青藏高原多年冻土地基电力杆塔热棒桩基的热力耦合研究

发布时间：2020-04-24 18:22

【摘要】：在多年冻土地基上建造电力输电杆塔,最大的难题就是如何解决电力杆塔基础的稳定性问题。在全球气候变暖的大背景下,多年冻土融化层逐年加厚,冻土上限下移。由于电力杆塔基础一般埋深较浅,活动层在寒季冻结时对杆塔基础产生的冻拔力,经过几个或长期冻融循环后,地基土与杆塔基础相互作用,产生冻拔现象,造成输电杆(塔)变形或倾覆,甚至会使基础被拔出而破坏。为准确的计算热棒应用于输电塔桩基础的长期降温效果、桩顶冻拔位移及桩身切向冻胀力(冻结力)的分布规律,本文以青藏高原望昆~不冻泉段电力杆塔热棒桩基础、普通桩基础(无热棒桩基础)的现场试验为背景,主要进行以下研究:(1)现场试验数据进行整理,得到电力杆塔热棒桩基础、普通桩基础在2004年及2005年的实测温度场和桩基冻拔量。实测数据表明:2005年热棒桩基地温低于2004年的基础地温,不同深度处的平均地温最大降幅为0.77℃;普通桩基础不同深度处的平均地温两年大致相同或略有升高;与普通桩基相比热棒桩基对地温的降低和冷储量的增加效果是明显的,而且这种效果随着时间的推移会越来越明显。从桩顶位移可以看出,无论热棒桩基础还是普通桩基础,均有冻拔现象,但普通桩基的冻拔现象严重。(2)温度场数值计算,基于冻土传热学相关知识,考虑全球气候变暖、冻土相变、混凝土水化放热、热棒功率变化等因素,结合现场试验,建立热棒桩基的三维有限元模型,采用迭代的计算方法计算分析50 a内热棒功率和桩土体系温度场。最初两年内的计算值与实测值吻合度较高,说明数值计算能较好的模拟此场地桩土体系温度的动态变化;在热棒的全寿命周期30 a内,热棒功率呈非连续波浪递减式变化;热棒桩基能有效增加冷储量,降低土体地温,缩短桩周土体回冻时间约34%,第5年桩周土体地温降至最低,融化深度最小,第30年可提高冻土上限48 cm;建议在热棒寿命结束后的第2年更换新的热棒或进行其他工程处理措施保持输电塔基础的热稳定。(3)热力耦合数值计算,考虑冻土的相变、相对含冰率、冻胀率、泊松比等影响因素,建立桩土接触单元,以温度场计算结果为基础,计算了多年冻土地基电力杆塔热棒桩基和普通桩基的桩顶冻拔位移、桩身切向冻胀力(冻结力)大小及分布规律。
【图文】：

(e) (f)图 1.1 冻土区工程建筑物的一些常见破坏形式在寒区工程建设中主要有两大冻土灾害冻胀和融沉，图 1.1 为冻土区工程建筑常见破坏形式[5-6]，其中图(a)为某汽车站由于不均匀冻胀、融沉引起的裂缝，图基的冻拔，图(c)为涵洞的冻胀破坏，图(d)为公路路面的冻胀隆起现象，图(e)塘，，图(f)为铁路路基的不均匀沉降。目前在我国青藏高原冻土区，电力输电线路杆塔基础常采用直埋式基础和钻孔础。由于太阳辐射的作用，多年冻土的上表层在暖季形成一定深度的融化层，寒季冻结时将会对杆塔基础产生冻拔力。经过几个或长期冻融循环后，地基土础的相互作用，产生冻拔现象，造成输电杆(塔)变形甚至倾覆，作用在基础侧冻胀力甚至会使基础被拔出而破坏[12-14]，图 1.2 为直埋式杆塔倾斜及拔出状况换填直埋式基础和钻孔灌注桩基础经过开挖后，破坏原有冻土环境和周围植被有地表的热收支平衡。基础回填后不能迅速回冻，地表水和冻土中的未冻水向迁徙，导致多年冻土的活动层加厚，冻土上限下降，进一步加快了冻土退化[15-藏高原多年冻土区，冻融交替影响下输电线路杆塔基础的冻拔病害越来越严重

形式[5-6]，其中图(a)为某汽车站由于不均匀冻胀、融沉引起，图(c)为涵洞的冻胀破坏，图(d)为公路路面的冻胀隆起现)为铁路路基的不均匀沉降。国青藏高原冻土区，电力输电线路杆塔基础常采用直埋式基太阳辐射的作用，多年冻土的上表层在暖季形成一定深度的时将会对杆塔基础产生冻拔力。经过几个或长期冻融循环后作用，产生冻拔现象，造成输电杆(塔)变形甚至倾覆，作用至会使基础被拔出而破坏[12-14]，图 1.2 为直埋式杆塔倾斜及式基础和钻孔灌注桩基础经过开挖后，破坏原有冻土环境和热收支平衡。基础回填后不能迅速回冻，地表水和冻土中的致多年冻土的活动层加厚，冻土上限下降，进一步加快了冻年冻土区，冻融交替影响下输电线路杆塔基础的冻拔病害越经济损失，严重威胁冻土区输电网线的安全运营。从以上我电线路杆塔基础工程的设计施工和运营维修技术还需进一步
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM75;TU473.1

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