玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力消減作用試驗研究

袁 俊，于皓琳，管順清，王學明，嚴福章

（1．中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2．中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；3．哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院， 結構工程災變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090；4．國網北京經濟技術研究院， 北京 102209）

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和西電東送建設的推進，輸電線路在多年凍土區(qū)和深季節(jié)凍土區(qū)的工程建設規(guī)模和電壓等級逐步提高，青藏交直流聯(lián)網工程、青海玉樹聯(lián)網工程等穿越凍土區(qū)的高電壓等級線路在近年相繼開展建設，各類工程凍害成為工程建設中必須妥善處理的問題．

切向凍脹力是造成基礎凍拔破壞的主要原因，俄羅斯西伯利亞110～500 kV輸電線路，中國500 kV伊馮線、500 kV馮大線、220 kV海拉爾-牙克石線路都曾發(fā)生過嚴重的基礎凍拔破壞[1～3]．采用物理化學法防凍脹措施中，涂刷瀝青、工業(yè)凡士林、渣油等憎水材料可以消減高達 95%切向凍脹力[4～5]，但經過多次凍融循環(huán)后，其消減作用逐漸遞減．另外由于地基土反復凍脹活動，這些憎水材料會不斷向周圍土體擠壓滲透，瀝青等材料的有效作用時間可能低于輸電線路的使用時間[6～7]．當憎水材料防凍脹效果嚴重降低后，再次開挖地基重新涂刷的難度較大．玻璃鋼是一種表面光滑平順的憎水材料，在鋼筋混凝土基礎的表面增加玻璃鋼套筒，施工時可作為混凝土澆筑模板使用，施工后留在凍土地基中能消減切向凍脹力，由于其憎水材性穩(wěn)定，在輸電線路的使用期內可長期發(fā)揮消減作用．

青藏交直流聯(lián)網工程、青海玉樹聯(lián)網工程、伊犁-庫車輸電線路工程中大量使用了玻璃鋼套筒基礎，并取得了良好的效果，但目前還缺乏玻璃鋼材料對切向凍脹力消減作用的研究，基礎設計中切向凍脹力消減作用計算系數尚不明確．因此，筆者通過1:10比例的直柱基礎模型試驗，對比測定了不同地溫和不同含水率的粉質黏土中普通基礎與玻璃鋼套筒基礎的單位切向凍脹力，研究了玻璃鋼套筒在不同粉質黏土地質環(huán)境中對切向凍脹力的消減作用效率，得到了玻璃鋼套筒的消減作用系數．

圖1 玻璃鋼套筒Fig.1Fiberglass sleeve

圖2 玻璃鋼套筒基礎Fig.2 Foundation with fiberglass sleeve

1 玻璃鋼套筒切向凍脹力消減原理

切向凍脹力產生的兩個基本條件：一是土體自身的凍脹，另一個是基礎對土體凍脹的約束．土體自身的凍脹與設計采用的基礎型式無關，而基礎對土體凍脹的約束與基礎型式緊密相關．

現(xiàn)場施工的混凝土基礎表面粗糙度較大，基礎與土體之間存在機械咬合作用，將會加大基礎對土體的約束．當土體溫度降低時，上部土層開始凍結，凍結后土體的強度增加，與基礎之間機械咬合傳遞的力也逐漸加大，因此切向凍脹力會隨地溫的降低逐漸增大[8～10]．

在切向凍脹力的作用下，基礎將產生向上的位移的趨勢．但基礎發(fā)生位移，首先需要克服基礎本身的重力，其次需要克服下部未凍結土層對基礎的摩擦和咬合力．

因此，當凍脹土層對基礎的咬合力（凍脹力）小于下部未凍脹土層對基礎的咬合力（錨固力）時，基礎處于穩(wěn)定狀態(tài)；反之則基礎處于失穩(wěn)狀態(tài)．

當基礎表面增加玻璃鋼套筒時，接觸界面發(fā)生變化，土與混凝土表面的膠結變?yōu)橥僚c玻璃鋼表面的膠結．由于玻璃鋼表面要比現(xiàn)澆混凝土表面光滑，機械咬合作用減弱．另外，玻璃鋼的憎水材性會減小水與其表面的接觸面積，降低冰與玻璃鋼表面的粘附力，玻璃鋼套筒與土體之間形成的凍結強度會低于無玻璃鋼套筒時的強度．因此基礎增加玻璃鋼套筒后能消除基礎與土體潛在的機械咬合力、減小凍結強度，土體作用于基礎的切向凍脹力將會得到削弱，從而提高基礎的抗拔穩(wěn)定性．

2 基礎切向凍脹力模型試驗

2.1 土樣物理性質指標

在典型場地粉質黏土地基中完成取樣，配制含水率為 20%、25%、30%的土體樣本，其物理、力學指標見表1．

表1 試驗土體的物理性質指標Tab.1 Physical properties of soil used in model test

2.2 土體凍脹性試驗

將含水率為20%、25%、30%的土樣，制成高12cm，直徑10cm的直柱形土樣進行凍脹率試驗．試驗裝置如圖3所示，位移計安放在凍脹試驗裝置頂部監(jiān)測凍脹量，根據試驗條件的不同將十個熱電偶分別插入試樣和試樣的側表面上．試樣筒周圍包裹5 cm厚的保溫材料，同時調節(jié)保溫材料的形狀和包裹方式以保證側向凍結的正常合理的進行．恒溫箱的底板溫度設為－1℃，四周環(huán)境溫度設為5℃，頂板溫度設為－10℃．三組樣本的凍脹性試驗結果如表2所示．

圖3 凍脹性試驗裝置Fig.3 Testing apparatus for frost-heave

表2 試驗用土的凍脹率試驗結果Tab.2 Frost-heave test results of soil used in model test

2.3 基礎模型制備

基礎模型按照 1:10比例尺進行制作模擬開挖基礎和掏挖基礎主柱部分，直徑為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，拌制混凝土時加入少量早強劑．將拌合好的混凝土分別澆筑在模具中分層振搗密實并進行養(yǎng)護，對無玻璃鋼套筒的基礎模型，脫模后適當進行鑿毛,模擬實際工程中基礎表面的實際情況．

圖4 制備的基礎模型Fig.4 Prepared model of column foundation

2.4 切向凍脹力試驗裝置

切向凍脹力試驗裝置如圖5和圖6所示，中部圓形容器直徑120 cm，高50 cm；上方為130 cm×130 cm正方形鋼質頂板；下方為受力底座．

土體和基礎模型放置在中部圓形容器，厚度滿足剛度要求，能有效約束土體凍脹過程中向外的側向變形模擬自然環(huán)境下的土體凍脹．容器底部通過放置流通冷媒的制冷管圈來模擬土體下部永凍層的作用，上方頂板作為安放軸力計的支座．

將制作好的混凝土基礎放在實驗裝置裝土容器底部的墊板上，往圓桶型裝土容器內分層裝入特定含水率的土，再分層進行壓實．在土體表面放置位移計測量土體凍脹量．基礎頂面放置軸力計，并固定在頂板上，加力抵緊．位移計、軸力計和熱電偶連接入數采儀，采集數據的時間間隔設為 5min，實驗過程中按時間自動采集并記錄相關的位移、軸力、溫度數據．

本試驗所采用的凍融循環(huán)試驗箱為Xutemp的XT5405B系列土工凍脹試驗箱(圖 7)，并采用Fxg-±25mm差動變壓器式位移傳感器、振弦式軸力計、Datataker-DT615數字采集儀．

圖5 切向凍脹力試驗裝置Fig.5Tangential frost-heave force testing apparatus

圖6 模型試驗示意圖Fig.6 Sketch of scale test

圖7 凍融循環(huán)試驗箱Fig.7 Freeze-thaw cycle test device

3 試驗結果與分析

3.1 試驗工況

本次試驗完成了地溫為0℃～ -10℃、含水率為20%、25%和 30%，有玻璃鋼套筒和無玻璃鋼套筒的基礎模型的單位切向凍脹力對比試驗．

3.2 試驗結果

將試驗所得的無玻璃鋼套筒基礎和有玻璃鋼套筒基礎的單位面積切向凍脹力數值整理如圖 8所示．可以看出，增加玻璃鋼套筒后，單位面積切向凍脹力數值有較大的降低．同時單位面積切向凍脹力隨著溫度的降低而逐漸增加，在0～-2 ℃左右增加速度最快，低于-5 ℃左右增長趨于平緩．在-5 ℃時的切向凍脹力值約為最大值的60%～75%．

圖8 無玻璃鋼套筒和有玻璃鋼套筒基礎的單位面積切向凍脹力Fig.8 Unit tangential frost-heave force on column foundationwith and without fiberglass sleeve

為分析玻璃鋼套筒對單位面積切向凍脹力的消減情況，將切向凍脹力消減系數定義為“玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力/無玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力”，將消減效率定義為“(無玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力-玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力)/無玻璃鋼套筒基礎切向凍脹力”，其結果如圖9和圖10所示．

圖9 玻璃鋼套筒切向凍脹力消減系數Fig.9 Tangential frost-heave force reduction coefficient of fiberglass sleeve

圖10 玻璃鋼套筒切向凍脹力消減效率Fig.10 Tangential frost-heave force reduction efficiency of fiberglass sleeve

可以看出，玻璃鋼套筒切向凍脹力消減系數在0.70～0.83之間，切向凍脹力消減效率在17.24%～29.70%之間．含水率為 20%、25%、30%時，切向凍脹力消減系數平均值分別為0.73、0.74、0.79，切向凍脹力消減效率平均值分別為 27.03%、25.60%、20.51%．

玻璃鋼套筒切向凍脹力消減系數隨土體含水率的增加而減小，切向凍脹力消減效率隨土體含水率的增加而降低．圖9和圖10中，切向凍脹力消減系數和消減效率隨溫度的降低而隨機變化，但基本以平均值為中軸線上下波動，總體上消減系數隨溫度降低呈減小趨勢，消減效率隨溫度降低呈增大趨勢．

由于含水率較高和地溫較低時，切向凍脹力絕對值較大，在增加玻璃鋼套筒后，切向凍脹力折減的絕對差值也較大，因此在含水率較高和地溫較低的土體中采用玻璃鋼模板的切向凍脹力的消減系數較小，對切向凍脹力消減的絕對幅值較大．但其消減效率還與土體類別和組成構造等因素相關，不一定隨含水率或地溫因素呈單一的變化規(guī)律．

4 結論

通過1:10比例的直柱基礎模型試驗，對比測定了不同地溫和不同含水率的粉質黏土中普通基礎與玻璃鋼套筒基礎的單位切向凍脹力，研究了玻璃鋼套筒在不同粉質黏土地質環(huán)境中對切向凍脹力的消減作用效率和消減作用系數，得出以下主要結論：

（1）采用玻璃鋼套筒后，單位面積切向凍脹力數值有明顯的降低，對凍土地基凍拔作用有明顯的削弱．玻璃鋼套筒切向凍脹力消減系數為0.70～0.83，切向凍脹力消減效率為17.24%～29.70%．

（2）含水率為20%、25%、30%時，切向凍脹力消減系數平均值分別為 0.73、0.74、0.79，切向凍脹力消減效率平均值分別為 27.03%、25.60%、20.51%．玻璃鋼套筒切向凍脹力消減系數隨土體含水率的增加而減小，切向凍脹力消減效率隨土體含水率的增加而降低．切向凍脹力消減系數和消減效率隨溫度的降低而隨機波動，但總體上消減系數隨溫度降低呈減小趨勢，消減效率隨溫度降低呈增大趨勢．

（3）單位面積切向凍脹力隨著溫度的降低而逐漸增加，在0～-2℃左右增加速度最快，低于-5℃左右增長趨于平緩．在-5℃時的切向凍脹力值約為最大值的60%～75%．

References

[1]LYAZGIN A L,LYASHENKO V S, OSTRO BOROD OVSV, et al. Experience in the prevention of frost heave of pile foundations of transmission towers under northern conditions[J]. Power Technology and Engineering, 2004, 38(2):124-126.

[2]LYAZGIN A L. The problem of power transmission lines damage at the North of Tyumen province and the means of its decision[C]//The second conference of geocryologists of Russia. Moscow: 2001, 6-8.

[3]劉厚健, 程東幸,余祁浩,等. 高海拔輸電線路的凍土工程問題及對策研究[J]. 工程勘察,2000,9(4):32-36.LIU Houjian, CHENG Dongxing, YU Qihao,et al.Study on permafrost engineering problems and engineering countermeasure of transmission line[J].Journal of Geotechnical Investigation & Surveying,2000, 9 (4) :32-36.

[4]童長江, 王雅卿, 劉景壽. 涂料法防凍脹的效果[C]//青藏凍土研究論文集, 中國科學院蘭州冰川凍土研究所.北京:科學出版社, 1983, 139-142.TONG Changjiang, WANG Yaqing, LIU Jingshou.Coating effect of antifrost heave[C]// The proceedings of Tibet permafrost research, Lanzhou Institute of Glaciology and Cryopedology, Chinese Academy of Sciences, Beijing: Science Press, 1983, 139-142.

[5]LINELL KA, LOBACZEF. Design and construction of foundations in areas of deep seasonal frost and permafrost[R]. U.S.Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory Special Report, 1980.80-134.

[6]鐵道科學院金化所, 天津師范學院化學系. 表面活性劑在鐵路路基化學防凍脹中的應用研究. 鐵道科學技術工務工程分冊(第四冊)[R]. 鐵道部科學技術情報研究所, 1978.China Academy of Railway Sciences, Tianjin normal university. Application of surfactants to antifrost heave in the railway roadbed. Railway science and technology of engineering and maintenance(Volume 4)[R]. Institute of Scientific and Technical Information of the Ministry of Railways, 1978.

[7]BIGGAR KW, SEGOD. C. Field pile load tests in saline permafrost.I. Test procedures and results[J].Canadian Geotechnical Journal, 1993, 30(1): 34-45.

[8]А.М. Пчелинцев. Физико-химические Спосоъы изменения сил примерзания грунта к фундаментам[C]//2d International Conference on Permafrost,Yakutsk, Siberia:National Academy of Sciences，1973,688-692.

[9]PENNER E, GOLD L W. Transfer of heavy forces by adfreezing to columns and foundationwalls in frost-susceptible soils[J], Canadian Geotechnical Journal, 1971,8(4): 514-526.

[10]KINOSHITA S, ONO T. Heaving force of frozen ground. I. mainly on the results of field researches:low temperature science laboratory[J].TeronKagakaSerial A, 1963(21):117-139.