變電站基礎(chǔ)凍脹作用機(jī)理及防治措施

桑偉

前言

凍土是指溫度在0℃及以下，含有冰的各種土壤和巖石。在我國(guó)青藏高原、西北高山和東北北部的大、小興安嶺及松嫩平原等地區(qū)分布著大片的多年凍土，而賀蘭山至哀牢山一線以西的廣大地區(qū)，以及此線以東，秦嶺-淮河線以北地區(qū)是季節(jié)凍土區(qū)[1]。凍脹，尤其差異性凍脹是造成工程建筑變形以致破壞的主要原因，變電站建設(shè)在這些地區(qū)時(shí)，必須考慮凍土的凍脹危害。凍脹作用對(duì)工程的危害：凍脹使基礎(chǔ)整體抬高或者局部抬高，凍切力對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生側(cè)向推力，使基礎(chǔ)側(cè)向位移，危及建筑物內(nèi)設(shè)備及線路的安全使用[2]。

因此，變電站建在凍土地區(qū)時(shí)，就必須對(duì)凍脹作用及其與工程建筑物相互作用的關(guān)系有一定的了解，并采取必要的防治措施，以確保凍土地基上工程建筑物的穩(wěn)定性、耐久性及經(jīng)濟(jì)合理性。

1　凍脹作用及其影響因素

1.1　凍脹作用

當(dāng)溫度降至0℃及以下，土體孔隙中的部分水會(huì)結(jié)冰，從而使土體體積膨脹，另外，在水勢(shì)梯度作用下，未結(jié)冰處的水回鄉(xiāng)向凍結(jié)區(qū)流動(dòng)、聚集，并凍結(jié)膨脹[3]，這種現(xiàn)象就叫做土的凍脹。而地基土各處的水文及凍結(jié)條件各不相同，從而導(dǎo)致土的凍脹作用的差異性，會(huì)對(duì)建構(gòu)筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻凍脹變形，影響其正常使用，甚至破壞[4]。

1.2　凍脹作用機(jī)理

土孔隙中的水會(huì)向已凍結(jié)土處不斷流動(dòng)、聚集，這種水的流動(dòng)會(huì)加速土的凍結(jié)，使凍土區(qū)逐漸增大，而水結(jié)冰后體積會(huì)增大，從而產(chǎn)生凍脹作用。土中的重力水的凝固點(diǎn)為0℃，而毛細(xì)水則低于0℃，結(jié)合水受到的引力越大其凝固點(diǎn)反而減?。浩渲腥踅Y(jié)合水的外層的凝固點(diǎn)為-0.5℃，而弱結(jié)合水的內(nèi)層（靠近土表面）的凝固點(diǎn)為-20～-30℃，另外，有些強(qiáng)結(jié)合水的凝固點(diǎn)甚至低于-78℃。當(dāng)大氣溫度降至0℃以下時(shí)，在土中最先凍結(jié)的水是重力水，然后是毛細(xì)水，如果溫度繼續(xù)降低，則部分弱結(jié)合水的最外層也會(huì)逐漸凝固、凍結(jié)，使凍結(jié)區(qū)域越來越大。從而使得凍結(jié)區(qū)周圍土粒的結(jié)合水膜變薄，導(dǎo)致剩余的土粒分子引力產(chǎn)生；另外，弱結(jié)合水的凍結(jié)，會(huì)增加水膜中的離子濃度，從而產(chǎn)生滲附壓力。在這兩種力共同作用下，附近未凍結(jié)區(qū)的結(jié)合水逐漸被吸引到凍結(jié)區(qū)，從而會(huì)繼續(xù)凝固、凍結(jié)，使冰晶體增大，而這兩種不平衡力還會(huì)繼續(xù)作用，土孔隙中的水會(huì)繼續(xù)從未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移，使冰晶體繼續(xù)增大，形成冰夾層，土?xí)眲∨蛎洠敝了吹难a(bǔ)給斷絕后才停止。值得一提的是，距離地表越深，土體的內(nèi)部溫度反而會(huì)提高，從而不會(huì)形成凍脹作用，因此凍脹左右發(fā)生在地表附近的土體之中。

1.3　凍脹影響因素

（1）土的因素

土壤的類別對(duì)凍脹作用影響較大。相比于粗粒土，細(xì)粒土中的凍脹現(xiàn)象更頻繁、更顯著，特別是粉砂、粉質(zhì)粘土以及粉土，主要原因是在這類土中，會(huì)產(chǎn)生較顯著的毛細(xì)現(xiàn)象，毛細(xì)現(xiàn)象會(huì)使水不斷地從附近未凍結(jié)區(qū)向凍結(jié)區(qū)遷移，從而具有較通暢的水源補(bǔ)給通道。

（2）水的因素

地下水位的高低也是重要的影響因素。凍脹作用產(chǎn)生的主要原因是土孔隙中的水的遷移和集聚，因此，當(dāng)?shù)叵滤惠^高，毛細(xì)水上升高度能夠達(dá)到溫度0℃及以下處，外部水源能夠充分補(bǔ)給時(shí)，將會(huì)發(fā)生較強(qiáng)烈的凍脹現(xiàn)象[5]。

（3）溫度因素

持續(xù)時(shí)間和氣溫對(duì)土壤的凍結(jié)深度具有重大影響，在一定條件下，降溫速度較慢，延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，凍結(jié)深度就會(huì)較大，地面開裂乃至凸起就會(huì)較嚴(yán)重。

因此，我們可以根據(jù)影響凍脹作用的因素：土的類別、地下水位的高低以及溫度，采取相應(yīng)的防治凍脹的措施，以防止凍害的影響。

2　變電站基礎(chǔ)防治凍脹措施

綜上所述，可從減少凍脹作用形成（地基換填和改良、基礎(chǔ)防水和防滲、基礎(chǔ)的保溫等方面）和提高基礎(chǔ)抵抗凍脹變形能力兩方面來減小變電站基礎(chǔ)的凍脹危害。

2.1　注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮變電站站址的土壤性質(zhì)、地下水位的高低以及變電站的平面布置；合理選擇基礎(chǔ)的埋置深度，避免太深造成浪費(fèi)和淺埋凍脹的危害。宜避免將站址選在粉砂、粉質(zhì)粘土以及粉土等地基之上，如果沒有其它選擇，可以將該地基土進(jìn)行改良乃至換填；宜避免將站址選在地下水位較高處，減少凍脹作用的水源補(bǔ)給；變電站的平面布置應(yīng)結(jié)合地基土承載力，盡量?jī)?yōu)化。

在施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)說明、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明及相應(yīng)圖紙的防止凍脹措施的要求，按圖施工。如果是毛石基礎(chǔ)砌筑，其外側(cè)應(yīng)充分整平、密實(shí)度達(dá)到要求，砂漿飽滿，基槽內(nèi)嚴(yán)禁亂拋石子與廢棄物；如果基礎(chǔ)外側(cè)有防凍要求時(shí)，應(yīng)回填松散材料，例如砂、石等，并應(yīng)保持松散材料的干燥干凈；回填土不得含有凍土，并且土顆粒的粒徑必須小于50mm，確保密實(shí)度達(dá)到相關(guān)要求，嚴(yán)禁用水沖回填土。

2.2　凍土防治措施

（1）地基換填法。如果變電站站址選在粉砂、粉質(zhì)粘土以及粉土等地基之上，并且沒有其它選擇時(shí)，可采用地基換填法?？梢杂昧奖容^大的、透水性強(qiáng)的材料，例如細(xì)砂、中砂或粗砂等，來置換天然含水率大的粉砂、粉質(zhì)粘土以及粉土等，以減小地基土的毛細(xì)作用，減少凍脹作用的水源補(bǔ)給，從而減小凍結(jié)力。應(yīng)根據(jù)不同的工況，選擇相應(yīng)的換填土。當(dāng)變電站站址地基土地下水位較高且為強(qiáng)凍脹土?xí)r，應(yīng)換填卵石或碎石，此法不受地下水位以及含水率的限制，能明顯地減小凍脹作用，地基換填深度為最大凍結(jié)深度。

（2）泡沫層保溫法。此法是降低外界寒冷氣溫對(duì)地基土的影響，采用在硬質(zhì)泡沫放置在變電站基礎(chǔ)周圍，增加硬質(zhì)泡沫下地基土的溫度，進(jìn)而減小地基土凍脹作用。需要注意的是，泡沫層保溫法有一個(gè)弊端，就是當(dāng)泡沫浸水飽和后，其保溫隔熱的功能將大大削弱，嚴(yán)重影響其正常使用，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)多加注意。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化法。該方法是對(duì)變電站建構(gòu)筑物本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高其抗凍脹能力。正確選擇基礎(chǔ)型式和尺寸，做到既增加承載力，又保證抗?jié)B防凍性能良好?？蓮娜矫孢M(jìn)行結(jié)構(gòu)加固：①增加基礎(chǔ)本身的強(qiáng)度和剛度，增加配筋率或使用聯(lián)合基礎(chǔ)等，以應(yīng)對(duì)不均勻凍脹作用產(chǎn)生的地基不均勻變形；②允許基礎(chǔ)有一定限度的變形，以適應(yīng)地基土的相應(yīng)凍脹；③提高基礎(chǔ)的錨固力，減少地基土間的凍結(jié)力，以保證基礎(chǔ)整體穩(wěn)定。

（4）降低基底深度法?！秲鐾恋貐^(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ118-2011）規(guī)定，對(duì)強(qiáng)凍脹性土、特強(qiáng)凍脹性土，基礎(chǔ)的埋置深度宜大于設(shè)計(jì)凍深0.25m。

3　結(jié)論

本文針對(duì)凍土地區(qū)變電站基礎(chǔ)防治措施，介紹了凍土的危害，分析了凍脹作用及其影響因素，并根據(jù)凍脹作用的形成機(jī)理，提出了四種可行的防治凍土的措施，以供借鑒：

（1）地基換基法；

（2）泡沫層保溫法；

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化法；

（4）降低基底深度法。

[1]扈長(zhǎng)龍，馬玉龍.淺談季凍區(qū)凍脹成因及防治[J].黑龍江科技信息，2010（18）：258.

[2]張俠.凍融循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的水分重分布、變形和密度影響試驗(yàn)研究[D].蘭州理工大學(xué)，2010.

[3]程愛君，葉陽(yáng)升.多年凍土地區(qū)路基凍害分析及防治措施[J].鐵道建筑，2006（7）：60～61.

[4]蔡松昆.寒冷地區(qū)路基凍害整治[J].科技成果縱橫，2006（3）：92.

[5]齊吉琳，馬 巍，等.凍土的力學(xué)性質(zhì)及研究現(xiàn)狀[J].巖土力學(xué)，2010，31（1）：133～143.