变电站基础冻胀作用机理及防治措施

桑伟

前言

冻土是指温度在0℃及以下，含有冰的各种土壤和岩石。在我国青藏高原、西北高山和东北北部的大、小兴安岭及松嫩平原等地区分布着大片的多年冻土，而贺兰山至哀牢山一线以西的广大地区，以及此线以东，秦岭-淮河线以北地区是季节冻土区[1]。冻胀，尤其差异性冻胀是造成工程建筑变形以致破坏的主要原因，变电站建设在这些地区时，必须考虑冻土的冻胀危害。冻胀作用对工程的危害：冻胀使基础整体抬高或者局部抬高，冻切力对基础产生侧向推力，使基础侧向位移，危及建筑物内设备及线路的安全使用[2]。

因此，变电站建在冻土地区时，就必须对冻胀作用及其与工程建筑物相互作用的关系有一定的了解，并采取必要的防治措施，以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。

1　冻胀作用及其影响因素

1.1　冻胀作用

当温度降至0℃及以下，土体孔隙中的部分水会结冰，从而使土体体积膨胀，另外，在水势梯度作用下，未结冰处的水回乡向冻结区流动、聚集，并冻结膨胀[3]，这种现象就叫做土的冻胀。而地基土各处的水文及冻结条件各不相同，从而导致土的冻胀作用的差异性，会对建构筑物的基础产生不均匀冻胀变形，影响其正常使用，甚至破坏[4]。

1.2　冻胀作用机理

土孔隙中的水会向已冻结土处不断流动、聚集，这种水的流动会加速土的冻结，使冻土区逐渐增大，而水结冰后体积会增大，从而产生冻胀作用。土中的重力水的凝固点为0℃，而毛细水则低于0℃，结合水受到的引力越大其凝固点反而减小：其中弱结合水的外层的凝固点为-0.5℃，而弱结合水的内层（靠近土表面）的凝固点为-20～-30℃，另外，有些强结合水的凝固点甚至低于-78℃。当大气温度降至0℃以下时，在土中最先冻结的水是重力水，然后是毛细水，如果温度继续降低，则部分弱结合水的最外层也会逐渐凝固、冻结，使冻结区域越来越大。从而使得冻结区周围土粒的结合水膜变薄，导致剩余的土粒分子引力产生；另外，弱结合水的冻结，会增加水膜中的离子浓度，从而产生渗附压力。在这两种力共同作用下，附近未冻结区的结合水逐渐被吸引到冻结区，从而会继续凝固、冻结，使冰晶体增大，而这两种不平衡力还会继续作用，土孔隙中的水会继续从未冻结区向冻结区迁移，使冰晶体继续增大，形成冰夹层，土会急剧膨胀，直至水源的补给断绝后才停止。值得一提的是，距离地表越深，土体的内部温度反而会提高，从而不会形成冻胀作用，因此冻胀左右发生在地表附近的土体之中。

1.3　冻胀影响因素

（1）土的因素

土壤的类别对冻胀作用影响较大。相比于粗粒土，细粒土中的冻胀现象更频繁、更显著，特别是粉砂、粉质粘土以及粉土，主要原因是在这类土中，会产生较显著的毛细现象，毛细现象会使水不断地从附近未冻结区向冻结区迁移，从而具有较通畅的水源补给通道。

（2）水的因素

地下水位的高低也是重要的影响因素。冻胀作用产生的主要原因是土孔隙中的水的迁移和集聚，因此，当地下水位较高，毛细水上升高度能够达到温度0℃及以下处，外部水源能够充分补给时，将会发生较强烈的冻胀现象[5]。

（3）温度因素

持续时间和气温对土壤的冻结深度具有重大影响，在一定条件下，降温速度较慢，延续时间较长，冻结深度就会较大，地面开裂乃至凸起就会较严重。

因此，我们可以根据影响冻胀作用的因素：土的类别、地下水位的高低以及温度，采取相应的防治冻胀的措施，以防止冻害的影响。

2　变电站基础防治冻胀措施

综上所述，可从减少冻胀作用形成（地基换填和改良、基础防水和防渗、基础的保温等方面）和提高基础抵抗冻胀变形能力两方面来减小变电站基础的冻胀危害。

2.1　注意事项

在设计时，要充分考虑变电站站址的土壤性质、地下水位的高低以及变电站的平面布置；合理选择基础的埋置深度，避免太深造成浪费和浅埋冻胀的危害。宜避免将站址选在粉砂、粉质粘土以及粉土等地基之上，如果没有其它选择，可以将该地基土进行改良乃至换填；宜避免将站址选在地下水位较高处，减少冻胀作用的水源补给；变电站的平面布置应结合地基土承载力，尽量优化。

在施工时，应严格按照建筑设计说明、结构设计说明及相应图纸的防止冻胀措施的要求，按图施工。如果是毛石基础砌筑，其外侧应充分整平、密实度达到要求，砂浆饱满，基槽内严禁乱抛石子与废弃物；如果基础外侧有防冻要求时，应回填松散材料，例如砂、石等，并应保持松散材料的干燥干净；回填土不得含有冻土，并且土颗粒的粒径必须小于50mm，确保密实度达到相关要求，严禁用水冲回填土。

2.2　冻土防治措施

（1）地基换填法。如果变电站站址选在粉砂、粉质粘土以及粉土等地基之上，并且没有其它选择时，可采用地基换填法。可以用粒径比较大的、透水性强的材料，例如细砂、中砂或粗砂等，来置换天然含水率大的粉砂、粉质粘土以及粉土等，以减小地基土的毛细作用，减少冻胀作用的水源补给，从而减小冻结力。应根据不同的工况，选择相应的换填土。当变电站站址地基土地下水位较高且为强冻胀土时，应换填卵石或碎石，此法不受地下水位以及含水率的限制，能明显地减小冻胀作用，地基换填深度为最大冻结深度。

（2）泡沫层保温法。此法是降低外界寒冷气温对地基土的影响，采用在硬质泡沫放置在变电站基础周围，增加硬质泡沫下地基土的温度，进而减小地基土冻胀作用。需要注意的是，泡沫层保温法有一个弊端，就是当泡沫浸水饱和后，其保温隔热的功能将大大削弱，严重影响其正常使用，因此在实际应用中应多加注意。

（3）结构优化法。该方法是对变电站建构筑物本身的结构进行优化，提高其抗冻胀能力。正确选择基础型式和尺寸，做到既增加承载力，又保证抗渗防冻性能良好。可从三方面进行结构加固：①增加基础本身的强度和刚度，增加配筋率或使用联合基础等，以应对不均匀冻胀作用产生的地基不均匀变形；②允许基础有一定限度的变形，以适应地基土的相应冻胀；③提高基础的锚固力，减少地基土间的冻结力，以保证基础整体稳定。

（4）降低基底深度法。《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118-2011）规定，对强冻胀性土、特强冻胀性土，基础的埋置深度宜大于设计冻深0.25m。

3　结论

本文针对冻土地区变电站基础防治措施，介绍了冻土的危害，分析了冻胀作用及其影响因素，并根据冻胀作用的形成机理，提出了四种可行的防治冻土的措施，以供借鉴：

（1）地基换基法；

（2）泡沫层保温法；

（3）结构优化法；

（4）降低基底深度法。

[1]扈长龙，马玉龙.浅谈季冻区冻胀成因及防治[J].黑龙江科技信息，2010（18）：258.

[2]张侠.冻融循环对压实黄土的水分重分布、变形和密度影响试验研究[D].兰州理工大学，2010.

[3]程爱君，叶阳升.多年冻土地区路基冻害分析及防治措施[J].铁道建筑，2006（7）：60～61.

[4]蔡松昆.寒冷地区路基冻害整治[J].科技成果纵横，2006（3）：92.

[5]齐吉琳，马 巍，等.冻土的力学性质及研究现状[J].岩土力学，2010，31（1）：133～143.