冻土工程特性及变电站建构筑物防冻措施分析

刘 洪，李 尧，杨 俊，夏珊珊，任光明，韩根伟

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610094；2.四川电力职业技术学院，四川 成都 610072；3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

1 引言

冻土分为季节性冻土和多年冻土，根据《冻土工程地质勘察规范》（GB50324-2014）中规定：季节性冻土是指地表层冬季冻结而夏季又全部融化的土体。多年冻土是指持续冻结时间在2 年或2 年以上的土体。多年冻土主要分布在我国青藏高原、西北及东北地区，季节性冻土主要分布在贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区，以及此线以东，秦岭—淮河线以北地区［1］。

随着西部水电站的不断开发，不同电压等级的变电站不断深入青藏高原腹地，大量的输电线路需要穿越高寒地带，包括川藏联网工程、藏中联网工程、阿里联网工程等［2］。由于青藏高原区纬度低，海拔高，日照强烈，且该区多年冻土具有厚度薄、地温高、随气温变化反应灵敏等特点，容易引发工程病害问题。同时，冻土的自然分布及发生发展规律也会随之人类的工程建设活动改变，而全球变暖也是自然气候变化的趋势。因此，全球变暖与人类工程活动又加剧了冻土和工程之间的相互作用。而高寒地区的电力工程中，绝大多数变电站建设会受冻土的影响，同时建设过程中也会对冻土的分布与发展产生影响。

图1 青藏高原冻土分布图

冻土对于变电站内的建构筑物基础一般存在以下危害：（1）冻胀对建构筑物基础造成破坏；（2）冻胀对建筑物墙体破坏；（3）冻融循环可使防水层破裂，排水口堵塞；（4）冻胀使道路结构断裂，面层裂缝变形，渗水更加剧了冻融循环［3-4］。

因此，研究高寒冻土地的工程特性，并分析冻土对变电站建构筑物的影响，对于目前青藏高原地区的输变电站工程建设，具有重要的工程意义。

2 冻土的工程特性

2.1 冻土的力学特性

冻土中冰的存在，是冻土与其他类型土的主要区别。冻土的力学特性主要取决于其中冰的物理力学性质。

通过整理西藏某工程相关冻土强度试验的数据［5-6］，得出冻结粘土与冻结砂土的强度特征如表1 所示。

表1 冻结粘土和冻结砂土的强度特征

可以看出土在冻结状态下的抗压强度，一般都比它在融化状态下大得多，土温越低，抗压强度也越大。并且同一温度下，砂性土的抗压强度明显大于粘性土的抗压强度，也可以说明土颗粒增大，冻土强度也在提高。

通过整理不同含水率的粘性土在常温及低温环境下的试验［7-8］，得出粘聚力及内摩擦角与含水率的关系图如图2、图3 所示。

图2 含水率与粘聚力的关系曲线

由图2 可知，低温环境下的粘聚力随着含水率增加而逐渐增大，常温环境下粘聚力随着含水率增加，有略微减小。因此，低温环境下含水率对粘聚力影响明显强于常温环境含水率对粘聚力的影响，且同一含水率下，常温环境的粘聚力明显小于低温环境下粘聚力。

图3 含水率与内摩擦角的关系曲线

由图3 可知，常温环境及低温环境下，内摩擦角随含水率的增加并无明显的增减。但同一含水率下，低温环境的内摩擦角大于常温环境下粘土的内摩擦角。

图4 含水率与强度的关系曲线

由图4 可知，当温度为0℃时，含水率增大，抗压强度略微增大，当温度为-10℃及-18℃时，含水率增大，抗压强度增大较明显。因此，随着含水率的增加，粘土无侧限抗压强度逐渐增大，并且温度越低，增加幅度越明显。

2.2 冻土地基的地基承载力评价

冻土承裁力的确定，目前尚无统一的方法。现有的现场试验多为开敞方法，或直接测定冻土试块的强度。根据马巍、吴紫汪［9-11］等人在冻土区现场实验，确定冻土地基承载力。

由表2 可见，组成冻土的颗粒成分愈粗，冻土强度愈大。在相同含水量状态下，砾石土、砾砂、细砂和粘性土，它们的长期强度值之比为2.0：1.6：1.3：1.0。

表2 几种典型土现场比例极限实测值

对于松散土，一般认为现场实测的比例极限即为允许承载力，Po ＝[R]。由于目前对冻土承裁力的现场确定尚缺乏经验，现场工程实践也不多，考虑到安全和其它偶然因素，多将现场的实测值分别给予折减。其中砾石土、砂土乘以0.8、粘性土乘以0.7、含土冰层乘以0.5 的折减系数［12-13］。表3为给定的冻土长期允许承载力。

表3 冻土长期允许承载力 kPa

表3 中冻土承载力的取值与《工程地质手册》（第四版）对冻土承载力设计取值基本一致，可作为评价取值的依据。

3 建构筑物基础抗冻防治措施

冻胀的产生需三个因素，分别是土质、温度和水。因此，为防止冻胀破坏作用的产生，只要消除这3 个因素中的一个，就能达到防治的目的［14］。

3.1 不同建构筑物基础防冻措施

（1）对于框架结构来说：主控通信楼及继电器室内布置的电气设备对沉降要求较高，设计时首先须保证基础最小埋置深度，以消除或尽量减少基础底面的法向冻胀力。

主控通信楼及继电器室基础埋深保证基础最小埋置深度后，如选择粘土做持力层，则将基础下铺一定厚度的粗砂垫层。独立基础之间设钢筋混凝土基础梁，基础梁下留不小于该土层冻胀量的空隙，防止冬季土体冻胀时体积膨胀将连梁拱裂，即可解决冻胀问题，又增加结构的整体性。为最大限度的减小基础两侧的切向冻胀力，将冻土层范围内基础和连梁外侧填一定厚度的中粗砂或炉渣，使冻胀力远离基础。考虑到冻融环境下混凝土结构的耐久性，对于混凝土基础露出地面的部分及在冻土层的部分应涂刷防冻材料。

（2）对于砌体结构：由于砌体结构的基础为条形基础。抗变形能力差，主要在基础埋深和填料上考虑防冻胀措施，从而减小法向和切向冻胀力。基础埋深尽可能在标准冻深下.或用中粗砂处理至标准冻深，这样可有效地消除基底的法向冻胀力。对于基础及墙体内、外侧和室内地面下，填一定厚度的粗砂或矿渣，使墙体外围、基础底、墙体内侧至地面下的砂层连成整体。可使基础周围可冻融的土壤远离结构，从而减小法向和切向冻胀力。

（3）对于构支架基础。构架基础埋深一般都在2.5 m 左右，支架基础埋深一般在1.5m 左右。对于构架基础，一般地区可以满足冻结深度要求。而对于支架基础，需根据冻土深度具体设计。当冻土深度较浅时，如1.0m～2.0m，可按最大冻土深度确定基础埋深；当最大冻结深度较大时，如2.5m，直接加深基础会明显增加工程造价。此时可采用换填的办法，设备基础按设计埋深，基础以下部分采用换填材料来消除冻土的冻胀性。也可以采用加厚混凝土垫层，因为垫层造价一般约为混凝土基础的40%，因此，采用垫层也可以节约工程造价。

3.2 防冻工程措施

3.2.1 设置砂砾垫层

由于换土垫层是用低压缩性材料代替部分冻胀土，故可减少冻胀力，而且砂砾层易于夯实、排水，有较好的密实性，它在一般正常工作条件下，有足够的稳定性，设置砂垫层，可起到以下作用［3］。（1）隔离层作用。当地下水通过地基上升到砂垫层时，因砂垫层孔隙较大，形成的毛细管少，就控制了地下水的上升数量。（2）减少冻胀地基土的厚度，从而减轻冻胀土的冻胀力［3］。（3）基础土产生不均匀冻胀时，可通过砂砾垫层将不均匀的冻胀力重新分配，均匀地传给建筑物基础，减轻破坏。（4）减小垫层天然土层的压力，通过垫层的应力扩散作用，减少垫层下天然土层所受附加应力，因而减小了基础的沉降量。

图5 基础换填措施示意图

3.2.2 采用独立基础或桩基础

由于独立基础荷重较大有利于减小基础的冻胀变形，且独立基础与土的接触面积比其他类型基础较小，对消除冻切力也较为有利。而桩基础伸入地表深部，可有效减轻冻胀破坏。因此，在冻土深，冻胀性强地区，采用独立基础和桩基防冻害效果较好。

3.2.3 减少基础外侧冻切力

建构筑基础除满足最小埋深外，还需考虑冻胀时的冻切力对基础侧面的作用。可在基础外侧回填非冻胀性材料，如粗砂、中砂、砾石、碎砖、火山灰和炉渣等。对于变电站内的建构筑物，可采用的措施有［15］：

（1）当基底下为冻胀性土壤时，在基底做一定厚度的砂垫层，增强地基强度，减弱地基土的融沉变形，也减弱了基底法向冻胀力的作用。

（2）基础两侧回填一定厚度的砂砾石或炉渣，以减小基础两侧土壤冻胀力。

（3）基础梁下填以炉渣等非冻胀性松散材料，并且要留不小于5cm的空隙，防止冻胀对基础梁的作用。

（4）基础埋深应在地下水位以上。当地下水位较高时，在总图竖向设计时,应局部抬高建筑室内和周围2m以上范围的标高。同时,做好站区排水。

图6 保温基础示意图

同时，对多冻土基础应该优先选有对冻土扰动小的桩基础，持力层良好可采取措施保持冻土承载力开挖类基础。按照保持冻结状态设计的等级，可采用热棒、热桩复制保持多年冻土地基的冻结状态。为了减少切向冻胀力的影响，冻土地区基础可采用玻璃钢模板、基础表面涂刷憎水材料等防冻胀措施。

4 结论

通多对冻土的工程特性研究，分析了冻土对变电建构筑物的危害，并提出变电站建构筑物基础抗冻防治措施。主要结论如下。

（1）与内摩擦角相比，土壤粘聚力对于温度变化更敏感。低温环境下粘聚力明显高于常温环境下粘聚力。并且在低温环境下，含水率对于粘聚力的影响也很明显，但含水率对于内摩擦角的影响与温度变化无明显关系。

（2）随着含水率的增加，粘性土无侧限抗压强度逐渐增大，并且温度越低，增加幅度越明显。

（3）针对冻土对变电站建构筑物基础的影响，提出了设置砂砾垫层、选择独立式基础或桩基础、减少基础外侧冻切力等三种工程措施。