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摘要：在高寒地区的冻土对温度极度敏感，地表土体存在着冬季冻胀、夏季融陷的现象，在冻土上的特高压变电站建筑稳定性受到土壤性质变化的影响，可能发生裂缝、倾斜及变形现象。本文主要介绍了高寒地区特高压变电站由于冻土对设备基础产生的影响，尤其是冻胀和融沉所引起的危害，如土表层不均匀的升高或者沉降，在此基础上本文分析了目前可以采用的一些措施：换填法，物理化学法，保温法，排水、隔水法等，并且对这些措施进行了详细的介绍分析，确保高寒地区特高压变电站施工质量和设备运行安全。
关键词：季节性冻土；排水、隔水法；措施；冻胀和融沉
1 引言
近几年来，特高压变电站迅速的发展，北方高寒地区特高压变电站也发展迅猛，这就对施工质量和设备的稳定运行要求特别高。尤于高寒地区特殊的地理环境，会存在冬季冻土施工，冻土是对气候和温度变化极为敏感的不稳定土体，在气候变化和人为因素等外界影响下冻土收到热扰动后温度场会重新分布，可能引起设备基础发生严重变形，甚至坍塌，对设备运行造成严重影响。
特高压站的不断发展，设备基础的承载的荷重也不断增加，传统的掏挖基础等浅埋式基础已很难满足电力建设发展的需求，在冻土区设备基础的建设中，对冻土采取有效的防范措施是十分必要的。
2 冻土的基本理论
2.1 冻土的定义和组成
冻土是在温度等于或低于零摄氏度，并且含有固态冰的土，其划分种类较多，按冻结时间长短可分为：瞬时冻土、季节冻土、多年冻土；在两个及以上连续冬季及期间的夏季，其温度持续低于0℃的土和岩石称为多年冻土，或永久冻土。按形成与存在的自然条件不同，又可将冻土分为：高纬度多年冻土、高海拔多年冻土；按与下卧土层的关系，可将季节冻土分为季节冻结层和季节融化层。冻土由以下四部分组成：固体矿物颗粒（矿物或矿体骨架）、冰（粘塑性冰、固相水）、液相水（未冻水和强结合水）和气体（水气和空气）。
2.2 冻土的分布
冻土是由矿物骨架（土颗粒）、粘塑性冰（固态水）、未冻水和气组成的复杂的四相体，可用以下几个物理指标描述冻土的物理性质。
（1）冻土重度；（2）冻土的总含水量；（3）冻土颗粒重度；（4）冻土的未冻水含量；（5）总含水率；（6）冻土的含冰量。
2.2.1 总含水率
冻土的总含水率是指冻土中所有的冰的质量与骨架质量之比和未冻水的质量与土骨架质量之比的和。
2.2.2 冻土的含冰量
因为冻土中含有未冻结水，所以冻土的含冰量不等于冻土融化时的含水率，衡量冻土中含冰量的指标有相对含冰量、质量含冰量和体积含冰量。相对含冰量是冻土中冰的质量与全部水的质量之比；质量含冰量是冻土中冰的质量与冻土中土骨架质量之比；体积含冰量是冻土中冰的体积与冻土总体积之比。
无论温度降低到多少，冻土中始终存在部分未冻水，而并不是土中全部液态水均已转化成冻结状态的冰。而冻土中未冻水含量不仅是计算相变潜热的必要指标，冻土的力学特性也由未冻水的含量决定着。土质、温度和外荷载影响着未冻水含量，它与温度满足以下动态平衡关系，即安德森-泰斯公式：
式中：
Q——相变热，kg/m3；
L——单位质量土体中所含可以冻融自由水的融化潜热，热工计算中取334.56kJ/kg；
ρ——土的干密度，kg/m3；
w——土的总含水量，%；
wu——冻土中的未冻水含量，%。
3 冻土的冻胀融沉特性
在冻融敏感性土中，土体空隙中水分结冰造成体积膨胀，同时在土水势梯度作用下未冻区的水分向冻结前缘迁移、聚集并冻结体积膨胀而形成的，这就是我们所说的冻胀现象。
3.1 土体冻胀特性
土体冻胀必须具有三个条件：
（1）冻胀敏感性土；
（2）充足的水供给；
（3）温度够低，能够使土中孔隙水产生冻结。
三个条件缺一不可，若采取一定的措施消除其中任何一条即可抑制冻胀。影响冻胀的主要因素有：土的粒度、土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换盐基等。基本规律是粗颗粒的土由于水分能够及时排出，不易产生冻胀。随着土颗粒粒径减小和土体分散性增大，冻胀性也增强，但是当粒径达到黏土范围时，由于水分迁移量减小，冻胀量也相应减小；亲水性矿物成分含量高的土冻胀性显著；对于冻胀性敏感土，初始含水量大，水分补给充足的土冻胀性也一定强；温度越低，未冻水含量越小，冰的相对含量增加，冻胀性趋于显著；增加土体外部附加荷载会对土体冻胀产生显著的抑制作用；盐基可改变上颗粒表面与水的亲和性，并可改变土中未冻水含量，从而影响土的冻胀。无论何种因素，都是通过影响土冻胀产生的三个条件来影响土的冻胀特性，这也是通过工程手段预防和消除冻胀破坏的依据。
同时，冻结速率也是一个不可忽略的影响因素。当冻结速率过大时，土中水分来不及迁移，只有原孔隙中的水冻结成冰，冻胀率较小而且保持不变；若水分补给充足，随着冻结速率降低，冻胀率增大，
当土体冻结时，土中孔隙水将变成冰，体积增大9%，使土体体积膨胀而产生向四面扩张的力，这种张力由于受到基础的约束而产生对基础的力，这种力称为土的冻胀力。为了工程设计方便，依其冻胀力与基础的相互作用关系将作用于基础上的冻胀力分为3类[3]：
切向冻胀力τ——沿着基础周边表面向上作用的冻胀力；
法向冻胀力σ1——垂直于基础底部面的冻胀力；
水平冻胀力σ2——垂直基础侧表面的冻胀力。
3.2 土体融沉特性
冻土热融过程中，冰融化而产生的融化沉降现象对于冻土支撑系统、多年冻土、季节冻土等来说非常重要。当冻土融化时，在地基及基础材料中产生超孔隙水，在这种情况下，由于荷载作用会导致融化水排出，导致土体体积的变化，并引起土体力学性质的变化。对于作为基土的冻土而言，将产生融化过程中及溶化后的沉降现象。总的融化沉降量将由三个方面组成：
（1）相变引起的变形；
（2）土在自重作用下的沉降变形；
（3）土在外加荷载作用下的沉降变形。冻土的热融沉降量不仅与冻土的性质及上部荷载有关，而且与冻土的温度状况有关。
4 冻土地基所面临的问题
4.1 冻胀引起的破坏
所谓冻胀，系指土冻结过程中，土中水分（包括外界向冰峰面迁移的水分及孔隙中原有的部分水分）冻结成冰，并形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等形式的冰侵入体，引起土颗粒的相对移动，使土体积产生不同程度的扩张现象[4]。冻胀的外观表现是土表层不均匀的升高，冻胀变形常常可以形成冻胀丘及龙岗等一些地形外貌。
4.2 融沉引起的地基稳定性问题
融沉又称热融沉陷，是指土中过剩冰融化所产生水的排除以及土体在融化固结过程中局部地面的向下运动。一般是由于自然（气候转暖）或人为因素（如砍伐与焚烧树木、房屋采暖）改变了地面的温度状况，引起季节融化深度加大，使地下冰或多年冻土层发生局部融化所造成的。在天然情况下发生的融沉往往表现为热融凹地、热融湖沼和热融阶地等，这些都是不利于工程建筑物安全和保证设备正常运行的条件。
在冻土区修建建筑物，除了要满足非冻土区建筑物所要满足的强度与变形条件外，还要考虑以冻土作为建筑物地基时，其强度随温度和时间而变化的情况。所以采取什么样的防冻胀和融沉措施来保证冻土区建筑物地基的稳定，是关系到冻土区工程建设成败的关键所在。
5 冻土区地基处理的基本方法
5.1 基本方法
冻土区地基处理技术的发展是随着土木工程建设的发展而逐步发展壮大的。而冻土区特殊的工程病害特征——冻胀和融沉，又为冻土区工程建设提出了不同于一般工程建设的新挑战。
冻土是一种特殊的、低温和易变的自然体，它对寒区经济建设和人类生存发展造成了严重影响，人类在与恶劣的自然环境作斗争的同时，冻土研究者在研究影响冻结和融化的四大因素（热量、水分、力和土质）的基础上，提出了许多防治措施。在季节冻土区建筑物的破坏主要是因地基土的冻胀而引发的，所以，为防止冻害发生，应从对地基土的处理和增强建筑物结构两方面着手。就处理地基来说，主要是通过削弱产生冻胀的三大要素：易冻胀土质、水分（土中水分及外界补给水份）及土中负温值之一来达到防冻害的目的。
采用的主要方法有：
（1）换填法，即用粗砂、砾石等非（弱）冻胀性材料置换天然地基的冻胀性土。据实践和经济方面考虑，可以采用廉价的粗颗粒材料，置换深度约为最大冻深的70%左右[5]。对置换法所采用的粗颗粒材料，要符合质量和规格方面的要求，同时要求这种材料本身不能产生冻胀，主要是根据室内冻胀试验来判断。
（2）物理化学法，利用交换阳离子及盐分对冻胀影响的规律，采用人工材料处理地基土以改变土离子与水之间的相互作用，使土体中的水分迁移强度及其冰点发生变化，以达到削弱冻胀的目的。较多地采用NaCl做为掺入的盐分，掺入量的多少以土的种类和施工方法而定。
（3）保温法，在建筑物底部或四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基土的冻结，提高土中温度，降低冻结深度，进而起到防止冻胀的目的。
（4）排水、隔水法，即降低地下水位季节冻土层范围内土体的含水量，隔断外水不及来源和排除地表水防止地基土变形。在增强结构方面，主要以深基础、锚固基础（深桩基础、各种扩大基础）为主的不允许冻胀变形建筑物和柔性结构、加强基础或上部结构的刚度或整体性以及合理分割结构与设置变形缝为主的允许冻胀变形建筑物为主。同时，还采用架空法、埋入法即隔离法等回避措施。
在多年冻土地区，以融沉引起的破坏为主，因此，在利用多年冻土作为建筑物的地基时，除了考虑常规的变形因素之外，更多的要考虑与温度有极密切关系的有效应力对冻土的作用以及温度分布和控制有关的热源问题。可根据建筑物的结构、施工特点和工程冻土条件及地基土性质，采用保护多年冻土原则或允许融化原则。保护多年冻土原则即在建筑物施工和规定使用期间使地基土。
5.2 预防冻害措施
在确定建筑物位置时应尽量选地势高，地下水位低，地表排水良好和冻胀性较小的场地。对低洼场地宜使室外地坪高出自然地面300mm以上。
对在地下水位以上的基础可在基础侧面回填中、粗砂，炉渣等非冻胀性散粒材料厚15-20mm。对在地下水位以下的基础时，可采用桩基础、自锚式基础（冻土层下有扩大板或扩底短桩）或采取其他有效措施。当地梁下有冻胀土时，应在梁下填以炉渣等松散材料，并根据土的冻胀性大小预留出5-15cm的空隙，以防止因冻胀将地梁拱裂。
6 结语
本文通过对冻土的特性的分析，以及冻土的危害和一些处理措施进行探讨。由于各地区之间的地形、地貌不尽相同，各冻土地区在建设中取得的经验也不尽相同，在设计的时候应结合当地的经验进行设计。总之，在对冻土地区的设计时，应充分认识到地基土的冻胀力产生的危害。对待采暖、非采暖建筑，室内、室外建筑应区别对待，做到设计合理，安全经济。随着我国特高压建设的不断发展，特高压建设逐渐在我国北方逐渐兴起，我国在冻土地区的理论研究及经验必将取得很大突破。
参考文献
[1]郑秀清，樊贵盛，邢述彦．水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动[M]．北京:地质出版社，2002: 115—125
[2]徐学祖，王家澄，张立新．冻土物理学[M]．北京: 科学出版社，2001:9—12
[3]吕兴光，秦琛．土的冻胀性对建筑结构的危害及防治[J]. 西部探矿工程，2001(04):41.
[4]王大雁，马巍，王爱国．冻土区地基处理技术研究的现状与发展方向[J]. 岩土工程界，2005,(02):27-28.
[5]张志峰，杨昊．关于寒冷地区道路冻胀的危害及处理措施[J]. 黑龙江交通科技,2006,(06):26.
作者简介：
裴有(1990.12)，男（汉族），吉林省公主岭市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 ，职称：助理工程师；研究方向：特高压检修、维护。
罗沐(1992.10)，男（汉族），辽宁省朝阳市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 ，职称：助理工程师；研究方向：特高压运行、维护。
梁婷婷(1992.09)，男（汉族），辽宁省大连市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 ，职称：助理工程师；研究方向：特高压运行、维护。
吴桐(1991.10)，男（汉族），吉林省白城市，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司 ，职称：助理工程师；研究方向：特高压运行、维护。
论文作者:裴有,罗沐,梁婷婷,吴桐
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/12
标签：冻土论文; 地基论文; 基础论文; 水分论文; 土中论文; 建筑物论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第29期论文;