季节冻土区变电站结构在地基土中的冻胀分析

阴琪翔　刘建秋　商文念

摘 要：本文通过分析冻胀对基础结构产生的力学效应，包括水平冻胀力、切向冻胀力和法向冻胀力，提出了相关防治措施，并给出相关建议，为相关工作人员提供借鉴。

关键词：冻胀；水平冻胀力；法向冻胀力；切向冻胀力；防治措施

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

随着社会经济的迅速发展及电量需求的大幅度增加，同时伴随着西电东输工程的推进，电网建设在西部地区得到大力发展。我国在内蒙、新疆等西北地区存在大量季节冻土，冻深大、冻期长等特点为变电站、换流站等电网建设带来技术难题。季节冻土是指冬季地表土冻结、夏季全部融化的土，且冻结时间小于一年，冻结初期，地表土层中的水分率先冻结，土体出现冻胀现象，随着冻结时间增加，在温度梯度的作用下，下部土体的水分不断向上部迁移，最终冻胀量可达数十厘米。如此大的冻胀量，有可能会造成变电站基础失稳、电缆沟开裂等结构破坏问题。

1 冻胀对基础结构产生的力学效应

地基土在冻结状态下土中的水结冰，随着外界水源的不断补充，冰晶不断增长，土体不断膨胀，当土体膨胀受到外界约束时，则表现出土体的冻胀力，在变电站刚性基础的约束下，冻胀力逐渐增加，最终对地基土中的结构产生影响。冻胀力一般可分为水平冻胀力、切向冻胀力和法相冻胀力。

1.1 水平冻胀力

变电站、换流站等油池壁、蓄水池等两侧土体不在同一水平线上的结构，在一次土体的冻胀力作用下会产生水平位移、裂缝等问题。水平冻胀力的产生和诸多因素相关。土体的冻胀等级越大，冻胀力越大，通常情况下细粒土体冻胀性大于粗粒土，粘粉颗粒含量较高的土体冻胀性越大。水分的含量也是影响水平冻胀力大小的主要原因，通常支挡建构筑物含水量随着深度的增加含水量逐渐增加，含水量小于冻胀起始含水量时，并不产生水平冻胀力，当含水量超过冻胀起始含水量时，冻胀力产生并逐渐增加，当达到一定冻胀力后，由于冷缩现象，冻胀力出现减小趋势。支挡结构在冬季采暖期，由于结构内墙温度大于外墙温度，在基础的约束作用下，支挡结构产生向填土方向的变形，使得冻胀力由下到上逐渐增大。

1.2 切向冻胀力

切向冻胀力一般迟于土体冻胀而产生，切向冻胀力的产生需要基础与土体存在冻结力，同时土体发生冻胀。若只存在冻结力，土体不发生冻胀，切向冻胀力则不会产生，若土体只发生冻胀，而没有冻结力的产生，也不会有切向冻胀力的产生。切向冻胀力与土颗粒大小相关，粒径在0.005～0.05mm的土颗粒如粉质亚粘土、粉土等切向冻胀力更容易产生。在土体的含水量超过塑限含水量时，即达到“临界冻胀含水量”时，土颗粒与基础间汇集大量自由水，并逐渐产生冻结力，土体冻胀后，切向冻胀力产生。土体冻结速度对切向冻胀力有较大影响，一般冻结锋面下移越快，切向冻胀力越大。基础侧面的粗糙程度也会影响切向冻胀力，基础表面越光滑，切向冻胀力越小，表面越粗糙，由于冻结力的咬合作用，导致切向力变大。

1.3 法向冻胀力

法向冻胀力的产生同样滞后于土体的冻胀，在土体冻结至基础底面时，法向冻胀力产生，且随着冻结土层厚度的增加呈先增加后减小的趋势，原因主要是由于冻结初期，水分迁移至基础下卧层冰晶逐渐增加，法向冻胀力之间增加，随着冻结线下移，冰晶产生的冻胀效应小于冻土的流变性带来的松弛效应，法向冻胀力逐渐减小。土颗粒成分对法向冻胀力有一定影响，通常土体产生法向冻胀力从大到小的土颗粒划分为粉土、亚砂土、亚粘土、粘土、细砂、粗砂。土体冻胀性、冻土厚度、基础约束度等都会对法向冻胀力带来影响。

2 冻胀的防治措施

冻胀的产生主要与水分、温度和土质相关，通过控制这三方面因素，可有效控制冻胀对基础的影响。

水分是产生冻胀的主要媒介，控制基础附近的水分含量，可有效减少冰晶的产生，从而削弱冻胀力，通常可采用降低地下水位、设置排水沟等方法。置换一般指使用物理力学性质相对稳定或者采用复合材料置换天然冻土地基中部分软弱土层，形成基础下垫层，从而达到提高地基承载力的作用，最终减少土体的冻胀融沉作用。冻土区置换材料一般可选择砂石垫层等保水性较差、透水性较强的材料。通过这振密或挤密的方法使土体密实，消除土体部分液化、湿陷等作用，从而提高地基承载能力。较常见的密实法包括强夯法，振冲法等。强夯法是有效消除地基冻胀性的方法之一，一般强夯将冻层内地基土干密度压实至1.7g/cm3。物理化学法指利用阳离子及盐分对冻胀的影响，改变土颗粒与水分的相互作用，使得土体水分迁移强度及冰点得到改变，最终可消除冻胀。化学电渗法是指采用阴阳电极附近分别注入钠离子、钙离子溶液，在电场作用下，土颗粒离子及注入试液之间发生化学反应，从而加速土体固结速度。桩基础是常见的深基础形式，结构形式主要由桩、承台连接上部结构，桩基作用是将上部荷载传至地下较深土层，以满足承载力要求。对于季节冻土区，桩基应主要考虑法相冻胀力和切向冻胀力作用，防止冻胀力对基础造成破坏或引起较大变形，因此，设计桩基时应着重考虑法相和切向冻胀作用。在季节冻土地区，保温隔热是指在建筑物四周或底部设置隔热层，一方面增大了热阻，减少了热量交换，另一方面推迟了地基土的冻结时间，提高了土中温度，进而减少了土体的冻胀作用。在多年冻土地区，建筑物破坏多以融沉破坏为主，因此除了考虑常规的地基变形外，应主要考虑与温度相关的热源问题，设计施工原则为减小地温变化。保护多年冻土原则在于建筑物（构筑物）建设或使用过程中，使得地基处于永冻状态，融化原则是指在建筑物（构筑物）建设或使用过程中，冻土融化到设计深度。

3 结语

电网建设逐渐扩展至我国西部地区，伴随而来的西部地区季节冻土的冻胀现象危害着电网建设的安全性。本文分析了冻胀对基础结构产生的力学效应，提出冻胀的防治措施及建议。

参考文献：

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作者简介：阴琪翔（1988-），男，山东枣庄人，工程师，主要从事：变电站结构稳定性研究工作。