季節凍土區變電站結構在地基土中的凍脹分析

摘 要：本文通過分析凍脹對基礎結構產生的力學效應，包括水平凍脹力、切向凍脹力和法向凍脹力，提出了相關防治措施，并給出相關建議，為相關工作人員提供借鑒。

關鍵詞：凍脹；水平凍脹力；法向凍脹力；切向凍脹力；防治措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.067

隨著社會經濟的迅速發展及電量需求的大幅度增加，同時伴隨著西電東輸工程的推進，電網建設在西部地區得到大力發展。我國在內蒙、新疆等西北地區存在大量季節凍土，凍深大、凍期長等特點為變電站、換流站等電網建設帶來技術難題。季節凍土是指冬季地表土凍結、夏季全部融化的土，且凍結時間小于一年，凍結初期，地表土層中的水分率先凍結，土體出現凍脹現象，隨著凍結時間增加，在溫度梯度的作用下，下部土體的水分不斷向上部遷移，最終凍脹量可達數十厘米。如此大的凍脹量，有可能會造成變電站基礎失穩、電纜溝開裂等結構破壞問題。

1 凍脹對基礎結構產生的力學效應

地基土在凍結狀態下土中的水結冰，隨著外界水源的不斷補充，冰晶不斷增長，土體不斷膨脹，當土體膨脹受到外界約束時，則表現出土體的凍脹力，在變電站剛性基礎的約束下，凍脹力逐漸增加，最終對地基土中的結構產生影響。凍脹力一般可分為水平凍脹力、切向凍脹力和法相凍脹力。

1.1 水平凍脹力

變電站、換流站等油池壁、蓄水池等兩側土體不在同一水平線上的結構，在一次土體的凍脹力作用下會產生水平位移、裂縫等問題。水平凍脹力的產生和諸多因素相關。土體的凍脹等級越大，凍脹力越大，通常情況下細粒土體凍脹性大于粗粒土，粘粉顆粒含量較高的土體凍脹性越大。水分的含量也是影響水平凍脹力大小的主要原因，通常支擋建構筑物含水量隨著深度的增加含水量逐漸增加，含水量小于凍脹起始含水量時，并不產生水平凍脹力，當含水量超過凍脹起始含水量時，凍脹力產生并逐漸增加，當達到一定凍脹力后，由于冷縮現象，凍脹力出現減小趨勢。支擋結構在冬季采暖期，由于結構內墻溫度大于外墻溫度，在基礎的約束作用下，支擋結構產生向填土方向的變形，使得凍脹力由下到上逐漸增大。

1.2 切向凍脹力

切向凍脹力一般遲于土體凍脹而產生，切向凍脹力的產生需要基礎與土體存在凍結力，同時土體發生凍脹。若只存在凍結力，土體不發生凍脹，切向凍脹力則不會產生，若土體只發生凍脹，而沒有凍結力的產生，也不會有切向凍脹力的產生。切向凍脹力與土顆粒大小相關，粒徑在0.005～0.05mm的土顆粒如粉質亞粘土、粉土等切向凍脹力更容易產生。在土體的含水量超過塑限含水量時，即達到“臨界凍脹含水量”時，土顆粒與基礎間匯集大量自由水，并逐漸產生凍結力，土體凍脹后，切向凍脹力產生。土體凍結速度對切向凍脹力有較大影響，一般凍結鋒面下移越快，切向凍脹力越大。基礎側面的粗糙程度也會影響切向凍脹力，基礎表面越光滑，切向凍脹力越小，表面越粗糙，由于凍結力的咬合作用，導致切向力變大。

1.3 法向凍脹力

法向凍脹力的產生同樣滯后于土體的凍脹，在土體凍結至基礎底面時，法向凍脹力產生，且隨著凍結土層厚度的增加呈先增加后減小的趨勢，原因主要是由于凍結初期，水分遷移至基礎下臥層冰晶逐漸增加，法向凍脹力之間增加，隨著凍結線下移，冰晶產生的凍脹效應小于凍土的流變性帶來的松弛效應，法向凍脹力逐漸減小。土顆粒成分對法向凍脹力有一定影響，通常土體產生法向凍脹力從大到小的土顆粒劃分為粉土、亞砂土、亞粘土、粘土、細砂、粗砂。土體凍脹性、凍土厚度、基礎約束度等都會對法向凍脹力帶來影響。

2 凍脹的防治措施

凍脹的產生主要與水分、溫度和土質相關，通過控制這三方面因素，可有效控制凍脹對基礎的影響。

水分是產生凍脹的主要媒介，控制基礎附近的水分含量，可有效減少冰晶的產生，從而削弱凍脹力，通常可采用降低地下水位、設置排水溝等方法。置換一般指使用物理力學性質相對穩定或者采用復合材料置換天然凍土地基中部分軟弱土層，形成基礎下墊層，從而達到提高地基承載力的作用，最終減少土體的凍脹融沉作用。凍土區置換材料一般可選擇砂石墊層等保水性較差、透水性較強的材料。通過這振密或擠密的方法使土體密實，消除土體部分液化、濕陷等作用，從而提高地基承載能力。較常見的密實法包括強夯法，振沖法等。強夯法是有效消除地基凍脹性的方法之一，一般強夯將凍層內地基土干密度壓實至1.7g/cm3。物理化學法指利用陽離子及鹽分對凍脹的影響，改變土顆粒與水分的相互作用，使得土體水分遷移強度及冰點得到改變，最終可消除凍脹。化學電滲法是指采用陰陽電極附近分別注入鈉離子、鈣離子溶液，在電場作用下，土顆粒離子及注入試液之間發生化學反應，從而加速土體固結速度。樁基礎是常見的深基礎形式，結構形式主要由樁、承臺連接上部結構，樁基作用是將上部荷載傳至地下較深土層，以滿足承載力要求。對于季節凍土區，樁基應主要考慮法相凍脹力和切向凍脹力作用，防止凍脹力對基礎造成破壞或引起較大變形，因此，設計樁基時應著重考慮法相和切向凍脹作用。在季節凍土地區，保溫隔熱是指在建筑物四周或底部設置隔熱層，一方面增大了熱阻，減少了熱量交換，另一方面推遲了地基土的凍結時間，提高了土中溫度，進而減少了土體的凍脹作用。在多年凍土地區，建筑物破壞多以融沉破壞為主，因此除了考慮常規的地基變形外，應主要考慮與溫度相關的熱源問題，設計施工原則為減小地溫變化。保護多年凍土原則在于建筑物（構筑物）建設或使用過程中，使得地基處于永凍狀態，融化原則是指在建筑物（構筑物）建設或使用過程中，凍土融化到設計深度。

3 結語

電網建設逐漸擴展至我國西部地區，伴隨而來的西部地區季節凍土的凍脹現象危害著電網建設的安全性。本文分析了凍脹對基礎結構產生的力學效應，提出凍脹的防治措施及建議。

參考文獻：

[1]祝國林，張玉富，劉福生.季節性凍土切向凍脹力與凍脹性關系[J].黑龍江交通科技，2005（09）：83-84.

[2]JGJ118-2011，凍土地區建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]程國棟，馬巍.國際凍土工程研究進展[J].冰川凍土，2003，25（03）：303-308.

作者簡介：陰琪翔（1988-），男，山東棗莊人，工程師，主要從事：變電站結構穩定性研究工作。