CN106812130B - 一种输变电工程塔基基坑冻结方法 - Google Patents

一种输变电工程塔基基坑冻结方法 Download PDF

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CN106812130B CN201710054196.6A CN201710054196A CN106812130B CN 106812130 B CN106812130 B CN 106812130B CN 201710054196 A CN201710054196 A CN 201710054196A CN 106812130 B CN106812130 B CN 106812130B
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02D27/42Foundations for poles, masts or chimneys

Abstract

本发明公开的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,包括以下步骤:施工前的准备;冻结方式的确定;冻结参数的确定;冻结布置圈径和孔数的确定;测温孔、水文孔的确定;冻结管和打钻设备的选择;钻孔、连接干管;加工底座、设备就位;管道与设备连接;设备调试、试运行以及运行监测;试开挖;正式开挖。本发明提供的一种输变电工程塔基基坑冻结方法挖掘的塔基基坑能够保证基坑的强度和稳定性,隔绝地下水,有效解决恶劣地质条件和地下水位高无法排降情况下土石方开挖难题。

Description

一种输变电工程塔基基坑冻结方法
技术领域
本发明涉及变电工程基坑支护施工方法,具体地说是一种输变电工程塔基基坑冻结方法。
背景技术
地处黄河岸边的特高压交流输变电工程塔基建设,塔基处地层主要为第四系全新统冲积层和第四系上更新统冲积层,地层岩性为粉土、粉质粘土、粉细砂,并且在黄河跨越段,施工期间地下水位较高,按照常规的施工方法,进行井点降水,效果不理想,基坑开挖后均有塌方现象,安全隐患较大的基础土石方开挖有几种常规方法,如:明沟排水、增大坡比、设挡土板、井点降水、填石排泥等,但面对土质恶劣、水位高的环境效果往往并不理想;此外采用排降水措施施工会抽排出大量的地下废水,排放到周边会造成环境的二次污染,特别是盐碱地的盐碱水在农村环境下不论排放在哪里都会对环境造成比较严重的影响。因此迫切需要探索一种适用于特高压输电线路基础工程施工的冷冻技术方案,以切实解决现场地质条件恶劣、地下水位无法排降的施工难题。
为保证基坑施工安全,需用冻结工法在基坑四周形成封水冻结帷幕,然后在冻结帷幕的保护下开挖基坑。冻结法是利用人工制冷技术,使地层中的水冻结,把然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌施工技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。利用冷冻技术将地层降温形成局部冻土层,增加其强度和稳定性;同时阻断或减缓地下水的侵入,为土石方开发创造良好条件;有效解决恶劣地质条件、水位高无法排降情况下的土石方开挖难题;满足现场基础质量和环境保护的要求,填补电力行业空白。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题,提供一种强度和稳定性高,能够隔绝地下水,有效解决恶劣地质条件和地下水位高无法排降情况下土石方开挖难题的输变电工程塔基基坑冻结方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
一种输变电工程塔基基坑冻结方法,包括以下步骤:
(1)施工前的准备;
(2)冻结方式的确定
采用盐水冻结法进行冻结,利用氟利昂作为制冷介质制取低温盐水,将低温盐水送入基础周围的专用冻结管中进行循环,将地层热量带出进而冻结地层;冻结方案采用垂直孔冻结方案;
(3)冻结参数的确定
对冻结深度、冻结臂厚、冻结壁平均温度进行确定,并且对冻结深度以及冻结壁厚进行验证分析;
将粉质粘土作为稳定隔水层冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m,选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m;冻结壁厚度设置为0.5m;冻结壁的平均温度为-8℃;
冻结深度和冻结壁厚的验算分析过程为:
对冻土墙的冻结深度和冻结壁厚的确定需要计算出作用在冻土墙上的主动土压力和被动土压力,通过主动土压力和被动土压力对冻土墙的冻结深度和冻结厚度进行验算;
对主动土压力和被动土压力进行计算的方法如下:
土压力应包括两部分,即水压力和有效土压力,对于渗透性好的砂粉土或杂填土,同时考虑水压力,即进行水土压力分算法;对于透水性差的粘土,进行水土压力合算法;
A主动土压力计算
砂性土、粉土及透水性好的杂填土按水土压力分算原则确定主动土压力为:
式中:
eaik——作用于冻土墙上的主动土压力,Mpa;
σaik——作用于深度zi处不考虑水浮力的正压力的标准值,Mpa;
zi——计算点深度,m;
ci——第i层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwa——基坑外侧水位深度,m;
Kai——第i层土的主动土压力系数;
——第i层土的内摩擦角,单位°;
对于粘性土根据水土合算的原则确定主动土压力为:
根据多数基坑支护工程的实测资料证明主动土压力在基坑开挖深度以下与朗肯主动土压力有较大的差距,在基坑底以下主动土压力不再随深度呈线性增加,从另一角度分析,在按传统的计算重力式挡土墙的方法进行稳定性验算时,出现基坑底以下主动土压力随着挡土墙深度的增加而降低的趋势,因此在计算主动土压力时,需采用如下修正方法:计算点位于基坑开挖面以下时,可以取σaik=γ·h,其中γ指开挖面以上土层的加权平均值,h指基坑开挖深度,单位m;
B被动土压力的计算
对于砂性土、粉土及透水性好的杂填土采用水土分算原则计算被动侧压力为:
对于粘性土按水土分算的原则确定被动土压力为:
式中:
epjk——作用于冻土墙上的被动土压力,Mpa;
zj——计算点深度,m;
cj——第j层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwp——基坑内侧水位深度,m;
Kpj——第j层土的被动土压力系数;
——第j层土的内摩擦角,单位°;
按照止水作用对冻结深度进行验证分析方法如下:
当地下水位较高且基坑底面以下为砂土、粉土地层时,冻土墙作为帷幕墙的插入深度应满足防止发生流土现象的要求;
离墙体距离为Bw的范围内单位宽度地下水上浮力为:
F=γwBwhw
其中,hw为Bw范围内单位宽度地下水头平均高度,其按经验取hw=Hw/2,Bw=D/2,hw单位为m,Bw单位为m,Hw为基坑外侧水位距离基坑底部的距离,单位为m,D是嵌固深度,单位为m;
离墙体距离为Bw的范围内墙底端高程以上土重为:
W=JcrγwDBw
其中,Jcr为临界水力坡度,Jcr=(Gs-1)(1-n),其中Gs为土的比重;n为土的孔隙比;
当W≥F时不会发生流土现象,则嵌固深度:
其中,Ks为抗流土安全系数,一般取1.5~2.5;
按抗倾覆稳定对冻土墙厚度的验算分析如下:
重力式围护结构的嵌固深度确定后,墙厚对抗倾覆稳定起控制作用;按重力式围护结构的抗倾覆极限平衡条件来确定最小结构厚度,取单位长度墙体进行计算,所述单位长度墙体为1m长的墙体;
C对砂性土、粉土及透水性好的杂填土
倾覆力矩 Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足 MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
式中:
∑Ea——基坑主动侧水平力的总和,kN;
∑Ep——基坑被动侧水平力的总和,kN;
ha——基坑主动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hp——基坑被动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hwa——基坑外侧地下水位埋深,m;
hwp——基坑内侧地下水位埋深,m;
H——基坑的深度,m;
D——嵌固深度,m;
γD——冻土的重度,kN/m3
D对粘性土
倾覆力矩 Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足 MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
该地层冻结属粉土及粉质粘土冻结,设计冻结壁厚度0.5m,经进行平板挡土墙应力计算并结合相应工程的施工经验,证实安全可靠,同时利于减少工程量,既安全又经济;
基坑开挖深度2.8m,根据提供的地质柱状图和土工试验资料,将粉质粘土作为稳定隔水层,根据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》MT/T1124-2011要求,冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m。故选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m,经验算后,嵌固深度为7.5m时不会发生流土现象;
(4)冻结布置圈径和孔数的确定;
(5)测温孔、水文孔的确定;
(6)冻结管和打钻设备的选择;
(7)钻孔、连接干管;
(8)加工底座、设备就位;
(9)管道与设备连接;
(10)设备调试、试运行以及运行监测;
(11)试开挖;
(12)正式开挖。
进一步地,步骤(1)中所述施工前的准备包括施工场地的选择,场地平整后地面高程为+15.64m,基坑开挖后形成垂直坑壁,长×宽×高为8.5×8.5m×2.8m,地下水位距地表1.3m。
进一步地,步骤(2)中所述低温盐水采用氯化钙盐水。
进一步地,步骤(4)中冻结孔52个,冻结孔之间的间距为0.72m。
进一步地,步骤(5)中冻结孔圈径内外均布置一个,外测孔深7.5m,内测孔深7.5m,测温孔布置在冻土发展最不利点;
所述水文孔位于基坑内部靠近中心,水文孔采用直径为89mm的无缝钢管,深度为3.0m。
进一步地,步骤(6)中所述冻结管全部采用GB8163-2008标准流体用无缝钢管,通过内管箍连接,冻结管直径为89mm。
进一步地,步骤(7)中钻孔过程包括施工井盘及泥浆池、循环沟槽的施工、钻孔布放、钻探设备安装、供电设备安装、设备试运行的过程。
进一步地,步骤(10)中每日需监测测温孔温度变化、水文孔水位变化、管道及设备各处温度,推断冻土层发展情况。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供的一种输变电工程塔基基坑冻结方法采用盐水冻结法,利用冷冻技术将地层降温形成局部冻土层,安全可靠性好,可有效的隔绝地下水;适应面广,适用于任何含一定水量的松散岩土层,在复杂水文地质如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层条件下冻结技术有效、可行;灵活性好,可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围,必要时可以绕过地下障碍物进行冻结;可控性较好,冻结加固土体均匀、完整;污染性小,“绿色”施工方法,符合环境岩土工程发展趋势,满足现场基础质量和环境保护的要求,并且有效解决恶劣地质条件、水位高无法排降情况下的土石方开挖难题;经济上合理。
2、本发明提供的一种输变电工程塔基基坑冻结方法将粉质粘土作为稳定隔水层冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m,选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m,冻结壁厚度设置为0.5m,经过验算证实该深度与厚度安全可靠,同时利于减少工程量,既安全又经济。
附图说明
图1为本发明工作流程图;
图2为本发明盐水冷冻法示意图;
图3为本发明冻结孔俯视图;
图4为本发明基坑剖视图;
图5为冻土墙所受侧土压力示意图;
图6为砂性土、粉土及透水性好的杂填土冻土墙受力图;
图7为粘性土冻土墙受力图;
图8为流土计算图。
图中:1、冻结孔,2、冻土帷幕,3、基坑,4、水文孔。
具体实施方式
根据图1所示,一种输变电工程塔基基坑冻结方法,包括以下步骤:
(1)施工前的准备;
根据图3和图4所示,基坑开挖后形成垂直坑壁,长×宽×高为8.5×8.5m×2.8m,地下水位距地表1.3m。对施工场地进行选择,平整后地面高程为+15.64m,塔基处地层主要为第四系全新统冲积层(Q4al)和第四系上更新统冲积层(Q3al),地层岩性为粉土、粉质粘土、粉细砂。
(2)冻结方式的确定
根据图2所示,采用盐水冻结法进行冻结,利用氟利昂作为制冷介质制取低温盐水,所述低温盐水采用氯化钙盐水,将低温盐水送入基础周围的专用冻结管中进行循环,将地层热量带出进而冻结地层,带出地层的热量在蒸发器处通过制冷剂的制冷循环从盐水里带走,制冷剂中的热量被带入冷却水循环系统,在冷凝器处将热量带走;冻结方案采用垂直孔冻结方案,通过在基坑四周形成封水冻结帷幕,阻隔地下水之间的联系。
也可采用液氮冻结的方式,液氮冻结就是将低温液态介质(液氮N2)直接从罐车中送入冻结管内蒸发,把地层中的热量带出,液氮循环气化后排到大气中。利用液氮的气化潜热和温升显热实现制冷,吸收地层中的热量,实现土层的快速冻结,属于物态变化的制冷范畴。
在常温、常压下,氮是无色、无味、无毒的气体。在常压下冷至-195.8℃时,变成无色透明、易于流动的液氮,在-210.1℃时,液氮凝固成雪状的固体。液氮的惰性很强,稳定性好,与任何物质不起化合反应。液氮在常压下的蒸发温度为-195.8℃,蒸发潜热为161.2MJ/M3,定压比热为1.03KJ,从它的沸点到-20℃的冻结终端温度所挥发的制冷量为383.1KJ/kg;在一个大气压,沸点(摄氏-195.8℃)时液氮的密度为808.3kg/m3。另外,土层液氮冻结系统简单,使用设备少,不需要市电或发电机组支持。具有冻结速度快、温度低等特点,并且对周围环境无污染。但液氮冻结成本较高,在局部冻结工程或抢险工程中常采用液氮冻结技术。
考虑到冻结方式的推广性、适用性以及成本高低等因素,经综合比较决定在本发明基坑支护过程中采用盐水冻结方式。
(3)冻结参数的确定
在冻结参数确定的过程中,将粉质粘土作为稳定隔水层,冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m,选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m;冻结壁厚度设置为0.5m;冻结壁的平均温度为-8℃;
根据图5、图6和图7所示,在深基坑围护结构中,外界荷载由冻土墙和混凝土称共同来承担,但冻土墙对深基坑的稳定性及地下结构工程的施工安全性起到主导作用。
作用在冻土墙上的土压力称为侧土压力,它分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种,其分布情况与大小不仅与地基土体的特性有关,而且在很大程度上还与支护结构本身的变形有关,它是作用在冻土墙上的最主要荷载。在侧土压力的计算中,最重要的是冻土墙给予土体的变形条件,作为临时性深基坑围护体系,根据基坑侧壁安全及重要性,一般允许基坑有不同程度的变形,因此冻土墙的侧土压力符合墙前被动土压力和墙后主动土压力的计算理论。在基坑开挖到基坑底后,在侧土压力作用下,冻土墙会产生横向位移和绕墙踵转动变形,冻土墙由ABC位移到A'B'C',则冻土墙外侧承受主动土压力,而在基坑开挖侧冻土墙将从基坑底起承受被动土压力。
对主动土压力和被动土压力进行计算的方法如下:
土压力的计算,当不考虑地下水的存在时,比较简单,但是在地下水位以下,而且基坑内外存在较大的水位差的条件下,土压力应包括两部分,即水压力和有效土压力。对于渗透性好的砂粉土或杂填土,同时考虑水压力,即进行水土压力分算法;对于透水性差的粘土,进行水土压力合算法。
A主动土压力计算
所示,砂性土、粉土及透水性好的杂填土按水土压力分算原则确定主动土压力为:
式中:
eaik——作用于冻土墙上的主动土压力,Mpa;
σaik——作用于深度zi处不考虑水浮力的正压力的标准值,Mpa;
zi——计算点深度,m;
ci——第i层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwa——基坑外侧水位深度,m;
Kai——第i层土的主动土压力系数;
——第i层土的内摩擦角,单位°;
对于粘性土根据水土合算的原则确定主动土压力为:
根据多数基坑支护工程的实测资料证明主动土压力在基坑开挖深度以下与朗肯主动土压力有较大的差距,在基坑底以下主动土压力不再随深度呈线性增加。从另一角度分析,在按传统的计算重力式挡土墙的方法进行稳定性验算时,出现基坑底以下主动土压力随着挡土墙深度的增加而降低的趋势。因此在计算主动土压力时,需采用如下修正方法:计算点位于基坑开挖面以下时,可以取σaik=γ·h,其中γ指开挖面以上土层的加权平均值,h指基坑开挖深度。
B被动土压力的计算
对于砂性土、粉土及透水性好的杂填土采用水土分算原则计算被动侧压力为:
对于粘性土按水土分算的原则确定被动土压力为:
式中:
epjk——作用于冻土墙上的被动土压力,Mpa;
zj——计算点深度,m;
cj——第j层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwp——基坑内侧水位深度,m;
Kpj——第j层土的被动土压力系数;
——第j层土的内摩擦角,单位°;
根据图8所示,按照止水作用对冻结深度进行验证分析方法如下:
当地下水位较高且基坑底面以下为砂土、粉土地层时,冻土墙作为帷幕墙的插入深度应满足防止发生流土现象的要求。
离墙体距离为Bw的范围内单位宽度地下水上浮力为:
F=γwBwhw
其中,hw为Bw范围内单位宽度地下水头平均高度,其按经验取hw=Hw/2,Bw=D/2,hw单位为m,Bw单位为m,Hw为基坑外侧水位距离基坑底部的距离,单位为m,D是嵌固深度,单位为m;
离墙体距离为Bw的范围内墙底端高程以上土重为:
W=JcrγwDBw
其中,Jcr为临界水力坡度;
当W≥F时不会发生流土现象,则嵌固深度:
其中,Ks为抗流土安全系数,一般取1.5~2.5;
按抗倾覆稳定对冻土墙厚度的验算分析如下:
重力式围护结构的嵌固深度确定后,墙厚对抗倾覆稳定起控制作用。而在所确定的嵌固深度条件下,当抗倾覆满足后,抗滑动自然满足,因此按重力式围护结构的抗倾覆极限平衡条件来确定最小结构厚度,取单位长度墙体进行计算,所述单位长度墙体为1m长的墙体。
C对砂性土、粉土及透水性好的杂填土
倾覆力矩 Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足 MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
式中:
∑Ea——基坑主动侧水平力的总和,kN;
∑Ep——基坑被动侧水平力的总和,kN;
ha——基坑主动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hp——基坑被动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hwa——基坑外侧地下水位埋深,m;
hwp——基坑内侧地下水位埋深,m;
H——基坑的深度,m;
D——嵌固深度,m;
γD——冻土的重度,kN/m3
D对粘性土
倾覆力矩 Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足 MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
该地层冻结属粉土及粉质粘土冻结,设计冻结壁厚度0.5m,经进行平板挡土墙应力计算并结合相应工程的施工经验,证实安全可靠,同时利于减少工程量,既安全又经济。
通过以上按冻土墙的止水作用所确定的最大嵌固深度即为所需的冻土墙嵌固深度计算值。当引入地区性的安全系数和基坑安全等级进行修正后,即为嵌固深度的设计值,一般取计算值的1.1~1.2倍。
基坑开挖深度2.8m,根据提供的地质柱状图和土工试验资料,将粉质粘土作为稳定隔水层。根据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》MT/T1124-2011要求,冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m。故选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m,经验算后,嵌固深度为7.5m时不会发生流土现象。
(4)冻结布置圈径和孔数的确定;
根据图3和图4所示,均匀布置冻结孔,保证冻结壁内温度分布尽可能均匀,减少片帮现象。
冻结孔圈径布置须满足公式:
D=D+2×0.55×E
按规范要求放炮距离:D=D+2×1.2
圈径与孔数的关系:孔数=圈径×π÷开孔间距
根据确定的冻结壁厚度与防止片帮,冻结孔距荒径的距离设为0.5m;正方形圈径的边长为8.5+0.5*2=9.5m。
为了缩短冻结工期,冻结孔开孔间距适当缩小,因此确定冻结孔52个,开孔间距0.72m。
(5)测温孔、水文孔的确定;
测温孔的布置原则为:
1)布置在水流上方;2)最大孔间距处;3)尽量对称布置;4)尽可能反映整个基坑的温度场情况。
对测温孔施工的要求:
1)采用φ53×3.5mm无缝钢管;2)管内严禁灌水,必须保证焊接质量,确保无渗漏。
冻结孔圈径内外均布置一个测温孔,外测孔深7.5m,内测孔深7.5m,测温孔布置在冻土发展最不利点;
所述水文孔位于基坑内部靠近中心,水文孔采用直径为89mm的无缝钢管,深度为3.0m。
(6)冻结管和打钻设备的选择;
冻结管全部采用GB8163-2008标准流体用无缝钢管,采用内管箍连接。冻结管规格:φ89×4㎜。
钻探设备中钻机选用YGL-100型履带式钻机;泥浆泵选用TBW—450型泥浆泵。
所述打钻设备还配置有测斜仪器和定向仪器;
采用水准仪等专用测量设备对冻结孔开孔标高、孔位进行放线测量,确保实际孔位及冻结孔下放深度符合设计要求;采用灯光测斜仪对冻结孔实际偏斜情况进行测量,保证冻结孔的偏斜值及孔间距符合设计要求。
(7)钻孔、连接干管;
所述钻孔过程包括施工井盘及泥浆池、循环沟槽的施工、钻孔布放、钻探设备安装、供电设备安装、设备试运行的过程。
所述施工井盘采用混凝土盘,混凝土厚度200mm。
井盘基础制做:挖至老土夯实并回填夯实至原地表面,在混凝土盘覆盖的区域再铺0.2m沙石垫层轧实、整平,但钻孔附近不得填沙石,以免施工中沙石向孔内脱落。在沙石垫层之上浇注C20混凝土,厚度为0.40m,并预留出钻孔窝和泥浆循环沟槽。
所述钻孔的布放采用经纬仪极坐标法,孔位误差不大于25mm。
所述钻探设备安装要稳固、周正、水平,天轮立轴及钻孔中心要位于同一垂直线上;钻塔上安设避雷针,其接地线不能与钻塔接触,接地电阻不得大于10Ω;所有电气设备都要有合格的接地极,配电室开关箱设漏电保护装置。
所述供电设备中变压器可露天安装,但配电装置及设施必须安装在室内;露天变压器周围必须设墙隔离,并挂设安全警示牌;按规定配备绝缘鞋和绝缘手套等保护用品以及灭火器、消防沙和消防锨等灭火器材。
(8)加工底座、设备就位;
(9)管道与设备连接;
(10)设备调试、试运行以及运行监测;
每日需监测测温孔温度变化、水文孔水位变化、管道及设备各处温度,推断出冻土层发展情况。
(11)试开挖;
开挖位置位于冻结管外侧500mm处,观察开挖后的情况,确认冻结壁是否已经形成,判断是否具备正式开挖条件。
(12)正式开挖。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,在本发明技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,包括以下步骤:
(1)施工前的准备;
(2)冻结方式的确定
采用盐水冻结法进行冻结,利用氟利昂作为制冷介质制取低温盐水,将低温盐水送入基础周围的专用冻结管中进行循环,将地层热量带出进而冻结地层;冻结方案采用垂直孔冻结方案;
(3)冻结参数的确定
对冻结深度、冻结臂厚、冻结壁平均温度进行确定,并且对冻结深度以及冻结壁厚进行验证分析;
将粉质粘土作为稳定隔水层冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m,选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m;冻结壁厚度设置为0.5m;冻结壁的平均温度为-8℃;
冻结深度和冻结壁厚的验算分析过程为:
对冻土墙的冻结深度和冻结壁厚的确定需要计算出作用在冻土墙上的主动土压力和被动土压力,通过主动土压力和被动土压力对冻结深度和冻结厚度进行验算;
对主动土压力和被动土压力进行计算的方法如下:
主动土压力和被动土压力的土压力应包括两部分,即水压力和有效土压力,对于渗透性好的砂粉土或杂填土,同时考虑水压力,即进行水土压力分算法;对于透水性差的粘土,进行水土压力合算法;
A主动土压力计算
砂性土、粉土及透水性好的杂填土按水土压力分算原则确定主动土压力为:
式中:
eaik——作用于冻土墙上的主动土压力,Mpa;
σaik——作用于深度zi处不考虑水浮力的正压力的标准值,Mpa;
zi——计算点深度,m;
ci——第i层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwa——基坑外侧水位深度,m;
Kai——第i层土的主动土压力系数;
——第i层土的内摩擦角,单位°;
对于粘性土根据水土合算的原则确定主动土压力为:
根据多数基坑支护工程的实测资料证明主动土压力在基坑开挖深度以下与朗肯主动土压力有较大的差距,在基坑底以下主动土压力不再随深度呈线性增加,从另一角度分析,在按传统的计算重力式挡土墙的方法进行稳定性验算时,出现基坑底以下主动土压力随着挡土墙深度的增加而降低的趋势,因此在计算主动土压力时,需采用如下修正方法:计算点位于基坑开挖面以下时,取σaik=γ·h,其中γ指开挖面以上土层的加权平均值,h指基坑开挖深度,单位m;
B被动土压力的计算
对于砂性土、粉土及透水性好的杂填土采用水土分算原则计算被动侧压力为:
对于粘性土按水土分算的原则确定被动土压力为:
式中:
epjk——作用于冻土墙上的被动土压力,Mpa;
zj——计算点深度,m;
cj——第j层的内聚力,根据直剪试验确定,Mpa;
γw——水的重度,kN/m3
hwp——基坑内侧水位深度,m;
Kpj——第j层土的被动土压力系数;
——第j层土的内摩擦角,单位°;
按照止水作用对冻结深度进行验证分析方法如下:
当地下水位较高且基坑底面以下为砂土、粉土地层时,冻土墙作为帷幕墙的插入深度应满足防止发生流土现象的要求;
离墙体距离为Bw的范围内单位宽度地下水上浮力为:
F=γwBwhw
其中,hw为Bw范围内单位宽度地下水头平均高度,其按经验取hw=Hw/2,Bw=D/2,hw单位为m,Bw单位为m,Hw为基坑外侧水位距离基坑底部的距离,单位为m,D是嵌固深度,单位为m;
离墙体距离为Bw的范围内墙底端高程以上土重为:
W=JcrγwDBw
其中,Jcr为临界水力坡度;
当W≥F时不会发生流土现象,则嵌固深度:
其中,Ks为抗流土安全系数,一般取1.5~2.5;
按抗倾覆稳定对冻土墙厚度的验算分析如下:
重力式围护结构的嵌固深度确定后,墙厚对抗倾覆稳定起控制作用;按重力式围护结构的抗倾覆极限平衡条件来确定最小结构厚度,取单位长度墙体进行计算,所述单位长度墙体为1m长的墙体;
C对砂性土、粉土及透水性好的杂填土
倾覆力矩Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
式中:
∑Ea——基坑主动侧水平力的总和,kN;
∑Ep——基坑被动侧水平力的总和,kN;
ha——基坑主动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hp——基坑被动侧水平合力作用点距墙底部的距离,m;
hwa——基坑外侧地下水位埋深,m;
hwp——基坑内侧地下水位埋深,m;
H——基坑的深度,m;
D——嵌固深度,m;
γD——冻土的重度,kN/m3
D对粘性土
倾覆力矩Ms=∑Eaha
抗倾覆力矩
满足MT≥1.5MS
则求得冻土墙厚度B:
该地层冻结属粉土及粉质粘土冻结,设计冻结壁厚度0.5m,经进行平板挡土墙应力计算并结合相应工程的施工经验,证实安全可靠,同时利于减少工程量,既安全又经济;
基坑开挖深度2.8m,根据提供的地质柱状图和土工试验资料,将粉质粘土作为稳定隔水层,根据《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》MT/T1124-2011要求,冻结深度需进入稳定隔水层,并超过开挖深度5~8m。故选取塔基坑四周冻结帷幕冻结深度为7.5m,经验算后,嵌固深度为7.5m时不会发生流土现象;
(4)冻结布置圈径和孔数的确定;
(5)测温孔、水文孔的确定;
(6)冻结管和打钻设备的选择;
(7)钻孔、连接干管;
(8)加工底座、设备就位;
(9)管道与设备连接;
(10)设备调试、试运行以及运行监测;
(11)试开挖;
(12)正式开挖。
2.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(1)中所述施工前的准备包括施工场地的选择,场地平整后地面高程为+15.64m,基坑开挖后形成垂直坑壁,长×宽×高为8.5×8.5m×2.8m,地下水位距地表1.3m。
3.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(2)中所述低温盐水采用氯化钙盐水。
4.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(4)中冻结孔52个,冻结孔之间的间距为0.72m。
5.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(5)中冻结孔圈径内外均布置一个,外测孔深7.5m,内测孔深7.5m,测温孔布置在冻土发展最不利点;
所述水文孔位于基坑内部靠近中心,水文孔采用直径为89mm的无缝钢管,深度为3.0m。
6.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(6)中所述冻结管全部采用GB8163-2008标准流体用无缝钢管,通过内管箍连接,冻结管直径为89mm。
7.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(7)中钻孔过程包括施工井盘及泥浆池、循环沟槽的施工、钻孔布放、钻探设备安装、供电设备安装、设备试运行的过程。
8.根据权利要求1所述的一种输变电工程塔基基坑冻结方法,其特征是,步骤(10)中每日需监测测温孔温度变化、水文孔水位变化、管道及设备各处温度,推断冻土层发展情况。
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