季節(jié)凍土區(qū)變電站結(jié)構(gòu)在地基土中的凍脹分析

陰琪翔　劉建秋　商文念

摘 要：本文通過分析凍脹對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，包括水平凍脹力、切向凍脹力和法向凍脹力，提出了相關(guān)防治措施，并給出相關(guān)建議，為相關(guān)工作人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：凍脹；水平凍脹力；法向凍脹力；切向凍脹力；防治措施

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

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展及電量需求的大幅度增加，同時伴隨著西電東輸工程的推進，電網(wǎng)建設(shè)在西部地區(qū)得到大力發(fā)展。我國在內(nèi)蒙、新疆等西北地區(qū)存在大量季節(jié)凍土，凍深大、凍期長等特點為變電站、換流站等電網(wǎng)建設(shè)帶來技術(shù)難題。季節(jié)凍土是指冬季地表土凍結(jié)、夏季全部融化的土，且凍結(jié)時間小于一年，凍結(jié)初期，地表土層中的水分率先凍結(jié)，土體出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，隨著凍結(jié)時間增加，在溫度梯度的作用下，下部土體的水分不斷向上部遷移，最終凍脹量可達數(shù)十厘米。如此大的凍脹量，有可能會造成變電站基礎(chǔ)失穩(wěn)、電纜溝開裂等結(jié)構(gòu)破壞問題。

1 凍脹對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)

地基土在凍結(jié)狀態(tài)下土中的水結(jié)冰，隨著外界水源的不斷補充，冰晶不斷增長，土體不斷膨脹，當土體膨脹受到外界約束時，則表現(xiàn)出土體的凍脹力，在變電站剛性基礎(chǔ)的約束下，凍脹力逐漸增加，最終對地基土中的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。凍脹力一般可分為水平凍脹力、切向凍脹力和法相凍脹力。

1.1 水平凍脹力

變電站、換流站等油池壁、蓄水池等兩側(cè)土體不在同一水平線上的結(jié)構(gòu)，在一次土體的凍脹力作用下會產(chǎn)生水平位移、裂縫等問題。水平凍脹力的產(chǎn)生和諸多因素相關(guān)。土體的凍脹等級越大，凍脹力越大，通常情況下細粒土體凍脹性大于粗粒土，粘粉顆粒含量較高的土體凍脹性越大。水分的含量也是影響水平凍脹力大小的主要原因，通常支擋建構(gòu)筑物含水量隨著深度的增加含水量逐漸增加，含水量小于凍脹起始含水量時，并不產(chǎn)生水平凍脹力，當含水量超過凍脹起始含水量時，凍脹力產(chǎn)生并逐漸增加，當達到一定凍脹力后，由于冷縮現(xiàn)象，凍脹力出現(xiàn)減小趨勢。支擋結(jié)構(gòu)在冬季采暖期，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)墻溫度大于外墻溫度，在基礎(chǔ)的約束作用下，支擋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向填土方向的變形，使得凍脹力由下到上逐漸增大。

1.2 切向凍脹力

切向凍脹力一般遲于土體凍脹而產(chǎn)生，切向凍脹力的產(chǎn)生需要基礎(chǔ)與土體存在凍結(jié)力，同時土體發(fā)生凍脹。若只存在凍結(jié)力，土體不發(fā)生凍脹，切向凍脹力則不會產(chǎn)生，若土體只發(fā)生凍脹，而沒有凍結(jié)力的產(chǎn)生，也不會有切向凍脹力的產(chǎn)生。切向凍脹力與土顆粒大小相關(guān)，粒徑在0.005～0.05mm的土顆粒如粉質(zhì)亞粘土、粉土等切向凍脹力更容易產(chǎn)生。在土體的含水量超過塑限含水量時，即達到“臨界凍脹含水量”時，土顆粒與基礎(chǔ)間匯集大量自由水，并逐漸產(chǎn)生凍結(jié)力，土體凍脹后，切向凍脹力產(chǎn)生。土體凍結(jié)速度對切向凍脹力有較大影響，一般凍結(jié)鋒面下移越快，切向凍脹力越大?；A(chǔ)側(cè)面的粗糙程度也會影響切向凍脹力，基礎(chǔ)表面越光滑，切向凍脹力越小，表面越粗糙，由于凍結(jié)力的咬合作用，導(dǎo)致切向力變大。

1.3 法向凍脹力

法向凍脹力的產(chǎn)生同樣滯后于土體的凍脹，在土體凍結(jié)至基礎(chǔ)底面時，法向凍脹力產(chǎn)生，且隨著凍結(jié)土層厚度的增加呈先增加后減小的趨勢，原因主要是由于凍結(jié)初期，水分遷移至基礎(chǔ)下臥層冰晶逐漸增加，法向凍脹力之間增加，隨著凍結(jié)線下移，冰晶產(chǎn)生的凍脹效應(yīng)小于凍土的流變性帶來的松弛效應(yīng)，法向凍脹力逐漸減小。土顆粒成分對法向凍脹力有一定影響，通常土體產(chǎn)生法向凍脹力從大到小的土顆粒劃分為粉土、亞砂土、亞粘土、粘土、細砂、粗砂。土體凍脹性、凍土厚度、基礎(chǔ)約束度等都會對法向凍脹力帶來影響。

2 凍脹的防治措施

凍脹的產(chǎn)生主要與水分、溫度和土質(zhì)相關(guān)，通過控制這三方面因素，可有效控制凍脹對基礎(chǔ)的影響。

水分是產(chǎn)生凍脹的主要媒介，控制基礎(chǔ)附近的水分含量，可有效減少冰晶的產(chǎn)生，從而削弱凍脹力，通?？刹捎媒档偷叵滤?、設(shè)置排水溝等方法。置換一般指使用物理力學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定或者采用復(fù)合材料置換天然凍土地基中部分軟弱土層，形成基礎(chǔ)下墊層，從而達到提高地基承載力的作用，最終減少土體的凍脹融沉作用。凍土區(qū)置換材料一般可選擇砂石墊層等保水性較差、透水性較強的材料。通過這振密或擠密的方法使土體密實，消除土體部分液化、濕陷等作用，從而提高地基承載能力。較常見的密實法包括強夯法，振沖法等。強夯法是有效消除地基凍脹性的方法之一，一般強夯將凍層內(nèi)地基土干密度壓實至1.7g/cm3。物理化學(xué)法指利用陽離子及鹽分對凍脹的影響，改變土顆粒與水分的相互作用，使得土體水分遷移強度及冰點得到改變，最終可消除凍脹。化學(xué)電滲法是指采用陰陽電極附近分別注入鈉離子、鈣離子溶液，在電場作用下，土顆粒離子及注入試液之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加速土體固結(jié)速度。樁基礎(chǔ)是常見的深基礎(chǔ)形式，結(jié)構(gòu)形式主要由樁、承臺連接上部結(jié)構(gòu)，樁基作用是將上部荷載傳至地下較深土層，以滿足承載力要求。對于季節(jié)凍土區(qū)，樁基應(yīng)主要考慮法相凍脹力和切向凍脹力作用，防止凍脹力對基礎(chǔ)造成破壞或引起較大變形，因此，設(shè)計樁基時應(yīng)著重考慮法相和切向凍脹作用。在季節(jié)凍土地區(qū)，保溫隔熱是指在建筑物四周或底部設(shè)置隔熱層，一方面增大了熱阻，減少了熱量交換，另一方面推遲了地基土的凍結(jié)時間，提高了土中溫度，進而減少了土體的凍脹作用。在多年凍土地區(qū)，建筑物破壞多以融沉破壞為主，因此除了考慮常規(guī)的地基變形外，應(yīng)主要考慮與溫度相關(guān)的熱源問題，設(shè)計施工原則為減小地溫變化。保護多年凍土原則在于建筑物（構(gòu)筑物）建設(shè)或使用過程中，使得地基處于永凍狀態(tài)，融化原則是指在建筑物（構(gòu)筑物）建設(shè)或使用過程中，凍土融化到設(shè)計深度。

3 結(jié)語

電網(wǎng)建設(shè)逐漸擴展至我國西部地區(qū)，伴隨而來的西部地區(qū)季節(jié)凍土的凍脹現(xiàn)象危害著電網(wǎng)建設(shè)的安全性。本文分析了凍脹對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，提出凍脹的防治措施及建議。

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作者簡介：陰琪翔（1988-），男，山東棗莊人，工程師，主要從事：變電站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究工作。