玻璃钢套筒基础切向冻胀力消减作用试验研究

袁 俊，于皓琳，管顺清，王学明，严福章

（1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；2．中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；3．哈尔滨工业大学土木工程学院， 结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090；4．国网北京经济技术研究院， 北京 102209）

随着国家西部大开发战略的实施和西电东送建设的推进，输电线路在多年冻土区和深季节冻土区的工程建设规模和电压等级逐步提高，青藏交直流联网工程、青海玉树联网工程等穿越冻土区的高电压等级线路在近年相继开展建设，各类工程冻害成为工程建设中必须妥善处理的问题．

切向冻胀力是造成基础冻拔破坏的主要原因，俄罗斯西伯利亚110～500 kV输电线路，中国500 kV伊冯线、500 kV冯大线、220 kV海拉尔-牙克石线路都曾发生过严重的基础冻拔破坏[1～3]．采用物理化学法防冻胀措施中，涂刷沥青、工业凡士林、渣油等憎水材料可以消减高达 95%切向冻胀力[4～5]，但经过多次冻融循环后，其消减作用逐渐递减．另外由于地基土反复冻胀活动，这些憎水材料会不断向周围土体挤压渗透，沥青等材料的有效作用时间可能低于输电线路的使用时间[6～7]．当憎水材料防冻胀效果严重降低后，再次开挖地基重新涂刷的难度较大．玻璃钢是一种表面光滑平顺的憎水材料，在钢筋混凝土基础的表面增加玻璃钢套筒，施工时可作为混凝土浇筑模板使用，施工后留在冻土地基中能消减切向冻胀力，由于其憎水材性稳定，在输电线路的使用期内可长期发挥消减作用．

青藏交直流联网工程、青海玉树联网工程、伊犁-库车输电线路工程中大量使用了玻璃钢套筒基础，并取得了良好的效果，但目前还缺乏玻璃钢材料对切向冻胀力消减作用的研究，基础设计中切向冻胀力消减作用计算系数尚不明确．因此，笔者通过1:10比例的直柱基础模型试验，对比测定了不同地温和不同含水率的粉质黏土中普通基础与玻璃钢套筒基础的单位切向冻胀力，研究了玻璃钢套筒在不同粉质黏土地质环境中对切向冻胀力的消减作用效率，得到了玻璃钢套筒的消减作用系数．

图1 玻璃钢套筒Fig.1Fiberglass sleeve

图2 玻璃钢套筒基础Fig.2 Foundation with fiberglass sleeve

1 玻璃钢套筒切向冻胀力消减原理

切向冻胀力产生的两个基本条件：一是土体自身的冻胀，另一个是基础对土体冻胀的约束．土体自身的冻胀与设计采用的基础型式无关，而基础对土体冻胀的约束与基础型式紧密相关．

现场施工的混凝土基础表面粗糙度较大，基础与土体之间存在机械咬合作用，将会加大基础对土体的约束．当土体温度降低时，上部土层开始冻结，冻结后土体的强度增加，与基础之间机械咬合传递的力也逐渐加大，因此切向冻胀力会随地温的降低逐渐增大[8～10]．

在切向冻胀力的作用下，基础将产生向上的位移的趋势．但基础发生位移，首先需要克服基础本身的重力，其次需要克服下部未冻结土层对基础的摩擦和咬合力．

因此，当冻胀土层对基础的咬合力（冻胀力）小于下部未冻胀土层对基础的咬合力（锚固力）时，基础处于稳定状态；反之则基础处于失稳状态．

当基础表面增加玻璃钢套筒时，接触界面发生变化，土与混凝土表面的胶结变为土与玻璃钢表面的胶结．由于玻璃钢表面要比现浇混凝土表面光滑，机械咬合作用减弱．另外，玻璃钢的憎水材性会减小水与其表面的接触面积，降低冰与玻璃钢表面的粘附力，玻璃钢套筒与土体之间形成的冻结强度会低于无玻璃钢套筒时的强度．因此基础增加玻璃钢套筒后能消除基础与土体潜在的机械咬合力、减小冻结强度，土体作用于基础的切向冻胀力将会得到削弱，从而提高基础的抗拔稳定性．

2 基础切向冻胀力模型试验

2.1 土样物理性质指标

在典型场地粉质黏土地基中完成取样，配制含水率为 20%、25%、30%的土体样本，其物理、力学指标见表1．

表1 试验土体的物理性质指标Tab.1 Physical properties of soil used in model test

2.2 土体冻胀性试验

将含水率为20%、25%、30%的土样，制成高12cm，直径10cm的直柱形土样进行冻胀率试验．试验装置如图3所示，位移计安放在冻胀试验装置顶部监测冻胀量，根据试验条件的不同将十个热电偶分别插入试样和试样的侧表面上．试样筒周围包裹5 cm厚的保温材料，同时调节保温材料的形状和包裹方式以保证侧向冻结的正常合理的进行．恒温箱的底板温度设为－1℃，四周环境温度设为5℃，顶板温度设为－10℃．三组样本的冻胀性试验结果如表2所示．

图3 冻胀性试验装置Fig.3 Testing apparatus for frost-heave

表2 试验用土的冻胀率试验结果Tab.2 Frost-heave test results of soil used in model test

2.3 基础模型制备

基础模型按照 1:10比例尺进行制作模拟开挖基础和掏挖基础主柱部分，直径为10.25 cm，高60 cm．采用水:水泥:砂:石=0.47:1:1.342:3.129 的配合比配置 C30混凝土，拌制混凝土时加入少量早强剂．将拌合好的混凝土分别浇筑在模具中分层振捣密实并进行养护，对无玻璃钢套筒的基础模型，脱模后适当进行凿毛,模拟实际工程中基础表面的实际情况．

图4 制备的基础模型Fig.4 Prepared model of column foundation

2.4 切向冻胀力试验装置

切向冻胀力试验装置如图5和图6所示，中部圆形容器直径120 cm，高50 cm；上方为130 cm×130 cm正方形钢质顶板；下方为受力底座．

土体和基础模型放置在中部圆形容器，厚度满足刚度要求，能有效约束土体冻胀过程中向外的侧向变形模拟自然环境下的土体冻胀．容器底部通过放置流通冷媒的制冷管圈来模拟土体下部永冻层的作用，上方顶板作为安放轴力计的支座．

将制作好的混凝土基础放在实验装置装土容器底部的垫板上，往圆桶型装土容器内分层装入特定含水率的土，再分层进行压实．在土体表面放置位移计测量土体冻胀量．基础顶面放置轴力计，并固定在顶板上，加力抵紧．位移计、轴力计和热电偶连接入数采仪，采集数据的时间间隔设为 5min，实验过程中按时间自动采集并记录相关的位移、轴力、温度数据．

本试验所采用的冻融循环试验箱为Xutemp的XT5405B系列土工冻胀试验箱(图 7)，并采用Fxg-±25mm差动变压器式位移传感器、振弦式轴力计、Datataker-DT615数字采集仪．

图5 切向冻胀力试验装置Fig.5Tangential frost-heave force testing apparatus

图6 模型试验示意图Fig.6 Sketch of scale test

图7 冻融循环试验箱Fig.7 Freeze-thaw cycle test device

3 试验结果与分析

3.1 试验工况

本次试验完成了地温为0℃～ -10℃、含水率为20%、25%和 30%，有玻璃钢套筒和无玻璃钢套筒的基础模型的单位切向冻胀力对比试验．

3.2 试验结果

将试验所得的无玻璃钢套筒基础和有玻璃钢套筒基础的单位面积切向冻胀力数值整理如图 8所示．可以看出，增加玻璃钢套筒后，单位面积切向冻胀力数值有较大的降低．同时单位面积切向冻胀力随着温度的降低而逐渐增加，在0～-2 ℃左右增加速度最快，低于-5 ℃左右增长趋于平缓．在-5 ℃时的切向冻胀力值约为最大值的60%～75%．

图8 无玻璃钢套筒和有玻璃钢套筒基础的单位面积切向冻胀力Fig.8 Unit tangential frost-heave force on column foundationwith and without fiberglass sleeve

为分析玻璃钢套筒对单位面积切向冻胀力的消减情况，将切向冻胀力消减系数定义为“玻璃钢套筒基础切向冻胀力/无玻璃钢套筒基础切向冻胀力”，将消减效率定义为“(无玻璃钢套筒基础切向冻胀力-玻璃钢套筒基础切向冻胀力)/无玻璃钢套筒基础切向冻胀力”，其结果如图9和图10所示．

图9 玻璃钢套筒切向冻胀力消减系数Fig.9 Tangential frost-heave force reduction coefficient of fiberglass sleeve

图10 玻璃钢套筒切向冻胀力消减效率Fig.10 Tangential frost-heave force reduction efficiency of fiberglass sleeve

可以看出，玻璃钢套筒切向冻胀力消减系数在0.70～0.83之间，切向冻胀力消减效率在17.24%～29.70%之间．含水率为 20%、25%、30%时，切向冻胀力消减系数平均值分别为0.73、0.74、0.79，切向冻胀力消减效率平均值分别为 27.03%、25.60%、20.51%．

玻璃钢套筒切向冻胀力消减系数随土体含水率的增加而减小，切向冻胀力消减效率随土体含水率的增加而降低．图9和图10中，切向冻胀力消减系数和消减效率随温度的降低而随机变化，但基本以平均值为中轴线上下波动，总体上消减系数随温度降低呈减小趋势，消减效率随温度降低呈增大趋势．

由于含水率较高和地温较低时，切向冻胀力绝对值较大，在增加玻璃钢套筒后，切向冻胀力折减的绝对差值也较大，因此在含水率较高和地温较低的土体中采用玻璃钢模板的切向冻胀力的消减系数较小，对切向冻胀力消减的绝对幅值较大．但其消减效率还与土体类别和组成构造等因素相关，不一定随含水率或地温因素呈单一的变化规律．

4 结论

通过1:10比例的直柱基础模型试验，对比测定了不同地温和不同含水率的粉质黏土中普通基础与玻璃钢套筒基础的单位切向冻胀力，研究了玻璃钢套筒在不同粉质黏土地质环境中对切向冻胀力的消减作用效率和消减作用系数，得出以下主要结论：

（1）采用玻璃钢套筒后，单位面积切向冻胀力数值有明显的降低，对冻土地基冻拔作用有明显的削弱．玻璃钢套筒切向冻胀力消减系数为0.70～0.83，切向冻胀力消减效率为17.24%～29.70%．

（2）含水率为20%、25%、30%时，切向冻胀力消减系数平均值分别为 0.73、0.74、0.79，切向冻胀力消减效率平均值分别为 27.03%、25.60%、20.51%．玻璃钢套筒切向冻胀力消减系数随土体含水率的增加而减小，切向冻胀力消减效率随土体含水率的增加而降低．切向冻胀力消减系数和消减效率随温度的降低而随机波动，但总体上消减系数随温度降低呈减小趋势，消减效率随温度降低呈增大趋势．

（3）单位面积切向冻胀力随着温度的降低而逐渐增加，在0～-2℃左右增加速度最快，低于-5℃左右增长趋于平缓．在-5℃时的切向冻胀力值约为最大值的60%～75%．

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