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，變電站建設在這些地區(qū)時，必須考慮凍土的凍脹危害。凍脹作用對工程的危害：凍脹使基礎整體抬高或者局部抬高，凍切力對基礎產生側向推力，使基礎側向位移，危及建筑物內設備及線路的安全使用[2]。

因此，變電站建在凍土地區(qū)時，就必須對凍脹作用及其與工程建筑物相互作用的關系有一定的了解，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、耐久性及經濟合理性。

1　凍脹作用及其影響因素

1.1　凍脹作用

當溫度降至0℃及以下，土體孔隙中的部分水會結冰，從而使土體體積膨脹，另外，在水勢梯度作用下，未結冰處的水回鄉(xiāng)向凍結區(qū)流動、聚集，并凍結膨脹[3]，這種現象就叫做土的凍脹。而地基土各處的水文及凍結條件各不相同，從而導致土的凍脹作用的差異性，會對建構筑物的基礎產生不均勻凍脹變形，影響其正常使用，甚至破壞[4]。

1.2　凍脹作用機理

土孔隙中的水會向已凍結土處不斷流動、聚集，這種水的流動會加速土的凍結，使凍土區(qū)逐漸增大，而水結冰后體積會增大，從而產生凍脹作用。土中的重力水的凝固點為0℃，而毛細水則低于0℃，結合水受到的引力越大其凝固點反而減?。浩渲腥踅Y合水的外層的凝固點為-0.5℃，而弱結合水的內層（靠近土表面）的凝固點為-20～-30℃，另外，有些強結合水的凝固點甚至低于-78℃。當大氣溫度降至0℃以下時，在土中最先凍結的水是重力水，然后是毛細水，如果溫度繼續(xù)降低，則部分弱結合水的最外層也會逐漸凝固、凍結，使凍結區(qū)域越來越大。從而使得凍結區(qū)周圍土粒的結合水膜變薄，導致剩余的土粒分子引力產生；另外，弱結合水的凍結，會增加水膜中的離子濃度，從而產生滲附壓力。在這兩種力共同作用下，附近未凍結區(qū)的結合水逐漸被吸引到凍結區(qū)，從而會繼續(xù)凝固、凍結，使冰晶體增大，而這兩種不平衡力還會繼續(xù)作用，土孔隙中的水會繼續(xù)從未凍結區(qū)向凍結區(qū)遷移，使冰晶體繼續(xù)增大，形成冰夾層，土會急劇膨脹，直至水源的補給斷絕后才停止。值得一提的是，距離地表越深，土體的內部溫度反而會提高，從而不會形成凍脹作用，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

土壤的類別對凍脹作用影響較大。相比于粗粒土，細粒土中的凍脹現象更頻繁、更顯著，特別是粉砂、粉質粘土以及粉土，主要原因是在這類土中，會產生較顯著的毛細現象，毛細現象會使水不斷地從附近未凍結區(qū)向凍結區(qū)遷移，從而具有較通暢的水源補給通道。

（2）水的因素

地下水位的高低也是重要的影響因素。凍脹作用產生的主要原因是土孔隙中的水的遷移和集聚，因此，當地下水位較高，毛細水上升高度能夠達到溫度0℃及以下處，外部水源能夠充分補給時，將會發(fā)生較強烈的凍脹現象[5]。

（3）溫度因素

持續(xù)時間和氣溫對土壤的凍結深度具有重大影響，在一定條件下，降溫速度較慢，延續(xù)時間較長，凍結深度就會較大，地面開裂乃至凸起就會較嚴重。

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

2　變電站基礎防治凍脹措施

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

2.1　注意事項

在設計時，要充分考慮變電站站址的土壤性質、地下水位的高低以及變電站的平面布置；合理選擇基礎的埋置深度，避免太深造成浪費和淺埋凍脹的危害。宜避免將站址選在粉砂、粉質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給；變電站的平面布置應結合地基土承載力，盡量優(yōu)化。

在施工時，應嚴格按照建筑設計說明、結構設計說明及相應圖紙的防止凍脹措施的要求，按圖施工。如果是毛石基礎砌筑，其外側應充分整平、密實度達到要求，砂漿飽滿，基槽內嚴禁亂拋石子與廢棄物；如果基礎外側有防凍要求時，應回填松散材料，例如砂、石等，并應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，確保密實度達到相關要求，嚴禁用水沖回填土。

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、粉質粘土以及粉土等地基之上，并且沒有其它選擇時，可采用地基換填法?？梢杂昧奖容^大的、透水性強的材料，例如細砂、中砂或粗砂等，來置換天然含水率大的粉砂、粉質粘土以及粉土等，以減小地基土的毛細作用，減少凍脹作用的水源補給，從而減小凍結力。應根據不同的工況，選擇相應的換填土。當變電站站址地基土地下水位較高且為強凍脹土時，應換填卵石或碎石，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深度。

（2）泡沫層保溫法。此法是降低外界寒冷氣溫對地基土的影響，采用在硬質泡沫放置在變電站基礎周圍，增加硬質泡沫下地基土的溫度，進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弊端，就是當泡沫浸水飽和后，其保溫隔熱的功能將大大削弱，嚴重影響其正常使用，因此在實際應用中應多加注意。

（3）結構優(yōu)化法。該方法是對變電站建構筑物本身的結構進行優(yōu)化，提高其抗凍脹能力。正確選擇基礎型式和尺寸，做到既增加承載力，又保證抗?jié)B防凍性能良好。可從三方面進行結構加固：①增加基礎本身的強度和剛度，增加配筋率或使用聯(lián)合基礎等，以應對不均勻凍脹作用產生的地基不均勻變形；②允許基礎有一定限度的變形，以適應地基土的相應凍脹；③提高基礎的錨固力，減少地基土間的凍結力，以保證基礎整體穩(wěn)定。

（4）降低基底深度法?！秲鐾恋貐^(qū)建筑地基基礎設計規(guī)范》（JGJ118-2011）規(guī)定，對強凍脹性土、特強凍脹性土，基礎的埋置深度宜大于設計凍深0.25m。

3　結論

本文針對凍土地區(qū)變電站基礎防治措施，介紹了凍土的危害，分析了凍脹作用及其影響因素，并根據凍脹作用的形成機理，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）結構優(yōu)化法；

（4）降低基底深度法。

[1]扈長龍，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)對壓實黃土的水分重分布、變形和密度影響試驗研究[D].蘭州理工大學，2010.

[3]程愛君，葉陽升.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.凍土的力學性質及研究現狀[J].巖土力學，2010，31（1）：133～143.