季节性冻土地区的输电杆塔基础设计

2010-03-28王向东郭青梅吴晓锋

电力建设 2010年12期

王向东，郭青梅，吴晓锋

（河北省电力勘测设计研究院，石家庄市，050031）

0 引言

在季节性冻土地区的地基，1个年度周期内经历着未冻土和冻结土的2种状态，由于未冻土的力学特征指标远较冻结土的低，所以季节性冻结层在夏季未冻结状态时是地基计算的最不利状态。在冬季，地基土中水的相变膨胀，对基础的稳定性不利，必须加以考虑。因此，季节性冻土地区的地基与基础的设计，首先应满足GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》[1]等非冻土地基中有关规范的规定，即保证在长期荷载作用下地基变形在上部承重结构的允许范围之内，在最不利荷载作用下地基不出现失稳。在符合上述2个前提下，对于对基础有危害的冻胀性地基土，还应根据相关规范规定计算冻胀力的大小和对输电线路杆塔基础的危害程度，或考虑采用防冻害的安全技术措施[1-11]。

1 基础冻胀性分析

1.1 地基土冻深的影响因素

影响冻深的因素很多，最主要的是气温，除此之外尚有季节性冻结层附近的地质条件、水分状况以及地貌特征等。在上述诸因素中，只有气温属地理性指标，其他因素在平面分布上是彼此独立的，带有随机性，各自的变化无规律，有些地方的变化还是相当大的。GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》附录F“中国季节性冻土标准冻深线图”应该理解为在标准条件下取得的，该标准条件即为标准冻深：地下水位与冻结锋面之间的距离大于2 m，非冻胀土粘性土，地表平坦、裸露，在城市之外的空旷场地中多年实测（不少于10年）最大冻深的平均值。标准冻深一般不用于地基基础设计中，冻深的影响系数包括土质系数、湿度系数、环境系数和地形系数等。

土质对冻深的影响是众所周知的，因岩性不同其热物理参数也不同，粗颗粒土的导热系数比细颗粒土的大。因此，当其他条件相同时，粗颗粒土比细颗粒土的冻深大，砂类土的冻深比粘性土的大。

土的含水量和地下水位对冻深也有明显的影响，河北省电力勘测设计研究院在东北地区做了不少试验研究工作，将土中水位与地下水位都用土的冻胀性表示。地基土若是非冻胀性的，则其冻融对基础既不产生冻胀力的作用，也不产生附加的融沉变形，即对基础毫无影响。对于冻胀性土，则在冻结时要出现冻结膨胀的体积变化，即产生冻胀量，并伴随产生冻胀力的作用；土的冻胀性越强，其冻胀量和冻胀力越大，当冻胀力超过基础能够承受的极限时就出现基础上拔破坏，这种破坏在我国寒冷的北方地区输电线路中比较常见，其损害巨大。

1.2 冻胀分类

根据DL/T 5219—2005《架空送电线路基础设计技术规定》[2]，土的冻胀类型共分为不冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀四种。

1.3 冻胀力的确定

对于输电铁塔来说，冻胀性土铁塔基础底面应放置在设计冻深之下，但其埋置深度必须进行冻胀力作用下基础的抗冻拔稳定验算，即使基础的埋置深度超过冻层，仍应对切向冻胀力进行验算。标准冻结深度切向冻胀力极限设计值可按DL/T 5219—2005《架空送电线路基础设计技术规定》确定，同时注意此值用于钻孔灌注桩基础时乘以1.25的表面粗糙修正系数，用于模板定型浇制基础时乘以0.9表面平滑修正系数。

2 冻土地区的基础设计

2.1 设计原则

（1）冻土地区输电线路基础设计的关键是掌握冻土的性状，设计时，首先要详细了解冻土的地质结构，探明地基标准冻结深度。按DL/T 5219—2005《架空送电线路基础设计技术规定》要求，划分地基土冻胀类别，然后根据不同的地质结构采取相应的消减冻胀力措施，并进行基础极限抗冻拔稳定验算。

（2）基础极限抗冻拔稳定验算，当无资料可查时，按正常最大设计风荷载的60%带入，或根据工程设计经验确定。

（3）基础的埋置深度应该大于地基土的标准冻结深度。

（4）在季节性冻土地区除考虑常规设计外，还应验算在冻胀力作用下基础的稳定性，若不满足要求，则改变基础形式或采取相应的防冻害措施[3]。

2.2 验算基础极限抗冻拔稳定

对于普通输电线路铁塔直柱基础和桩基础，按规范要求计算铁塔基础的上拔和下压后，需进行基础的极限抗冻拔稳定验算。对于受拉基础，取冬季最大设计风荷载与标准冻结深度产生的切向冻胀力组合值；对于受压基础，取无风、无冰、最低温时的标准冻结深度产生的切向冻胀力值。

基础极限抗冻拔稳定按式（1）计算：

式中：γf为基础附加分项系数；T0为冬季荷载上拔作用力，单位为kN，直线塔取T0=0.6TE+τT，非直线塔取T0=TT+τT；TE为正常荷载上拔作用力，kN；TT为60%的正常荷载同100%的线条角度荷载产生的上拔作用力，kN；τT为标准冻结深度产生的切向冻胀力，kN；G0为抗拔力，kN。

2.3 回填非冻胀性材料

利用非冻胀性材料（如中沙、粗沙、卵石等）置换刚性基础周边一定范围内的冻胀性土体，避免切向冻胀力作用在基础上。

采用基侧填沙来防止切向冻胀力是一个既简便又经济的办法，但它仅适用于地下水位之上的基础，如果所填的沙子达到饱和状态或含泥量过多，在冻结时土与基础周围坚固地冻结在一起形成较高的冻结强度，就会失去防切向冻胀效果。施工时必须保证不小于基础底板的宽度，才能保证安全可靠。

2.4 坡形基础

坡形基础是将基础设计成图1形式，国内外工程界进行的试验研究结果表明：其侧面坡度不小于1∶7为宜；从多次试验数据来看，切向冻胀力很大，使用坡形基础的目的就是将基础侧面设计成β≥9°的斜面来消除切向冻胀力，使基础受力均匀。经验证明β≥9°时，坡形基础稳定的原因不是由于冻胀力被下部扩大部分给锚住，而是由于在倾斜面上出现拉力分量与冷缩分量叠加之后的开裂，切向冻胀力退出工作造成的。

该种坡形基础与常规基础相比，施工要求较严格，要求其基础表面光滑以及埋置深度应大于地基土的标准冻结深度。

2.5 桩基础

桩基础是利用深基础在不冻土中的桩土间摩擦力（或冻结阻力）平衡冻胀土区域内作用于铁塔基础上的切向冻胀力[4]。深基础一般用于软弱强冻胀地基。基础入土深度应满足正常设计荷载和克服切向冻胀力验算所需的设计深度，但是要保证基础施工时顶部不出现扩大头情况。施工时，一般采用钻孔灌注桩基础或打入式桩基础。这种方法施工费用较高，工程质量控制较为困难，所以应在在进行经济技术方案比较后采用。

根据工程实践[5-11]，多年冻土地区基础设计还要采取下列措施：

（1）基础在施工和使用期间，应对周围环境采取防止破坏温度的自然平衡状态的保护措施，建立完善的排水设施，防止地下冰融化导致的基础下沉。

（2）铁塔的地基基础设计在最大融化深度范围内，应严格进行抗冻胀性计算，并采取抗冻胀性构造措施，施工中不得随意简化程序，以确保工程质量。

3 工程实践

在上都（正蓝）—承德500 kV紧凑型输电线路工程中，上都电厂出线段部分线路处于冻土深度较深、地下水位较浅的地基中，考虑到冻胀力的影响，将部分基础型式采用直柱配筋刚性基础，同时主柱采用9°坡面，满足了工程需要。在内蒙古东部220 kV海拉尔—扎赉诺尔送电线路中，大部分基础利用增加埋深满足基础极限抗冻拔稳定验算的要求，对部分塔位冻深超过3 m的基础采用了棱台基础和灌注桩基础，较好地适应了工程地质情况。