季節性凍土地區的輸電桿塔基礎設計

王向東，郭青梅，吳曉鋒

（河北省電力勘測設計研究院，石家莊市，050031）

0 引言

在季節性凍土地區的地基，1個年度周期內經歷著未凍土和凍結土的2種狀態，由于未凍土的力學特征指標遠較凍結土的低，所以季節性凍結層在夏季未凍結狀態時是地基計算的最不利狀態。在冬季，地基土中水的相變膨脹，對基礎的穩定性不利，必須加以考慮。因此，季節性凍土地區的地基與基礎的設計，首先應滿足GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規范》[1]等非凍土地基中有關規范的規定，即保證在長期荷載作用下地基變形在上部承重結構的允許范圍之內，在最不利荷載作用下地基不出現失穩。在符合上述2個前提下，對于對基礎有危害的凍脹性地基土，還應根據相關規范規定計算凍脹力的大小和對輸電線路桿塔基礎的危害程度，或考慮采用防凍害的安全技術措施[1-11]。

1 基礎凍脹性分析

1.1 地基土凍深的影響因素

影響凍深的因素很多，最主要的是氣溫，除此之外尚有季節性凍結層附近的地質條件、水分狀況以及地貌特征等。在上述諸因素中，只有氣溫屬地理性指標，其他因素在平面分布上是彼此獨立的，帶有隨機性，各自的變化無規律，有些地方的變化還是相當大的。GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規范》附錄F“中國季節性凍土標準凍深線圖”應該理解為在標準條件下取得的，該標準條件即為標準凍深：地下水位與凍結鋒面之間的距離大于2 m，非凍脹土粘性土，地表平坦、裸露，在城市之外的空曠場地中多年實測（不少于10年）最大凍深的平均值。標準凍深一般不用于地基基礎設計中，凍深的影響系數包括土質系數、濕度系數、環境系數和地形系數等。

土質對凍深的影響是眾所周知的，因巖性不同其熱物理參數也不同，粗顆粒土的導熱系數比細顆粒土的大。因此，當其他條件相同時，粗顆粒土比細顆粒土的凍深大，砂類土的凍深比粘性土的大。

土的含水量和地下水位對凍深也有明顯的影響，河北省電力勘測設計研究院在東北地區做了不少試驗研究工作，將土中水位與地下水位都用土的凍脹性表示。地基土若是非凍脹性的，則其凍融對基礎既不產生凍脹力的作用，也不產生附加的融沉變形，即對基礎毫無影響。對于凍脹性土，則在凍結時要出現凍結膨脹的體積變化，即產生凍脹量，并伴隨產生凍脹力的作用；土的凍脹性越強，其凍脹量和凍脹力越大，當凍脹力超過基礎能夠承受的極限時就出現基礎上拔破壞，這種破壞在我國寒冷的北方地區輸電線路中比較常見，其損害巨大。

1.2 凍脹分類

根據DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎設計技術規定》[2]，土的凍脹類型共分為不凍脹、凍脹、強凍脹和特強凍脹四種。

1.3 凍脹力的確定

對于輸電鐵塔來說，凍脹性土鐵塔基礎底面應放置在設計凍深之下，但其埋置深度必須進行凍脹力作用下基礎的抗凍拔穩定驗算，即使基礎的埋置深度超過凍層，仍應對切向凍脹力進行驗算。標準凍結深度切向凍脹力極限設計值可按DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎設計技術規定》確定，同時注意此值用于鉆孔灌注樁基礎時乘以1.25的表面粗糙修正系數，用于模板定型澆制基礎時乘以0.9表面平滑修正系數。

2 凍土地區的基礎設計

2.1 設計原則

（1）凍土地區輸電線路基礎設計的關鍵是掌握凍土的性狀，設計時，首先要詳細了解凍土的地質結構，探明地基標準凍結深度。按DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎設計技術規定》要求，劃分地基土凍脹類別，然后根據不同的地質結構采取相應的消減凍脹力措施，并進行基礎極限抗凍拔穩定驗算。

（2）基礎極限抗凍拔穩定驗算，當無資料可查時，按正常最大設計風荷載的60%帶入，或根據工程設計經驗確定。

（3）基礎的埋置深度應該大于地基土的標準凍結深度。

（4）在季節性凍土地區除考慮常規設計外，還應驗算在凍脹力作用下基礎的穩定性，若不滿足要求，則改變基礎形式或采取相應的防凍害措施[3]。

2.2 驗算基礎極限抗凍拔穩定

對于普通輸電線路鐵塔直柱基礎和樁基礎，按規范要求計算鐵塔基礎的上拔和下壓后，需進行基礎的極限抗凍拔穩定驗算。對于受拉基礎，取冬季最大設計風荷載與標準凍結深度產生的切向凍脹力組合值；對于受壓基礎，取無風、無冰、最低溫時的標準凍結深度產生的切向凍脹力值。

基礎極限抗凍拔穩定按式（1）計算：

式中：γf為基礎附加分項系數；T0為冬季荷載上拔作用力，單位為kN，直線塔取T0=0.6TE+τT，非直線塔取T0=TT+τT；TE為正常荷載上拔作用力，kN；TT為60%的正常荷載同100%的線條角度荷載產生的上拔作用力，kN；τT為標準凍結深度產生的切向凍脹力，kN；G0為抗拔力，kN。

2.3 回填非凍脹性材料

利用非凍脹性材料（如中沙、粗沙、卵石等）置換剛性基礎周邊一定范圍內的凍脹性土體，避免切向凍脹力作用在基礎上。

采用基側填沙來防止切向凍脹力是一個既簡便又經濟的辦法，但它僅適用于地下水位之上的基礎，如果所填的沙子達到飽和狀態或含泥量過多，在凍結時土與基礎周圍堅固地凍結在一起形成較高的凍結強度，就會失去防切向凍脹效果。施工時必須保證不小于基礎底板的寬度，才能保證安全可靠。

2.4 坡形基礎

坡形基礎是將基礎設計成圖1形式，國內外工程界進行的試驗研究結果表明：其側面坡度不小于1∶7為宜；從多次試驗數據來看，切向凍脹力很大，使用坡形基礎的目的就是將基礎側面設計成β≥9°的斜面來消除切向凍脹力，使基礎受力均勻。經驗證明β≥9°時，坡形基礎穩定的原因不是由于凍脹力被下部擴大部分給錨住，而是由于在傾斜面上出現拉力分量與冷縮分量疊加之后的開裂，切向凍脹力退出工作造成的。

該種坡形基礎與常規基礎相比，施工要求較嚴格，要求其基礎表面光滑以及埋置深度應大于地基土的標準凍結深度。

2.5 樁基礎

樁基礎是利用深基礎在不凍土中的樁土間摩擦力（或凍結阻力）平衡凍脹土區域內作用于鐵塔基礎上的切向凍脹力[4]。深基礎一般用于軟弱強凍脹地基。基礎入土深度應滿足正常設計荷載和克服切向凍脹力驗算所需的設計深度，但是要保證基礎施工時頂部不出現擴大頭情況。施工時，一般采用鉆孔灌注樁基礎或打入式樁基礎。這種方法施工費用較高，工程質量控制較為困難，所以應在在進行經濟技術方案比較后采用。

根據工程實踐[5-11]，多年凍土地區基礎設計還要采取下列措施：

（1）基礎在施工和使用期間，應對周圍環境采取防止破壞溫度的自然平衡狀態的保護措施，建立完善的排水設施，防止地下冰融化導致的基礎下沉。

（2）鐵塔的地基基礎設計在最大融化深度范圍內，應嚴格進行抗凍脹性計算，并采取抗凍脹性構造措施，施工中不得隨意簡化程序，以確保工程質量。

3 工程實踐

在上都（正藍）—承德500 kV緊湊型輸電線路工程中，上都電廠出線段部分線路處于凍土深度較深、地下水位較淺的地基中，考慮到凍脹力的影響，將部分基礎型式采用直柱配筋剛性基礎，同時主柱采用9°坡面，滿足了工程需要。在內蒙古東部220 kV海拉爾—扎賚諾爾送電線路中，大部分基礎利用增加埋深滿足基礎極限抗凍拔穩定驗算的要求，對部分塔位凍深超過3 m的基礎采用了棱臺基礎和灌注樁基礎，較好地適應了工程地質情況。

4 結論

在季節性凍土地區輸電線路鐵塔基礎工程中可主要采用以下方法處理基礎的凍脹和凍融問題：

（1）選擇合適的基礎埋深，避免基礎的凍融影響。

（2）直柱基礎需驗算基礎的極限抗凍拔穩定，如不滿足極限抗凍拔穩定要求，則增加埋深或采用將直柱做成9°坡面型式。

（3）對部分有條件的塔位結合工程實際情況采用回填粗砂、中砂等非凍脹性散粒材料的方法解決凍脹問題。

（4）對部分凍深超過2 m，同時其他地質條件較差的地基采用樁基礎，也須驗算基礎的極限抗凍拔穩定。

[1]GB 50007—2002建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]DL/T 5219－2005架空送電線路基礎設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2005.

[3]JGJ 94－2008建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]JGJ 118－98凍土地區建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[5]程永鋒，魯先龍，劉華清，等.青藏鐵路110 kV輸電線路凍土樁基模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（Z1）：4378-4382.

[6]魯先龍，程永鋒，費香澤，等.新疆皇吉220 kV輸電線路天山段多年凍土工程特性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（Z1）：4383-4387.

[7]魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎工程現狀與展望[J].電力建設，2005，26（11）：25-27，34.

[8]魏占元.青藏鐵路110 kV輸電工程錐柱基礎發生沉降、位移原因分析及處理措施探討[J].青海電力，2009，28（3）：22-24.

[9]童 武.多年凍土對輸電線路桿塔基礎的影響及處理措施[J].青海電力，2001，20（4）：38-39.

[10]張宏偉，楊雪梅.多年凍土地區建筑地基與基礎設計探討[J].低溫建筑技術，2003（4）：54-55.

[11]劉常青.多年凍土工程地質特性及對送電線路的影響[J].青海電力，2006，25（2）：11-14.