国核电力规划设计研究院， 北京 100095
摘要：冻土对输电线路工程安全的影响主要为冻胀和融沉，季节冻土地区又以冻胀引起的切向力对铁塔基础影响最大。消除切向力应结合输电线路工程特点和冻土特性选择简单有效的方法。基础选型时应使基础特点与工程地质条件相匹配，季节冻土区基础优化设计需综合考虑基础尺寸对荷载和承载力的双重影响。大开挖基础优化埋深、柱宽、底板宽，原状土基础以获得最优的深径比为目的，通过计算对比选择造价最低的基础型式及尺寸。
关键词：输电铁塔；季节冻土；基础选型；抗冻拔；大开挖基础；原状土基础；优化设计
引言：冻土因其存在冻胀和融沉特性，对作用与其上和埋置于其中的建筑物基础存在很大的危害。我国冻土面积大、分布广，约215万平方公里，占全国领土面积的1/5。主要分布在青藏高原，东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰地区。以往工程中，由冻土引起的建筑物损坏对国民经济和人民生命财产安全造成了一定是损失和威胁。各行业均采取了一系列措施来应对该问题。
随着我国电力事业的发展，青藏联网、川藏联网、藏中联网等一大批电力工程先后在高原地区开工建设，输电线路作为电力工程的重要组成部分，因其分布地域广、建设条件复杂多变，也越来越多的面临冻土的考验，如何更好的处理冻土问题，是每一个电力建设者关心的问题。
1 铁塔基础抗冻胀的主要措施
1.1 冻土的危害
冻土分为季节冻土和多年冻土。地表层寒季冻结、暖季融化的土（岩石）称为季节冻土，冻结状态持续两年或者两年以上的土（岩石）称为多年冻土。
冻胀的危害：在寒季，当温度下降至0℃以下，土体中的一部分未冻水冻结成冰并与基础冻结，土体因此膨胀，对建筑物基础产生法向、水平、切向三个方向的冻胀力。法向冻胀力会对埋置其中的基础产生上拱。水平冻胀力在各方向对称的情况下相互抵消，但对非对称的结构（如支护结构），水平冻胀力会导致结构破坏、失稳等。切向冻胀力是由于土体与基础表面冻结后继续膨胀，从而对基础产生的上拔，引起建筑基础结构破坏或整体失稳。实际工程中，法向冻胀力可以通过深埋（设计冻深以下）消除，水平冻胀力对铁塔基础影响有限，切向冻胀力危害最大。
融沉的危害：在暖季，土中的冰融化，冻结力随之消失，土体的压缩性增加，强度显著降低。埋置其中的基础也会随之产生较为复杂的位移变形，当变形超过建筑允许值，就会对上部结构产生危害。实际工程中，特别是多年冻土中，常通过选择合理的设计状态和维持周围环境稳定来进行控制。
1.2 铁塔基础常用的抗冻措施
由于架空输电线路分布地域广、地质条件复杂、分散性大，首先需要了解冻土的特性区及冻胀级别，然后因地制宜的采取最为简洁有效的抗冻方法，总结国内比较适合的几种方法如下：
（1）换填法：利用非冻胀性材料（如中砂、粗砂、砾石、卵石、炉渣等）置换基础周边一定范围内的冻胀土体，避免切向冻胀力作用于基础上。换填范围一般不小于地板宽度。
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图1 换填法示意图
（2）梯形截面基础：是将基础设计成图2的型式，国内外工程界进行的试验研究结果表明，基础侧面坡度≥1︰7为宜，目的是将基础侧面设计成不小于9度的斜面来消除切向冻胀力。此种基础与其它大开挖基础相比较为经济，无需抗冻拔验算，但对基础表面光滑度要求较高。
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图2 梯形斜面基础示意图
（3）深基础：即采用桩基础，就是利用深基础在不冻土中的桩土间摩擦力（或冻结阻力），平衡冻胀土区域内作用于铁塔基础上的切向冻胀力。深基础一般用于地基软弱的强冻胀地段，需要进行抗冻拔验算。要保证基础施工时在冻深范围内桩身光滑、不出现扩大头现象。
此外，在基础表面刷涂料，采用排水防水措施等也可用于铁塔基础防冻，而建筑行业采用的维持现场温度场等方法对分散性大的铁塔基础而言，需具体情况具体分析。
2 季节冻土地区铁塔基础的选型
适用于季节冻土地区的铁塔基础有大开挖类、原状土类及桩基础，各基础特点及适用范围可参考下表:
表1 适用于季节冻土区的主要基础类型
3 季节冻土地区考虑抗冻拔的铁塔基础优化
3.1 基础埋深
关于基础埋深的选择，在《架空输电线路基础设计技术规程》（DL/T 5219）、《冻土地区架空输电线路基础设计技术规程》（DL/T 5501）、《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118）中都做出了规定。对比如下：
表2 各规范对季节冻土区基础埋深的要求
Zd=Zoψzsψzwψzcψzto，其中Zo-标准冻深（m），ψzs-土的类别影响系数，ψzw-冻胀性影响系数，ψzc-周围环境影响系数，ψzto-地基土的影响系数。
通过对比可以看出， DL/T 5501对埋深的要求更高，一方面是为了消除地质情况的复杂带来的误差，另一方面在不影响经济性（季节冻土地区，铁塔基础埋深一般均大于设计埋深）的同时考虑了铁塔基础本身受上拔力的特点，不宜在基地再留有冻土层，适当增加了裕度。因此，建议采用DL/T 5501确定铁塔基础埋深。
3.2 大开挖基础优化
大开挖基础优化的内容是在确定满足强度要求的最小主柱宽度后，通过调节基础埋深及底板宽度，选出最经济的尺寸。冻胀性的地基中，主柱除应满足DL/T 5219的要求外还应满足下式[1]：.png)
（1）
即：考虑切向冻胀力后构件的竖向承载力满足强度要求。
基础埋深的优选需在满足本文3.1条的前提下进行。通常，主柱一定，加大埋深会提高基础的抗拔能力，减少材料量。但当上拔满足后一味的增加埋深、减小底板又会造成下压承载力或主柱强度不足，增加底板尺寸又导致材料量增加，加宽主柱导致切向冻胀力、负摩阻力增大，进而又影响上拔和下压。因此，优化时应根据工程荷载试算，选择综合造价最低的基础尺寸。
3.2 原状土基础优化
原状土基础优化的主要内容是获得最优的深径比（H/D）。季节冻土地质条件下常用的掏挖基础、桩基础冻拔计算公式如下[1]：
由公式可看出，上拔力To与主柱直径成正比，抗拔力RT 根据DL/T 5219计算，也是与基础尺寸有关的函数。
桩基础竖向承载力计算公式：
由公式可以看出，无论是上拔还是下压，标准冻深相同情况下，外力均与桩径成正比，与抗力成正比。
综上，对原状土基础，主柱直径同时影响荷载及抗力。深径比过小时，冻拔力较大且土体抗力未充分发挥。深径比过大时，冻拔力虽较小，但因水平力的存在，会造成侧向稳定减弱或基础刚度不足，非冻土层的竖向承载力得不到充分发挥，造成浪费。
因此，原状土基础设计时，因同时考虑基础尺寸对荷载和抗力的影响，找出不同直径下基础的最优深径比，再进行横向比对，选择较为经济的方案。
结论：
（1）在冻土地区，做好详勘，判别冻土类别，判定冻胀、融沉等级，确定地基参数，是铁塔基础选型和设计的前提。
（2）应结合输电线路工程特点，选择简单有效的一种或多种结合的消切方法。
（3）季节冻土地区要使基础型式的自身特点与水文地质条件相匹配，优先选用原状土基础和梯形截面基础。
（4）抗冻拔基础优化设计，首先选择合理的埋深。其次在考虑主柱对荷载和抗力的双重影响前提下，大开挖基础优化埋深、柱宽、底板宽等，原状土基础以获得最优的深径比为目的，达到综合造价最低。
参考文献
[1] DL/T 5501-2015 冻土地区架空输电线路基础设计技术规程[S].北京:中国电力出版社,2015.
[2] DL/T 5219-2014 架空输电线路基础设计技术规程[S].北京:中国计划出版社,2014.
[3]JGJ118-2011 冻土地区建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[4]鲁先龙,程永锋.冻土地区架空输电线路基础受力特性及其设计对策研究 [C].中国电机工程学会电力土建专业委员会"加入 WTO 与中国电力土建技术发展"学术交流会,2003.
[5]王向东,郭青梅,吴晓锋.季节性冻土地区的输电杆塔基础设计[J].电力建设，2010，31(12):48—50.
[6]胡建军，崔昊，董绍春.季节性冻土地区输电线路铁塔坡形和直柱形刚性基础的比较分析[J].内蒙古电力技术,2013,31(1):46-49.
论文作者:李政民
论文发表刊物:《基层建设》2016年15期
论文发表时间:2016/11/14
标签：基础论文; 冻土论文; 铁塔论文; 地区论文; 原状论文; 季节论文; 线路论文; 《基层建设》2016年15期论文;