凍土工程特性及變電站建構(gòu)筑物防凍措施分析

劉 洪，李 堯，楊 俊，夏珊珊，任光明，韓根偉

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610094；2.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610072；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

1 引言

凍土分為季節(jié)性凍土和多年凍土，根據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50324-2014）中規(guī)定：季節(jié)性凍土是指地表層冬季凍結(jié)而夏季又全部融化的土體。多年凍土是指持續(xù)凍結(jié)時(shí)間在2 年或2 年以上的土體。多年凍土主要分布在我國(guó)青藏高原、西北及東北地區(qū)，季節(jié)性凍土主要分布在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)［1］。

隨著西部水電站的不斷開發(fā)，不同電壓等級(jí)的變電站不斷深入青藏高原腹地，大量的輸電線路需要穿越高寒地帶，包括川藏聯(lián)網(wǎng)工程、藏中聯(lián)網(wǎng)工程、阿里聯(lián)網(wǎng)工程等［2］。由于青藏高原區(qū)緯度低，海拔高，日照強(qiáng)烈，且該區(qū)多年凍土具有厚度薄、地溫高、隨氣溫變化反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，容易引發(fā)工程病害問題。同時(shí)，凍土的自然分布及發(fā)生發(fā)展規(guī)律也會(huì)隨之人類的工程建設(shè)活動(dòng)改變，而全球變暖也是自然氣候變化的趨勢(shì)。因此，全球變暖與人類工程活動(dòng)又加劇了凍土和工程之間的相互作用。而高寒地區(qū)的電力工程中，絕大多數(shù)變電站建設(shè)會(huì)受凍土的影響，同時(shí)建設(shè)過(guò)程中也會(huì)對(duì)凍土的分布與發(fā)展產(chǎn)生影響。

圖1 青藏高原凍土分布圖

凍土對(duì)于變電站內(nèi)的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)一般存在以下危害：（1）凍脹對(duì)建構(gòu)筑物基礎(chǔ)造成破壞；（2）凍脹對(duì)建筑物墻體破壞；（3）凍融循環(huán)可使防水層破裂，排水口堵塞；（4）凍脹使道路結(jié)構(gòu)斷裂，面層裂縫變形，滲水更加劇了凍融循環(huán)［3-4］。

因此，研究高寒凍土地的工程特性，并分析凍土對(duì)變電站建構(gòu)筑物的影響，對(duì)于目前青藏高原地區(qū)的輸變電站工程建設(shè)，具有重要的工程意義。

2 凍土的工程特性

2.1 凍土的力學(xué)特性

凍土中冰的存在，是凍土與其他類型土的主要區(qū)別。凍土的力學(xué)特性主要取決于其中冰的物理力學(xué)性質(zhì)。

通過(guò)整理西藏某工程相關(guān)凍土強(qiáng)度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)［5-6］，得出凍結(jié)粘土與凍結(jié)砂土的強(qiáng)度特征如表1 所示。

表1 凍結(jié)粘土和凍結(jié)砂土的強(qiáng)度特征

可以看出土在凍結(jié)狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度，一般都比它在融化狀態(tài)下大得多，土溫越低，抗壓強(qiáng)度也越大。并且同一溫度下，砂性土的抗壓強(qiáng)度明顯大于粘性土的抗壓強(qiáng)度，也可以說(shuō)明土顆粒增大，凍土強(qiáng)度也在提高。

通過(guò)整理不同含水率的粘性土在常溫及低溫環(huán)境下的試驗(yàn)［7-8］，得出粘聚力及內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系圖如圖2、圖3 所示。

圖2 含水率與粘聚力的關(guān)系曲線

由圖2 可知，低溫環(huán)境下的粘聚力隨著含水率增加而逐漸增大，常溫環(huán)境下粘聚力隨著含水率增加，有略微減小。因此，低溫環(huán)境下含水率對(duì)粘聚力影響明顯強(qiáng)于常溫環(huán)境含水率對(duì)粘聚力的影響，且同一含水率下，常溫環(huán)境的粘聚力明顯小于低溫環(huán)境下粘聚力。

圖3 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

由圖3 可知，常溫環(huán)境及低溫環(huán)境下，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加并無(wú)明顯的增減。但同一含水率下，低溫環(huán)境的內(nèi)摩擦角大于常溫環(huán)境下粘土的內(nèi)摩擦角。

圖4 含水率與強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖4 可知，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，含水率增大，抗壓強(qiáng)度略微增大，當(dāng)溫度為-10℃及-18℃時(shí)，含水率增大，抗壓強(qiáng)度增大較明顯。因此，隨著含水率的增加，粘土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并且溫度越低，增加幅度越明顯。

2.2 凍土地基的地基承載力評(píng)價(jià)

凍土承裁力的確定，目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法?，F(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多為開敞方法，或直接測(cè)定凍土試塊的強(qiáng)度。根據(jù)馬巍、吳紫汪［9-11］等人在凍土區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，確定凍土地基承載力。

由表2 可見，組成凍土的顆粒成分愈粗，凍土強(qiáng)度愈大。在相同含水量狀態(tài)下，礫石土、礫砂、細(xì)砂和粘性土，它們的長(zhǎng)期強(qiáng)度值之比為2.0：1.6：1.3：1.0。

表2 幾種典型土現(xiàn)場(chǎng)比例極限實(shí)測(cè)值

對(duì)于松散土，一般認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的比例極限即為允許承載力，Po ＝[R]。由于目前對(duì)凍土承裁力的現(xiàn)場(chǎng)確定尚缺乏經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐也不多，考慮到安全和其它偶然因素，多將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值分別給予折減。其中礫石土、砂土乘以0.8、粘性土乘以0.7、含土冰層乘以0.5 的折減系數(shù)［12-13］。表3為給定的凍土長(zhǎng)期允許承載力。

表3 凍土長(zhǎng)期允許承載力 kPa

表3 中凍土承載力的取值與《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）對(duì)凍土承載力設(shè)計(jì)取值基本一致，可作為評(píng)價(jià)取值的依據(jù)。

3 建構(gòu)筑物基礎(chǔ)抗凍防治措施

凍脹的產(chǎn)生需三個(gè)因素，分別是土質(zhì)、溫度和水。因此，為防止凍脹破壞作用的產(chǎn)生，只要消除這3 個(gè)因素中的一個(gè)，就能達(dá)到防治的目的［14］。

3.1 不同建構(gòu)筑物基礎(chǔ)防凍措施

（1）對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)：主控通信樓及繼電器室內(nèi)布置的電氣設(shè)備對(duì)沉降要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)首先須保證基礎(chǔ)最小埋置深度，以消除或盡量減少基礎(chǔ)底面的法向凍脹力。

主控通信樓及繼電器室基礎(chǔ)埋深保證基礎(chǔ)最小埋置深度后，如選擇粘土做持力層，則將基礎(chǔ)下鋪一定厚度的粗砂墊層。獨(dú)立基礎(chǔ)之間設(shè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁，基礎(chǔ)梁下留不小于該土層凍脹量的空隙，防止冬季土體凍脹時(shí)體積膨脹將連梁拱裂，即可解決凍脹問題，又增加結(jié)構(gòu)的整體性。為最大限度的減小基礎(chǔ)兩側(cè)的切向凍脹力，將凍土層范圍內(nèi)基礎(chǔ)和連梁外側(cè)填一定厚度的中粗砂或爐渣，使凍脹力遠(yuǎn)離基礎(chǔ)。考慮到凍融環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，對(duì)于混凝土基礎(chǔ)露出地面的部分及在凍土層的部分應(yīng)涂刷防凍材料。

（2）對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)：由于砌體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)?？棺冃文芰Σ睿饕诨A(chǔ)埋深和填料上考慮防凍脹措施，從而減小法向和切向凍脹力?；A(chǔ)埋深盡可能在標(biāo)準(zhǔn)凍深下.或用中粗砂處理至標(biāo)準(zhǔn)凍深，這樣可有效地消除基底的法向凍脹力。對(duì)于基礎(chǔ)及墻體內(nèi)、外側(cè)和室內(nèi)地面下，填一定厚度的粗砂或礦渣，使墻體外圍、基礎(chǔ)底、墻體內(nèi)側(cè)至地面下的砂層連成整體?？墒够A(chǔ)周圍可凍融的土壤遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)，從而減小法向和切向凍脹力。

（3）對(duì)于構(gòu)支架基礎(chǔ)。構(gòu)架基礎(chǔ)埋深一般都在2.5 m 左右，支架基礎(chǔ)埋深一般在1.5m 左右。對(duì)于構(gòu)架基礎(chǔ)，一般地區(qū)可以滿足凍結(jié)深度要求。而對(duì)于支架基礎(chǔ)，需根據(jù)凍土深度具體設(shè)計(jì)。當(dāng)凍土深度較淺時(shí)，如1.0m～2.0m，可按最大凍土深度確定基礎(chǔ)埋深；當(dāng)最大凍結(jié)深度較大時(shí)，如2.5m，直接加深基礎(chǔ)會(huì)明顯增加工程造價(jià)。此時(shí)可采用換填的辦法，設(shè)備基礎(chǔ)按設(shè)計(jì)埋深，基礎(chǔ)以下部分采用換填材料來(lái)消除凍土的凍脹性。也可以采用加厚混凝土墊層，因?yàn)閴|層造價(jià)一般約為混凝土基礎(chǔ)的40%，因此，采用墊層也可以節(jié)約工程造價(jià)。

3.2 防凍工程措施

3.2.1 設(shè)置砂礫墊層

由于換土墊層是用低壓縮性材料代替部分凍脹土，故可減少凍脹力，而且砂礫層易于夯實(shí)、排水，有較好的密實(shí)性，它在一般正常工作條件下，有足夠的穩(wěn)定性，設(shè)置砂墊層，可起到以下作用［3］。（1）隔離層作用。當(dāng)?shù)叵滤ㄟ^(guò)地基上升到砂墊層時(shí)，因砂墊層孔隙較大，形成的毛細(xì)管少，就控制了地下水的上升數(shù)量。（2）減少凍脹地基土的厚度，從而減輕凍脹土的凍脹力［3］。（3）基礎(chǔ)土產(chǎn)生不均勻凍脹時(shí)，可通過(guò)砂礫墊層將不均勻的凍脹力重新分配，均勻地傳給建筑物基礎(chǔ)，減輕破壞。（4）減小墊層天然土層的壓力，通過(guò)墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，減少墊層下天然土層所受附加應(yīng)力，因而減小了基礎(chǔ)的沉降量。

圖5 基礎(chǔ)換填措施示意圖

3.2.2 采用獨(dú)立基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)

由于獨(dú)立基礎(chǔ)荷重較大有利于減小基礎(chǔ)的凍脹變形，且獨(dú)立基礎(chǔ)與土的接觸面積比其他類型基礎(chǔ)較小，對(duì)消除凍切力也較為有利。而樁基礎(chǔ)伸入地表深部，可有效減輕凍脹破壞。因此，在凍土深，凍脹性強(qiáng)地區(qū)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)和樁基防凍害效果較好。

3.2.3 減少基礎(chǔ)外側(cè)凍切力

建構(gòu)筑基礎(chǔ)除滿足最小埋深外，還需考慮凍脹時(shí)的凍切力對(duì)基礎(chǔ)側(cè)面的作用。可在基礎(chǔ)外側(cè)回填非凍脹性材料，如粗砂、中砂、礫石、碎磚、火山灰和爐渣等。對(duì)于變電站內(nèi)的建構(gòu)筑物，可采用的措施有［15］：

（1）當(dāng)基底下為凍脹性土壤時(shí)，在基底做一定厚度的砂墊層，增強(qiáng)地基強(qiáng)度，減弱地基土的融沉變形，也減弱了基底法向凍脹力的作用。

（2）基礎(chǔ)兩側(cè)回填一定厚度的砂礫石或爐渣，以減小基礎(chǔ)兩側(cè)土壤凍脹力。

（3）基礎(chǔ)梁下填以爐渣等非凍脹性松散材料，并且要留不小于5cm的空隙，防止凍脹對(duì)基礎(chǔ)梁的作用。

（4）基礎(chǔ)埋深應(yīng)在地下水位以上。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，在總圖豎向設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)局部抬高建筑室內(nèi)和周圍2m以上范圍的標(biāo)高。同時(shí),做好站區(qū)排水。

圖6 保溫基礎(chǔ)示意圖

同時(shí)，對(duì)多凍土基礎(chǔ)應(yīng)該優(yōu)先選有對(duì)凍土擾動(dòng)小的樁基礎(chǔ)，持力層良好可采取措施保持凍土承載力開挖類基礎(chǔ)。按照保持凍結(jié)狀態(tài)設(shè)計(jì)的等級(jí)，可采用熱棒、熱樁復(fù)制保持多年凍土地基的凍結(jié)狀態(tài)。為了減少切向凍脹力的影響，凍土地區(qū)基礎(chǔ)可采用玻璃鋼模板、基礎(chǔ)表面涂刷憎水材料等防凍脹措施。

4 結(jié)論

通多對(duì)凍土的工程特性研究，分析了凍土對(duì)變電建構(gòu)筑物的危害，并提出變電站建構(gòu)筑物基礎(chǔ)抗凍防治措施。主要結(jié)論如下。

（1）與內(nèi)摩擦角相比，土壤粘聚力對(duì)于溫度變化更敏感。低溫環(huán)境下粘聚力明顯高于常溫環(huán)境下粘聚力。并且在低溫環(huán)境下，含水率對(duì)于粘聚力的影響也很明顯，但含水率對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響與溫度變化無(wú)明顯關(guān)系。

（2）隨著含水率的增加，粘性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，并且溫度越低，增加幅度越明顯。

（3）針對(duì)凍土對(duì)變電站建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的影響，提出了設(shè)置砂礫墊層、選擇獨(dú)立式基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)、減少基礎(chǔ)外側(cè)凍切力等三種工程措施。