遼源地區季節凍土輸電線基礎變形規律分析

鄧振鵬,潘殿琦,黃非,岳科宇,劉華南

(1.長春工程學院 勘查與測繪工程學院,長春 130021;2.國網吉林省電力有限公司 遼源供電公司,吉林 遼源 136200)

0 引言

我國凍土分布面積廣闊,其中季節性凍土占中國領土面積的一半以上。隨著凍融循環的反復發生,凍土層中的水分相應地出現相變與遷移,導致凍土層發生變形,產生凍脹、融沉等一系列工程事故。因此,掌握季凍區地基土體凍融循環下的變形規律尤為重要。國內外學者對土體凍脹融沉破壞進行了大量的研究,王曉剛[1]、白清波等[2]運用Comsol自定義板塊建立了凍土水熱力耦合模型,模擬得到凍結過程中土體各部分溫度的變化規律及水分分布規律;鄭勛等[3]通過對土樣進行凍融循環試驗,發現在凍結過程中土體原有結構遭到破壞,土體顆粒級配會重新分布,連續的凍融還會產生使土的遷移通道擴大、鹽分和水分遷移量增加、強度降低等一系列削減土體工程性質的危害;郭浩天[4]得出長春粉質黏土土水特征曲線VG、BC模型的參數,驗證了土體基質在非飽和土的土顆粒之間起到連接作用和對孔隙水的驅動作用。李海洋等[5]建立 Fisher判別分析模型對土樣進行融沉等級的判定,為多年凍土區凍土融沉等級的判定提供參考。丁雪濤等[6]通過對長春地區粉質黏土進行凍土單軸抗壓強度試驗,得到不同影響因素條件下抗壓強度隨溫度變化的特征曲線。對于季節性凍土區土體力學性質的研究已經相當成熟,但對于季節性凍土區輸電線塔桿基礎穩定性的研究相對較少,為分析季節性凍土區輸電線塔桿偏移的原因,本文從外界環境變化和凍融循環作用兩方面入手,分析季節性凍土區塔桿基礎偏移的原因。

筆者以遼源某季節性凍土區建設工程為依托,基于Comsol多物理場耦合作用,得出凍融循環作用下土體的水分、溫度分布和凍脹變形的變化規律,分析造成輸電線塔桿產生偏移的原因。

1 凍融對基礎偏移的理論分析

在季節性凍土區,建筑物普遍受到凍脹融沉破壞作用,由于初冬氣溫降低,導致土體從表層開始凍結,由于水分的遷移作用,土體表層以及基礎表面產生大量帶有冰晶的土體,使基礎與周圍土體產生膠結作用,為切向凍脹力的產生提供條件。同樣,隨季節升溫,土體融化時,大量的固體冰融化為水,賦存于混凝土周圍,導致基礎周圍的土體結構弱化,建筑物底部抗彎強度減弱,基礎容易產生傾斜破壞。圖1為凍結前塔桿基礎周圍土體水分分布遷移圖,圖2為凍結過程中水分分布遷移圖。

圖1 初始水分分布圖

圖2 水分分布遷移圖

1.1 凍脹對基礎偏移的理論分析

在凍結過程中,由于切向凍脹力的產生,季節性凍土區會產生一定的凍脹破壞,凍脹可分為原位凍脹和分凝凍脹?？紫端粌鼋Y,造成土體體積增大9%,但由于外界水分在土中遷移到冰水相變區并產生凍結,導致體積增大至原來土體的1.09倍。所以飽水土體在開放體系下的分凝凍脹是土體凍脹的主要分量。分凝凍脹的機理包含土中水分遷移與成冰兩個物理過程。前者主要受土體基質的吸附作用以及孔隙的毛細作用、滲透系數和遷移量等因素的影響,后者則取決于界面狀態、冰晶生長情況等因素。土體凍脹變形大都是由于分凝凍脹產生的,原位凍脹只占很小一部分。由于土體凍脹的產生是因為水凝結成冰造成的體積膨脹,所以可以根據體積含冰量的變化來預測土體體積凍脹量。

1.2 融沉對基礎偏移的理論分析

由于混凝土的導熱系數大于基礎土體的導熱系數,故當溫度降低時基礎周圍土體先被凍結,土體顆粒表面的負電荷構成電場的內層,當溫度降低到0 ℃以下時,土中的自由水先凍結成冰。溫度繼續降低,土顆粒周圍的結合水會發生凍結,電場平衡遭到破壞。未凍區土顆粒周圍的水分被源源不斷地吸引到已凍結土顆粒四周,直至電化學勢再次達到平衡[3]。電場的再平衡過程導致凍結過程中土體周圍富含冰晶,當氣溫回升后,由于導熱系數存在差值,所以混凝土周圍的土體先融化,導致大量水分賦存于基礎周圍,削減地基抗彎強度,致使地基結構弱化。

1.3 凍融對顆粒級配的理論分析

因為單位mm的土顆粒接觸應力最大可達500 MPa,同樣可以推斷在土壤中粗粒礦物成冰的過程中,土顆粒之間的節理產生并且擴大,其中閉合節理發生擴張,從而造成粗粒土的分裂現象,而在黏土顆粒中,由于黏土顆粒的雙電層作用,大量未凍水分子以結合水的形式存在,單位質量含水率大于粗粒土的,在雙電層作用下反而會產生團聚作用,經過凍融循環粉粒級顆粒微觀分析發現,粉粒級土體是以細砂為核心的,黏土顆粒是包裹的土顆粒團聚體,所以在凍融循環作用下粉粒級可以向細粒級轉變,黏土級顆?？梢韵虼至＜夀D變,故在多次凍融循環作用后,土顆粒會向某個粒組富集,使得土體滲透性增大,塑性指數減小,從而削減地基的工程性質。

為預測輸電線塔桿地基凍脹融沉后的水分分布情況,本文采用Comsol軟件對季節性凍土區地基溫度、水分和變形情況進行預測。

2 凍土物理場方程和參數的確定及模擬過程

2.1 物理場方程確定

將相變潛熱作為熱源[2],采用克拉伯龍方程來模擬土體凍結過程中溫度場和水分場的變化。

1)土體溫度場方程確定為

(1)

式中:T為土體實時溫度,℃;t為時間,s;θ為土體體積含水率;ρ為土體密度,g/cm3;ρI為土中冰的密度,g/cm3;L為冰水相變潛化熱。

根據固液比定義將體積含冰量和體積含水率相連接,θI=BI(T)·θu。

式(1)與Comsol中偏微分方程相對應可得

(2)

與偏微分方程相對應可得

(3)

2)土體水分場方程確定為

(4)

式中θu為凍土中未凍水的體積含量,θI為孔隙冰的體積含量,k為重力加速度方向的非飽和土體滲透系數,θs為土體體積飽和含水率,θr為殘余體積含水率。

凍土中水的擴散率計算為

(5)

將未凍水含量與初始含水率用未凍水經驗表達式進行組合求解:

(6)

式中:Tf為粉質黏土凍結溫度,℃;ω0為初始含水率;ωu為相應溫度下未凍水含量;B為常數,當土體為粉質黏土時,經驗取值為0.56。

根據式(6)的描述可知初始體積含水率、未凍水和溫度3者關系。

3)粉質黏土應變場方程確定

一般粉質黏土凍結體積的應變和含冰量有關,根據粉質黏土凍結變形系數可得:當ωθI(x,y)>0.000 3時,粉質黏土變形系數[3]為

η(x,y)=0.008 9ωθI(x,y)-0.000 3,

(7)

式中ωθI(x,y)為含冰量θI(x,y)的質量分數,表示為

ωθI(x,y)=0.9θI(x,y)-0.000 3。

(8)

2.2 模擬參數確定

本文采用VG模型對土水特征曲線進行擬合,VG模型表示為

(9)

式中:θw為粉質黏土體積含水率,%;θs為飽和體積含水率,%;θr為粉質黏土殘余體積含水率,%;s為粉質黏土基質吸力,kPa。

根據測試的粉質黏土體土水特征曲線參數[4],可知a、m、θs、θr的取值,ks為土體滲透系數,通過

薄壁滲透儀測定(表1)。

表1 滲透系數測定 單位:cm/s

最終測定遼源地區粉質黏土滲透系數為5.234×10-8,水力學模型參數見表2。

表2 材料的水力學模型參數

為考慮凍結過程中土體力學性質改變,土體的黏聚力C、內摩擦角φ、彈性模量E、泊松比ν計算公式為

E=a1+b1|T|m,

(10)

ν=a2+b2|T|,

(11)

C=a3+b3|T|,

(12)

φ=a4+b4|T|,

(13)

式中ai、bi均為試驗常數,T表示土溫,m通常選取0.6。凍結過程中土體力學性質參數見表3。

表3 力學系數

本模型參數選取參照《凍土物理學》《混凝土設計規范》等,仿真模型參數見表4。

表4 仿真模型參數

2.3 模擬過程

為預測遼源地區輸電線塔桿基礎在環境溫度發生變化時,土體內部水分、溫度的變化規律,根據輸電線塔桿凍脹融沉影響范圍,建立10m×10m×2m的長方體仿真模型,塔桿位于模型中心,底部基礎直徑設定為46.4cm,通過Comsol軟件建立模型(圖3)。

圖3 模型網格剖分圖/m

將基礎土體體系建立為三維的軸對稱模型,基礎埋深設為1.5m,根據塔桿周圍土體凍脹影響范圍確定土體地基建模范圍,根據物理場要求進行網格剖分,剖分為1 884個邊界單元和192個邊單元。完整網格包含30 328個域單元、3 182個邊界單元和 256個邊單元。

初始邊界條件設定。將凍結溫度邊界條件設定為-25 ℃,土體初始含水率配比均勻,初始飽和度均為0.6,換算初始含水率為26.1%。試驗初始溫度設為33.85 ℃,凍結管制冷溫度設定為-25 ℃。凍結20d,融化20d,凍結過程水分場、溫度場和變形場模擬云圖如圖4～12所示。為使結果清晰可見,圖5～6、圖9～11均為局部放大圖,圖12為凍脹量最大時變形模擬云圖。

圖4 0 h溫度場分布模擬云圖

圖5 300 h溫度場分布模擬云圖

圖6 600 h溫度場分布模擬云圖

圖7 960 h溫度場分布模擬云圖

圖8 0 h水分場分布模擬云圖

圖9 300 h水分場分布模擬云圖

圖10 600 h水分場分布模擬云圖

圖11 960 h水分分布模擬云圖

圖12 預測凍脹變形模擬云圖

2.3.1 溫度變化過程

根據模擬過程中,由圖5模擬結果可得,基礎周圍土體凍結初期,由于混凝土的導熱系數大于土體的,故混凝土周圍率先降溫,在同一高度,土體凍結過程中,基礎周圍的溫度已經降低至-24.35 ℃,而遠離基礎的最低溫度為-20.25 ℃,由于溫度梯度的差異,導致水分沿著溫度梯度減小的方向遷移,冰晶薄層吸附于混凝土周圍,將土體與基礎膠結在一起,為基礎土體體系共同上拔提供媒介,土體在凍脹過程中,體積變化的主要原因是土中水分凍結成冰產生的體積膨脹,由此便可根據含冰量的變化預測土體凍結后的體積膨脹量,這也為計算季節性凍土區土體體積膨脹提供了一種簡便的方法[1]。

2.3.2 土體水分、凍脹變形變化過程

當20d凍結結束時,根據圖12的模擬結果同樣可以得出,土體自由平面最終變形量可以達到4.43cm,基礎最終上拔量可達6.84cm。當溫度回升,地基土體融化過程中,基礎周圍的土體融化速度大于同一高度其他位置的。如圖10所示,融化過程中,在凍融界面交界處,基礎周圍飽和度已經達到了0.490 8,而同一高度的其他位置飽和度依然處于0左右。同樣由圖11可得,基礎底部,當遠離基礎的土體未融化時,基礎周圍土體含水率已達到11.52%,由此可見,由于混凝土與土體導熱系數的差異,以及含冰量的賦存與凍融界面的阻礙作用,導致大量水分滯留在凍融界面,凍融界面含水率逐漸增大,基礎周圍土體力學性能受到嚴重的削減,由此可能造成基礎失穩的情況。

3 環境變化對基礎偏移的影響

為預測輸電線塔桿四季隨凍融循環變化的規律,尋找塔桿基礎薄弱的時間段,以遼源地區粉質黏土為例,結合遼源地區季節溫度變化,進一步分析塔桿在工作中產生偏移的時間段,為塔桿預警前期工作做好充足準備。

采用正弦函數對遼源地區溫度變化進行模擬,得到擬合方程為

(14)

式中:t為時間,h;T為溫度,℃。

將所得方程帶入邊界初始條件,得到遼源地區預測未來兩年內溫度函數曲線(初始時間為每年的7月30日),如圖13所示。

圖13 預測遼源地區未來兩年的溫度變化

圖14～17為遼源地區預測每年在固定時間段凍脹過程中溫度、水分變化模擬云圖,圖18為最大凍脹位移模擬云圖。

圖14 預測11月中旬溫度模擬云圖

圖15 預測4月中旬溫度模擬云圖

圖16 預測11月中旬水分模擬云圖

圖17 預測4月中旬水分模擬云圖

圖18 預測1月份最大凍脹量模擬云圖

根據遼源氣象局報告可以得到,遼源氣候屬溫帶大陸性半濕潤氣候類型。1月份達到全年最低氣溫,通過模擬可知:基礎凍脹量達到最大值為15.6cm,土體最大凍脹量為7.99cm。預測每年的11月15日凍結過程中,同一高度,接近基礎的位置含冰量要高于其他位置,凍結過程基礎周圍含冰量的增加,凍結前初始飽和度設為0.6,預測每年的4月16日融化過程可以通過圖17觀察到,圖中黃色區域飽和度已經達到0.62,基礎底部周圍土體飽和度更是達到1.0,粉質黏土飽和含水率為43.44%,而同一高度其他位置的土體未融化,并且遼源地區春季大風天氣較多,風力最大月份大概在3—4月份,最大風速可達30m/s。此時恰是春天來臨,溫度回升,是土體融化的月份,基礎處于最不穩定階段,經前述模擬結果分析可知,當土體含水率過大時,土體抗彎強度降低,基礎周圍融化土體部分含水率較高,當風力作用于輸電線塔桿時,輸電線基礎底部抗彎強度不足以保持穩定,故輸電線塔桿會發生偏移。

4 結論

1)使用仿真模擬軟件建立季節性凍土區輸電線塔桿基礎凍脹融沉水熱力耦合模型,確定凍融循環對輸電線塔桿穩定性的影響,利用多物理場耦合作用分析塔桿產生偏移的原因。

2)通過仿真模擬方式得到,在為期40d凍融循環后,基礎底部土體的含水率由原來的26.1%增加為43%。

3)將遼源地區環境變化與工程破壞原因相關聯,發現塔桿基礎抗剪強度的薄弱月份為4月,預測地基強度薄弱時間可以為工程防護提供參考。