凍土地基輸電線路工程低溫混凝土及其施工

白 沁 園

(中國重型機械有限公司，北京 100036)

凍土地基輸電線路工程低溫混凝土及其施工

白 沁 園

(中國重型機械有限公司，北京 100036)

介紹了凍土地基低溫混凝土凍融循環的機理，主要對改善混凝土抗凍性能的技術措施以及凍土地基挖孔類基礎低溫混凝土的施工技術進行了闡述，為今后我國凍土地區超(特)高壓輸電線路工程建設提供參考。

輸電線路，凍土，桿塔基礎，低溫混凝土

0 引言

凍土主要分布在我國青藏高原地區，新疆地區及東北地區，約占我國國土總面積的20%[1]。凍土地區線路基礎的復雜性主要是因為凍土在凍結和融化兩種狀態下的力學性質、強度指標、變形特點等方面相差懸殊，在凍土凍結或融化時會發生凍土強度由大到小、由小到大的變化。此外，由于冬季的施工質量隱患存在滯后性，到第二年春融后或更長時間前一年施工的質量問題才能顯現出來。加之架空輸電線路具有線路距離長、基礎分布區域廣、地質條件復雜、地基土體力學特性差異性大等特點，線路基礎承受拉壓力交變作用，同時也承受較大的水平荷載。凍土地區輸電線路基礎具有特殊性和復雜性的特點[2，3]。

1 凍土地基混凝土凍融破壞機理

混凝土在凍結溫度下，內部水分凍結成冰，體積會發生膨脹。冰在毛細孔中受到約束而產生巨大膨脹壓力，另一方面低溫的水分發生遷移，冰水、蒸汽壓差造成滲透壓力，在這兩種壓力的共同作用下，當混凝土受到的拉力值超過其抗拉強度時，在混凝土內部會產生裂縫。在凍融循環條件下，這種破壞作用將持續反復進行，使裂縫不斷擴展、擴張并相互貫通，以致造成混凝土剝落破壞。圖1顯示了某220 kV輸電線路桿塔基礎因凍融循環而造成的基礎損壞。

2 改善混凝土抗凍性能的技術措施

1)加入引氣劑。引氣劑為一種表面活性物質，具有憎水性。加入引氣劑的防凍機理是當混凝土內的自由水結冰體積膨脹，這些不連通的氣泡空間首先被壓縮，進而減輕了水結冰膨脹給混凝土帶來的壓力。融化時這些氣泡也可恢復，這樣當孔隙內的自由水反復凍融時也會對混凝土造成過大的壓力。

2)加入減水劑。加入減水劑可以使水泥顆粒均勻分散，使水泥顆粒中包裹的水分得以釋放，從而使混凝土拌制時用水量明顯減少，提高混凝土強度。使用減水劑還會令混凝土中氣泡的平均間距減小、平均尺寸變小，進而提高混凝土的致密性和強度，從而使混凝土抵抗凍融破壞的能力有較大的提高。

3)加強早期養護、摻入防凍劑防止早期受凍。添加防凍劑可以有效降低新拌水泥混凝土的內部水溶液冰點，從而加大冰晶生長的難度，確保未成熟混凝土在負溫條件下能夠繼續水化，使混凝土具有較強的抗凍害能力。

4)選擇合適的水泥品種。水泥的活性越高，混凝土的抗凍性越高。當其他條件都一致時，摻礦物混合料的硅酸鹽水泥，通常比純熟料硅酸鹽水泥混凝土的抗凍性差。對抗凍性能有要求的混凝土，應優先選擇普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥。

5)集料質量。選用堅固、密實的集料配制混凝土，有利于提高其抗凍性。為保證抗凍性，盡量選用小碎石混凝土。在條件允許的情況下，可以不用大石料，使混凝土發展成為耐久的細粒式宏觀結構。

6)混凝土強度。混凝土抗凍性與其強度之間存在緊密的聯系。混凝土強度等級會影響環境混凝土在凍融條件下的力學性能，強度等級較高的混凝土其抗壓強度的損失率較低。因此，對于有抗凍性要求的混凝土要優先選用高強度等級。但另一方面，混凝土的強度愈高，通常干縮也會較大，同時較脆、易裂。所以對于抗凍要求的混凝土其強度等級一般為C30以上。

7)混凝土齡期。混凝土的抗凍性能隨其齡期的增長而增加。齡期越長，混凝土中的水泥水化作用越充分，更多的水泥與水發生化學反應，凍結的自由水量減少，水中可溶鹽的濃度也會增加，冰點也降低。

3 凍土地基低溫混凝土施工技術

為減少對凍土地基的擾動，提高凍土地基承載能力，凍土地基多采用挖孔類基礎[4-6]。基礎施工順序主要為放線定位、開挖土方、測量控制、臨時支護，臨時支護混凝土滿足養護條件后拆除模板繼續下一段的施工并循環挖到設計要求的深度、鋼筋籠沉放、清底、灌注樁身混凝土等主要工序。每一個施工工序中的安全要求也相同。

1)施工季節選擇。凍土地區線路基礎施工季節的選擇非常重要，宜選擇寒季或寒暖交替的季節，此時外界氣溫低，地表凍融層凍結，場地堅硬，便于施工。而且施工過程中低溫環境對施工基坑周圍凍土影響小，有利于保持孔壁穩定，防止坍塌，保證樁孔的穩定。此外，混凝土澆筑后回凍快，短期可凍結成整體基礎。而且暖季即將到來，便于上部桿塔結構施工。

2)低溫混凝土質量控制。凍土施工的重點是控制溫度上升，減少熱交換，防止凍融圈擴大，導致孔壁坍塌。凍土地區混凝土施工既要克服低溫對混凝土自身性能的影響，又要滿足在凍土區施工的特殊要求。在凍土區低溫條件下進行混凝土灌注必須按照下列要求進行：a.保證在負溫條件下灌注的混凝土強度等級達到設計要求。b.確保混凝土灌注時給周圍凍土帶入的熱量最小，混凝土水化熱引起的溫度升高不會對周圍凍土產生破壞，確保混凝土澆筑后在規定時間內達到其抗凍臨界強度(≥4 MPa)與拆模強度。c.澆筑前確保混凝土拌合物具備良好的流動性、穩定性、易密性、可塑性和耐低溫性。

3)混凝土入模溫度控制。凍土地區線路基礎成功的關鍵是能否維持地基土的天然凍結狀態。最基本的原則為截斷或減少人為的外界熱擾動。凍土區地基施工時混凝土入模溫度要控制在5 ℃～10 ℃，如果施工時的平均氣溫低于-5 ℃，應先對原材料預先加熱以確保混凝土的出機溫度在合理范圍(5 ℃～30 ℃)。

4)混凝土攪拌控制。混凝土拌制時計量要嚴格控制偏差，嚴格按照工藝順序投料，嚴格控制拌制的時間。對各種不同用料的計量允許偏差為：水泥、水、外加劑±1%，骨料±2%。

5)混凝土養護。混凝土灌注完成后，可先在其表面鋪一層塑料薄膜，然后可再鋪篷布或其他保溫材料。在混凝土拌制、成型與養護的全過程中，要對其溫度進行監測，以便在施工中及時采取控制措施，保證混凝土的質量。

6)回凍時間控制。凍土樁基工程將改變地基土的熱平衡條件，施工中產生的各種熱量使地溫場發生變化，引起地基土在一定范圍升溫。基礎施工完成后，經過一段時間的熱交換，地基土將重新恢復到凍結狀態，形成新的熱平衡，這一過程稱為回凍過程。根據青藏高原及大興安嶺地區多年凍土中樁基觀測結果[7-10]：鉆孔灌注樁施工中對地基輸入熱量，其熱作用的范圍約80 cm，回凍時間需要50 d～60 d。依據地溫觀測結果[11]可以對地基回凍程度進行判斷，進而決定上部結構的施工時間。在鉆孔灌注樁的施工時間、方法均相同的條件下，地基凍土初溫越高回凍時間越長。

4 結語

1)位于凍土地區的輸電線路基礎工程，由于凍融循環作用下地基土強度的循環變化和凍融循環對混凝土本身的破壞作用，是具有特殊性和復雜性的。

2)混凝土在凍融循環作用下的破壞主要是由混凝土中自由水結冰膨脹引起的。保障混凝土抗凍性能的主要措施有：加入引氣劑、減水劑、抗凍劑，合理選擇水泥品種，集料質量。

3)凍土地基低溫混凝土施工的主要技術措施可以歸納為：合理選擇施工季節，混凝土入模溫度、攪拌、養護控制，回凍時間控制。

[1] 魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎工程現狀與展望[J].電力建設，2005(11)：25-27．

[2] 魯先龍，乾增珍.輸電線路基礎工程中的環境巖土問題及設計對策[J]．武漢大學學報(工學版)，2009(S1)：253-256．

[3] 嚴福章，李 鵬，程東幸．高海拔多年凍土區基礎工程主要工程問題及對策[J].中國電力，2012(12)：34-41.

[4] 程永鋒，丁士君，魯先龍，等.青藏直流輸電工程粗粒凍土地基溫度監測與分析[J].巖石力學與工程學報，2012(11)：2363-2371.

[5] 張 琰，魯先龍.輸電線路凍土地基控制爆破開挖技術研究[J].武漢大學學報(工學版)，2011(S1)：222-225．

[6] 魯先龍．上拔荷載作用下凍土地基混凝土單樁模型試驗[J]．建井技術，2012(6)：17-21．

[7] 錢 進，劉厚健，俞祁浩，等.青藏500 kV輸電工程沿線凍土工程特性及其對策探討[J].中國農村水利水電，2009(4)：106-111.

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[11] 丁士君，魯先龍，程永鋒，等.青藏聯網工程凍土地基裝配式基礎載荷試驗研究[J].中國電力，2012(12)：42-47.

Low temperature concrete and construction for transmission line engineering in frozen soil

Bai Qinyuan

(ChinaNationalHeavyMachineryCorporation，Beijing100036，China)

This paper introduced the permafrost cycle mechanism of permafrost foundation low temperature concrete, mainly elaborated the technical measures improvement of the concrete antifreeze characteristic and the construction technology of permafrost foundation bored foundation low temperature concrete, provided reference for our future permafrost regions super high voltage transmission line engineering construction.

transmission line, permafrost, tower foundation, low temperature concrete

1009-6825(2015)30-0095-02

2015-08-07

白沁園(1976- )，女，工程師

TU755

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