为2.40 m。

切向冻胀力设计值计算式为

式中：Fτ为切向冻胀力设计值，kN；φτ为基础表面状态修正系数，取0.75；τi为单位切向冻胀力标准值，kPa；Ai为设计冻深内基础侧表面积，m2。

对于路基A、B组填料的冻胀性，文献[7]论述了相关试验，得出该类填料在冻结过程中未出现冻胀现象。但鉴于影响土体冻胀性的因素较多，且现有研究成果具有一定的局限性，加之本文采用的防冻胀措施中桩基础与护壁间换填的粗砂厚度较小且易受地下水位、含水量等诸多因素影响，可能改变其冻胀性。故本次计算时第1层土仍按有冻胀力作用在桩基础上，单位切向冻胀力标准值按弱冻胀土取60 kPa；第2层土为粉质黏土（可塑），单位切向冻胀力标准值取120 kPa。桩基抗拔力计算时，桩侧阻力标准值参照《建筑桩基技术规范》中粘性土（可塑）干作业钻孔桩取53 kPa。桩基础的切向冻胀力计算见表1。

表1 桩基础切向冻胀力计算

桩基础抗拔力中地基锚固力计算式为

式中：Rta为基础伸入冻胀土层之下地基土所产生锚固力的特征值，kN；qsia为土层与基础侧表面的摩阻力特征值，kPa；Aia为基础侧表面积，m2。Rta计算见表2。

表2 地基锚固力计算

桩基础的抗拔力需大于切向冻胀力才能保证基础不产生冻拔，即

式中：Gk为基础上永久荷载的标准值，包括基础自重及支柱自重。

经计算，桩基础自重及支柱重Gk为100.24 kN，桩基础总的抗拔力为299.94 kN，大于桩基础所受总的切向冻胀力（271.35 kN），桩基础抗冻拔性能满足要求。分析可知，当桩长满足抗倾覆要求时，通过叠加上述抗冻拔措施后，仅将设计冻深线以下桩基直径进行微调即可满足抗冻拔要求。

4 结论

通过对不同类型接触网支柱基础抗冻拔原理的分析，结合基础施工对铁路路基及各类管线的影响对比，确定了桩基础应为季节性冻土地区接触网支柱基础的首选形式。

参考各类防冻胀措施试验数据及实际工程应用案例，提出了接触网支柱桩基础在设计冻深范围内的圆形短柱可采用侧壁光滑的玻璃钢管作为模板，再外套大直径钢筋混凝土护壁，护壁与短柱之间用粗砂填实，将基础与冻土层进行隔离，最后在基础顶部设置混凝土散水等多措并举的方式来防止桩基础冻拔的设计方法。结合工程实例对采用上述防冻拔措施的桩基础抗冻拔稳定性进行了计算分析，验证了所提措施在实际工程中应用的可行性。文中所述的抗冻拔单项措施在其他工程行业中已进行过较多的试验与应用，积累了大量数据，印证了该类措施对于防止基础冻拔是有效的。但将其组合起来应用于接触网支柱桩基础的抗冻拔，现有的应用实例较少，缺乏足够的数据进行分析验证，实际的抗冻拔效果尚需时间的检验。