季節性凍土地區的輸電桿塔基礎設計研究

摘 要：輸電桿塔基礎的設計、施工過程中，經常會受到季節性凍土的干擾。如何克服季節性凍土帶來的熱融滑塌、融陷和凍脹等問題，是電力勘察設計中不得不考慮的內容。本文就季節性凍土地區的輸電桿塔基礎建設難題進行了探討，并提出了輸電桿塔基礎設計方面的解決措施。

關鍵詞：季節性凍土；輸電桿塔；設計

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A

由于季節性凍土地區的地質條件有其特殊性，所以在進行輸電桿塔的基礎設計時，應該對季節性凍土地區的具體地質情況進行考察。季節性凍土地區，一年之中會經歷兩種土層狀態，一種是凍結狀態，一種是未凍結狀態。夏季，當土層處于未凍結狀態時，是最不利于地基計算的；在冬季，土層處于凍結狀態，土層中的水凝結成固態，體積發生膨脹，如果進行工程建設，極不利于基礎的穩定。以下是對相應問題的討論。

一、季節性凍土的含義及其性質

當氣溫在0℃及其以下時，土層中含有固態的水，而且其性質隨著溫度條件的變化而有相應的改變，并且會有熱融滑塌、融陷和凍脹等現象。這樣的土層就叫做凍土。按照持續時間劃分，凍土可以分為多年凍土和季節性凍土。所謂的季節性凍土就是指在冬季會凍結，而在夏季會融化的凍土。季節性凍土因為會隨著季節的變化而發生凍結或融化，所以容易使地基發生不均勻沉降，從而給地基穩定性帶來嚴重的影響。當溫度降到0℃以下時，凍土就會凍結，土中原有的水分也會結冰，水結冰之后體積會發生膨脹，這時，基礎就會產生隆起；當溫度升高，凍土開始融化時，因水體積膨脹而產生的張力就會消失，基礎就會發生塌陷。受采暖情況與建筑結構的影響，建筑的周邊會周期性地發生不均勻沉陷和凍脹，這會對地基的穩定性帶來不利影響，同時還有可能導致墻體開裂、臺階隆起、頂棚抬起等現象，甚至還會引起建筑物的傾倒。所以，在進行輸電桿塔的基礎設計時，必須重視季節性凍土對桿塔基礎的影響。

二、季節性凍土對桿塔基礎的影響

（一）基礎下沉

季節性凍土地區位于上層的凍土層每年都會隨著季節的變化發生凍結和融化。在永久性凍土層的上緣，存在著含冰量較高的凍土層和較厚的一層地下冰。這一層很容易因人為活動或者是自然條件的變化而出現沉降。這是造成桿塔地基變形和破壞的一個主要原因。

（二）基礎凍脹

凍土地區容易發生地基凍脹。對于多年凍土層來說，由于長期處于低溫狀態，所以土層保持穩定或者基本保持穩定，有著相對較小的融化層，而且發生凍結時一般是雙向凍結。雙向凍結的凍結速度較快水分遷移量較小，所以凍脹現象比較輕。但是季節性凍土由于所處環境氣溫變化大，在高溫環境中穩定性較差，有較厚的凍土層會發生季節性融化，凍結的速度相對較慢，而且如果有水分補給，會發生較大規模的水分遷移，所以，在季節性凍土地區，會有較為嚴重的凍脹現象發生。凍脹會對桿塔基礎造成嚴重破壞，出現基礎的傾覆、下壓和上拔等穩定性問題。

三、基礎的凍脹性分析

（一）影響凍土層凍深的因素

1.氣溫

對凍土層凍深影響最主要的因素是氣溫。在影響凍土層凍深的所有因素中，氣溫是唯一一個地理性指標。其他的因素都是相互獨立的，帶有極大的不確定性，沒有統一的變化規律。對于凍土層的形成來說，氣溫條件是必須的，只有冬季氣溫低于0℃的地區才具備形成凍土的條件。

2.土質

由于土質不同，其巖質也各異，具備著不同的熱物理參數。相對于細顆粒土，粗顆粒土有著更大的導熱系數。因此，如果其他條件相似，粗顆粒土的凍深要比細顆粒土大，砂類土要比粘性土凍深大。

3.土的含水量與地下水位

當氣溫降低并低于0℃時，土中的水會被凍結，隨著水分的凍結，土層的體積就會發生膨脹，這就會有凍脹量產生，同時會產生凍脹力。土中的含水量越大，地下水位越高，土的凍脹性就會越強，在凍結時產生的凍脹量與凍脹力也就越大，如果凍脹力超過了桿塔基礎的承受極限，基礎就會遭到破壞，造成巨大的損失。

（二）凍脹的類型

土的凍脹類型可以分為特強凍脹、強凍脹、凍脹和不凍脹四類。

（三）凍脹力的計算

在設計輸電桿塔的基礎時，應該將鐵塔的基礎底板上平面置于凍土層的凍深之下。所以應該對其埋置深度上的抗凍拔穩定進行驗算。即便桿塔基礎已經埋置在了凍深以下，仍然要進行切向凍脹力的測算。

四、凍土地區的桿塔基礎設計原則

（一）輸電桿塔的設計關鍵在于對凍土性質的把握。開始設計之前，應該對凍土層的地質特點進行詳細了解，探明該地區的凍結深度。先按照凍脹性對地基進行劃分，然后根據不動地區的的地質特征采取適當的消除、減弱凍脹力的措施，并進行基礎極限抗凍拔穩定驗算。

（二）桿塔基礎底板上平面的埋置深度必須要大于凍土層的標準凍結深度。

（三）進行基礎極限抗凍拔穩定驗算時，如果沒有可作為參考的資料，應該將正常情況下最大設計的風荷載乘以60%帶入，或者借助一定的工程設計經驗進行確定。

（四）在季節性凍土地區施工時，除了要將常規設計列入考查范圍，還要對基礎在凍脹力作用下的穩定性進行驗算。如果基礎的穩定性不能滿足設計要求，就要對基礎的形式進行改變或者采取一定的防凍害的措施。

五、基礎極限抗凍拔穩定的驗算

按照規范，在設計普通輸電線路桿塔的樁基礎與直柱基礎時，要對桿塔基礎的下壓與上拔進行計算，然后還要進行基礎的極限抗凍拔穩定驗算。如果基礎所受的力以上拔力為主，則應該選取冬季最大的設計風荷載在基礎的標準凍深上所產生的切向凍脹力的組合值；如果基礎所受的力以下壓力為主，則應該選取在無冰、無風而且氣溫最低時標準凍深上產生的切向凍脹力值。基礎極限抗凍拔穩定驗算公式如下：

在這個公式中，是基礎的附加分項系數，是冬季的荷載上拔力，計算所使用的單位是KN，如果桿塔是是直線塔，則采用

作為正常情況下的荷載上拔力，如果桿塔是非直線塔，則采用

作為正常情況下的荷載上拔力，單位同樣為KN；是正常荷載的60%與桿塔線條角度荷載的100%所產生的上拔力，單位為KN；是在標準凍深上所產生的切向凍脹力單位為KN；代表抗拔力，單位為KN。

六、費凍脹性材料的回填

桿塔剛性基礎四周一定距離內的凍脹性土可以與非凍脹性材料（如卵石、粗沙和中沙等）進行置換，從而使基礎免遭切向凍脹力的損害。基側填沙是一個簡便、經濟的防止切向凍脹力的措施。但是只有在桿塔基礎位于地下水位之上時，基側填沙方法才適用，如果所填的沙子含有過多的泥或者是沙子已經達到了飽和，土層凍結時，沙子會與周圍的基礎牢固地凍結為一體，從而使凍結強度較高，沙子便失去了防止切向凍脹力的作用。在施工時，一定要保證置換寬度不小于桿塔基礎的底板寬度，以保證工程的可靠性和安全性。

七、坡形基礎的采用

上圖展示了坡形基礎的形態。國外的研究成果顯示：側面的坡度應該保持在1：7以上。多組實驗數據顯示，切向凍脹力非常大，將基礎設計為坡形的目的是利用基礎側面來消除切向凍脹力，從而保證基礎均勻受力。大量的實驗證明當側面坡度β=9°時，坡形基礎之所以穩定，不是因為下部的擴大部分將凍脹力給錨住了，而是因為在斜面上，冷縮力量與拉力分量相互疊加，產生開裂，使得切向凍脹力退出。與常規的基礎相比，坡形基礎的施工要求更嚴。坡形基礎表面應該是光滑的，而基礎的埋置深度要大于地基的標準凍深。

八、樁基礎的采用

樁基礎的原理就是讓不凍土層中的深基礎產生的摩擦力或者凍結阻力與凍脹性土層內作用于基礎上的切向凍脹力相互平衡。一般情況下，深基礎會用于強凍脹性的地基。基礎的埋置深度不僅應該符合正常情況下的設計荷載，而且能夠克服切向凍脹力，同時，還要保證在施工過程中不會有擴大頭情況發生。施工實踐中，通常會采用打入式的樁基礎或者是鉆孔灌注的樁基礎。樁基礎的建設費用較高，而且在施工質量上要求更為嚴格，所以在采用這種技術前，要進行方案比較，選擇出在經濟和技術層面上都有保障的方案。

九、其他措施

（一）在基礎的建設期間和試用期間，對周圍的環境應該采取保護措施以防止氣溫的自然平衡被破壞。要建立起一個完善的排水系統，防止地下冰融化引發基礎下沉。

（二）在進行桿塔基礎的設計時，要將底板上平面置于最大的融化深度以下。在施工前，要進行嚴格的抗凍脹性驗算，并采用各種抗凍脹的構造措施。在是鞏固過程中，不能隨意對程序進行簡化，從而保證施工的質量。

結語

對季節性凍土地區的輸電桿塔基礎進行設計時，可以采用深埋基礎、坡形基礎、樁基礎、非凍脹材料回填等措施，以保證輸電線路的穩定。

參考文獻

[1]王向東、郭青梅、吳曉鋒.季節性凍土地區的輸電桿塔基礎設計[J].電力建設，2010（12）

[2]孫洪波、王雪麗.高寒地區輸電線路桿塔基礎設計[J].內蒙古電力技術，2009（06）

[3]徐會永、孫義紅、張家琦、陳偉、高超.季節性凍土地區通信鐵塔地基設計及施工處理探討[J].特種結構，2008（02）

[4]萬一農.青藏高原凍土地區輸電線路電力桿塔基礎設計[J].電氣化鐵道，2008（06）