【摘要】:冻土地区的阀室建设中,冻土的融沉将对埋设于其中的阀墩和管墩基础产生冻胀力,影响管线的运营安全。文章依据实践经验,根据冻土特性,详细分析了冻土地区阀室管墩、阀墩基础的设计过程及设计、施工中应注意的事项。
【关键词】:多年冻土,冻胀力,阀室,管墩基础,防治措施
1 前言
涩宁兰输气管道复线工程起自青海省柴达木盆地涩北气田,东至甘肃省兰州市,线路呈西东走向,线路长度约909.33㎞,其中多个阀室坐落在海拔3800米左右的多年冻土地区,在季节融化层冻结过程中,将对埋设于其中的阀墩和管墩基础产生冻胀力,在冻胀力的作用下,导致基础冻胀上隆,上部管线由此出现整体或局部抬起,直接影响管线的运营安全,为此,减小和避免冻土地基对基础的影响成为冻土地区阀室基础设计、施工的重中之重。
2 冻土的分类与特性
2.1 冻土的分类
冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,含具有流变性特征,其长期强度远远低于瞬时强度。作为建筑物地基的冻土,根据持续时间可以分为三类:(1)瞬时冻土,冻结时间小于一个月,一般为数天或几个小时(夜间冻结),冻结深度从几毫米到几十毫米;(2)季节冻土,冻结时间等于或大于一个月,冻结深度从几十毫米到1~2米,它是每年冬季发生的周期性冻土;(3)多年冻土,冻结时间连续三年或三年以上。
2.2 冻土的特性
冻土的特性之一是冻胀,在地温低于0℃以下时,由于土壤内水分的存在,将发生冻结,水冻结时体积增大8%左右,这就造成了土体积的膨胀;冻土的特性之二是融沉,当地温升高,土壤内各种冻结水融化解冻,冻土体积减小即发生沉陷。要处理冻土上的基础,首先就要了解土壤的冻胀性。土壤冻胀性与土壤类型及其含水量有关。一般岩石、碎石、中粗砂由于其颗粒构造致密,颗粒中无分子水的存在,颗粒本身在冻胀时不发生体积膨胀,所以为非冻胀性土壤。粉细砂由于其颗粒很小,表面积很大,能吸附大量水分子,当含水量小时(w<14%),可不考虑其冻胀性,但随着含水量的增加,就表现出弱冻胀性—冻胀性—强冻胀性。粘性土则完全是冻胀性土壤,因为其颗粒更细,分子水,吸附水和其它游离水的冻结,都将引起土壤体积的膨胀,其冻结性与含水量有关,当含水量w很小时(w
3 承载力设计
由于地基最大融化深度范围内,存在融沉夹层的地基,故采用保持冻结状态的设计方法。
(1)在中心荷载作用下,P≤f,其中P为基础底面平均压力(kPa),f为地基承载力设计值(kPa)(不进行深宽修正),按表1的规定确定,计算时按JGJll8—98的附录A,A.0.1中的说明加以修正。当为中心荷载作用时,基础底面的压力公式P=(F+G)/A,其中F为上部传给基础顶面的竖向力设计值(kN),G为基础自重和基础上的土重设计值(kN),A为基础底面积(m2)。
表1 冻土承载力设计值
土种类
不同温度下的承载力设计值/kPa
-0.5℃
-1.0℃
-1.5℃
-2.0℃
-2.5℃
-3.0℃
碎、砾石类土
800
1000
1200
1400
1600
1800
砾砂、粗砂
650
800
950
1100
1250
1400
中砂、细砂、粉砂
500
650
800
950
1100
1250
粘土、粉质粘土
400
500
600
700
800
900
(2)偏心荷载作用时,还应符合Pmax≤1.2f,其中Pmax为基础底面边缘的最大压力设计值(kPa), Pmax=(F+G)/A+(M-Mc)/W,Pmin =(F+G)/A-(M-Mc)/W,其中Pmin为基础底面边缘最小压力设计值(kPa),M为作用于基础底面的力矩设计(kN·m),W为基础底面抵抗矩(m3),Mc为作用于基础侧表面与多年冻土的切向力所形成的力矩的设计值(kN·m)。切向力所形成的力矩Mc=fch0bL(b+0.5L),其中fc为冻土与基础侧表面的冻结强度设计值(kPa),见JGJll8—98附录A, h0为基础侧表面与多年冻土冻结的高度(m),b为基础底面的宽度(m),L为基础底面平行力矩作用方向的边长(m)。
4 基础埋深设计
(1)季节冻土地基:基础埋深应达到冻结线并符合设计冻深的要求,即设计冻深:
,其中为标准冻深, 分别为土质、湿度、周围环境、地形对冻深的影响系数,见规范表。施工时,基槽底部不宜留有冻土层。
(2)多年冻土地基:基础的最小埋深应根据土的设计融深确定,即设计融深:,其中为标准融深,分别为土质、湿度、覆盖、地形对融深的影响系数,见规范表。标准应根据当地实测资料确定,亦可按公式计算,即青藏高原地区:,其中为融化指数的标准值(℃·m),青海地区:(℃·m),其中L为L为纬度,H为海拔。然后根据规范JGJll8—98中的表5.2.2-1确定基础埋深设计的计算取值。
5 基础设计及施工中的注意事项
(1)多年冻土地区的基础下应设置由粗颗粒非冻胀性砂砾料构成的垫层。垫层厚度不应小于300mm,并应根据多年冻土地区所采用的设计状态确定。当在独立基础下设置时,垫层的宽度和长度应按下列公式计算: ;。其中、分别为垫层和基础底面的宽度(m),、分别为垫层和基础底面的长度(m),为垫层的厚度。垫层应分层夯实,并应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》的规定。当按允许地基土逐渐融化和预先融化状态设计时,应满足垫层下冻土融化后的承载力要求。
(2) 管墩、阀墩基础采用低水化热水泥,降低混凝土水化热,从而降低对基底冻土的扰动;防止地表
水流入基坑,以防地表水将热量带入基坑,降低对基底冻土的扰动;采用负温、早强、耐久混凝土浇注,并严格控制混凝土的入模温度。
(3)基础侧面涂刷lOmm厚硫酸铬铁盐渣油,以减小切向冻胀力影响;基础四周侧面回填砂砾石,200mm宽,以减小冻胀横向冻胀力。
(4)管墩基础一般先于管沟开挖完成,当开挖管沟时要及时对管墩的临管沟面做粘砌石护坡,且护坡厚度不小于0.5m;铺设主管线后要及时对管线做好保温防腐工作,对不影响下一步安装工作的部分管沟要及时回填,减少管沟暴露时间;加强遮阳措施,搭设遮阳雨棚,充分利用低温时间,减少太阳辐射对基底冻土的热扰动。