多年冻土地区高压输电线热桩基础设计研究

多年冻土地区高压输电线热桩基础设计研究王立悦1,　徐学燕2(11黑龙江省建筑设计研究院,　哈尔滨　150001;　21哈尔滨工业大学土木工程学院,　哈尔滨　150090) 【摘　要】　利用大型有限元软件ANSY S的热分析和力学模块建立热桩基础模型,考虑全球变暖条件下,对高压输电线杆塔热桩基础的设计参数对温度场和承载性能的影响进行了数值计算分析。

结果表明:随着热棒的面积比和长度增加,热棒冷却地基效果越好,热棒间距在5m时效果最佳,增大或减小间距工作效率均降低,并依据以上结果确定了热棒合理设计参数。

活动层全部融化时桩顶水平位移大于竖向位移两个数量级,水平荷载是杆塔基础设计的控制荷载。

随热桩基础的桩径和桩长增加,其承载力提高,桩身弹性模量对热桩承载力影响很小。

【关键词】　热桩基础;有限元;设计参数;承载性能;温度场【中图分类号】　T U473 【文献标识码】　B 【文章编号】　1001-6864(2010)04-0066-04 ±500kV呼伦贝尔～辽宁直流送电线路工程通过多年冻土地区。

目前我国尚未系统地开展冻土地区杆塔基础承载力与保持冻土冻结状态相结合的试验和计算研究,因此研究适合于冻土地区的杆塔基础型式及设计方法是该工程能够安全运营的关键问题,具有重要的理论意义和工程实用意义[1,2]。

该工程采用新型热桩基础。

该基础是在热棒外围浇筑混凝土,其既承受上部荷载,又能使冻土保持冻结状态。

热桩作为一项较有效的防冻害技术,已被广泛应用于寒冷地区的基础工程建设,如管道工程、桥涵、隧道、机场跑道、路基、输电线路塔、水利工程及港口工程中,用来冷却地基,防止地基发生冻胀和融沉变形,提高多年冻土地基的稳定性[3～5]。

所以本工程应用热桩基础,保持冻土的冻结状态,不仅是为了避免冻害,更主要是为利用冻土与基础之间的冻结强度平衡倾覆力矩,使热桩基础只承受轴向拉、压力。

但热桩的设计参数对高压输电线杆塔基础的温度场以及承载性能的影响研究很少,因此本文采用大型有限元程序ANSY S对其进行研究分析,用以对实际工程提供理论指导。

1　热桩基础模型建立111　数值分析模型对于热棒作用下的多孔介质的冻结传热过程,可推导出柱坐标中相应的连续性方程、动量方程和能量方程,用来描述冻结土体中的相变过程以及土体中无偿的变化规律等热传输现象。

Z方向:ρw n 9u z9r+ρwn2u z9u z9z+u r9u z9r=μwnu z92u z9z2+92u z9r2-9p9z+ρ1g+s1(1)r方向:ρwn9u r9r+ρwn2u z9u r9z+u r9u r9r=μwn92u r9z2 +92u r9r2-9p9r-s2(2)式中,ρ、μ分别为密度和动力黏度;下标w表示孔隙水;p、n分别为压力和孔隙率;s1、s2为渗流场的源或者汇。

能量方程:ρc9T9t+ρwc w u z9T9z+u r9T9r=λ92T9z2+92T9r2+s3(3)式中,c、λ分别为土体比热和导热系数,对于考虑土体相变的问题,它们是温度的函数,即c(T)=f(T),λ(T)=g(T);T为温度,t为时间;s3为系统的源。

连续性方程:在融化和冻结的相变界面ζ上,必须满足连续性条件和能量守恒条件:λf9T f9n-λu9T u9n=Lρ9ζ9t(4) T f(ζ(t),t)=T u(ζ(t),t)=T m(5)式中,下标f、u分别为冻结和融化状态;t为时间; L为水的相变潜热;ω0为初始含水量;ζ为冻融界面; T m为土体冻结锋面处的温度;n为冻融界面上的方向矢量。

对于含有相变的热传导问题来说,需要考虑熔融潜热,即在相变过程中吸收和释放的热量,通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热,焓的单位是JΠm3,是密度与比热容的乘积对温度的积分,即: H=∫ρC(T)d T(6)式中,ρ为材料的密度;C(T)为材料的比热对温度的函数。

计算中,把焓和温度同时作为待求函数,而且焓66低　温　建　筑　技　术2010年第4期(总第142期)随温度T 的变化是连续的,因此用数值方法求解焓分布时不需要跟踪两相界面,从而使液相区和固相区统一处理成为可能。

焓场解出后,温度场就可容易解的。

112　物理简化模型建立计算模型土体物理参数确定:有限元导热分析中,需要输入以下随温度变化的物理参数:①p 土的密度p ,由于冻土中部分水结冰后体积膨胀,使得冻土的密度略小于非冻土的密度;②冻土的未冻水含量W u ;③导热系数λ。

模型材料从上至下分为五层,数值模拟的实体模型见图1。

建立土体为直径D =20m 的圆柱体模型如图2所示,为方便建模,建立了4个土层厚度,从上到下分别为h 1=215m ,h 2=1m ,h 3=215m ,h 4=9m 。

桩体直径d =1m ,桩长h 5=6m 。

边界条件:冻土圆柱体的底面固结,约束全部自由度;外侧面约束水平方向的位移,允许有竖向的位移和不同方向的转动;顶面为完全自由。

2　数值计算结果及分析211　热桩设计参数对温度场影响(1)　面积比对热桩基础温度场的影响:图3分别为面积比为015、1、115、2、215、3、315的热桩作用下第十年在一倍桩径处4月30日和9月30日沿深度方向的温度曲线。

图3中a 、b 两个图为截取0℃以下部分,从中可以看出土体内部温度在面积比从015到115变化时不是改变量不大,从2到315变化也不大,但是当面积比从115到2变化时土体温度改变量却很明显,c 图上可以看出在地下3m 处(也即热棒蒸发段)开始,土体内部温度开始受面积比影响变化明显,随着面积比增大,温度降低幅度在增大,从115到2时变化很明显。

所以本文在设计时选取面积比为2。

(2)　管长度对热桩温度场的影响。

在数值计算过程中,由于受到杆塔设计的影响,热棒冷凝段长度不适合改变,因此改变蒸发段的长度分为3、315、4、415、5m ,进行计算。

图4为管径为89mm 不同管长热桩基础秋分日沿基础深度方向温度分布图。

同时随着蒸发段的加长,土体内部温度降低幅度在增加,也就说明热棒的工作效率在增大。

同时由于蒸发段的增加,温度影响的范围也在扩大,深度在不断加深。

考虑到热桩基础造价及设计因素,热棒不宜过长,本文采用蒸发段为3m 长度热棒。

(3)　桩距对热桩温度场的影响。

桩距分别为3、4、5、6m ,通过计算管径为89mm 、面积比为2的不同间距的热桩基础沿深度方向的温度分布图,得出桩距对温度场的影响规律。

图5为不同桩间距条件下热桩基76王立悦等:多年冻土地区高压输电线热桩基础设计研究础沿深度方向的温度分布图。

该图为截取0℃以下部分,从图中可以看出,并不是间距减小,温度就会降低得多,当间距为3m 时,反而温度降低较少,随着间距的扩大,降温效果增强,6m 桩距降温效果不如桩距为4m 和5m 时,这是因为桩距小,热桩之间互相影响,也就是群桩效应作用,但是间距过大,两根桩中间的部分又会产生薄弱带,所以根据本文要设计的杆塔型号,采用桩距为6m 的热桩基础。

可以考虑在四根桩围成区域的中心点加一根热桩。

形成桩距为4m的效果。

212　热桩设计参数对承载性能的影响21211　直径改变对热桩基础的影响表1为活动层处于冻结和融化两种状态时在竖向荷载+水平荷载作用下不同桩径对应的桩顶位移,整体趋势是随着桩径的增大,位移在减小。

对比两种状态,位移相差2到3个数量级。

活动层处于冻结状态时,三个方向的桩顶位移都很小,最大的不过0115mm ,桩完全能够满足承载力的要求。

当活动层处于融化状态时,水平向位移随着桩径的加大,数值在减小(从8180mm 减小到1133mm ),降低的幅度也在逐渐减小。

桩顶的竖向位移从0158mm 减小到0126mm ,在本工程中,为了减小桩体变位量,可以适当增加桩径,但还要综合考虑地质条件、周边环境、经济效益等因素。

本文选取合理桩径为110m 。

　表1　不同桩径条件下桩顶位移mD =018mD =019mD =110mD =112mX 0134×10-40131×10-40127×10-40161×10-5冻结Y0128×10-40126×10-40122×10-40150×10-5Z 0115×10-30114×10-30113×10-30112×10-3X0188×10-20158×10-2011610-20113×10-2融化Y0182×10-20147×10-20113×10-20111×10-2Z0158×10-30137×10-30131×10-30126×10-3 表2为活动层处于冻结和融化两种状态时在竖向荷载+水平荷载作用下不同桩长对应的三个方向的桩顶位移。

从上面的数据可以看出,随着桩长的增加位移值在减小,为了减小桩体变位量,可以适当增加桩长度,在冻土地区施工,桩长度加大会增加施工的难度,同时也会增加造价,综合考虑以上的因素,在该设计中取用桩长度为7m 。

21212　桩体长度改变对热桩基础的影响　表2　不同桩长条件下桩顶位移mL =6mL =7mL =8mL =9mX 0127×10-40126×10-40126×10-40125×10-4冻结Y0122×10-40121×10-40120×10-40120×10-4Z 0113×10-30112×10-30112×10-30110×10-3X0116×10-20115×10-20111×10-20192×10-3融化Y0113×10-20113×10-20111×10-20181×10-3Z0131×10-30129×10-30123×10-30122×10-3 21213　桩体弹性模量的改变对热桩基础的影响表3为活动层处于冻结和融化两种状态时在竖向荷载+水平荷载作用下改变桩体的弹性模量所对应的桩顶位移,随着弹性模量的增大,位移在减小,但是幅度很小。

对比两种状态,位移同样相差两个数量级。

总体来看,位移因为桩身弹性模量的改变而产生的改变量很小,也就是说,增大混凝土的标号是不经济的。

考虑到这一点,在满足其他条件下,可以采用相对低标号的混凝土。

　表3　不同弹性模量条件下桩顶位移mE =23000MPa E =26000MPa E =29000MPa E =32000MPaX 01306×10-401293×10-401268×10-401248×10-4冻结Y 01265×10-401240×10-401220×10-401203×10-4Z 01135×10-301133×10-301131×10-301129×10-3X01170×10-201168×10-201160×10-201158×10-2融化Y 01152×10-201133×10-201131×10-201130×10-2Z01394×10-301365×10-301313×10-301307×10-3 从以上的分析中得出,对比活动层处于冻结和融化两种状态,水平方向的位移相差2个数量级,水平方向的位移远大于竖向位移,杆塔基础的控制荷载是水平荷载,由风荷载作用在杆塔上面产生的荷载。