季节性冻土地区输电杆塔基础设计探究

1、季节性冻土地区输电杆塔基础设计探究摘 要：输电杆塔基础的设计、施工过程中，经常会受到 季节性冻土的干扰。如何克服季节性冻土带来的热融滑塌、 融陷和冻胀等问题，是电力勘察设计中不得不考虑的内容。 本文就季节性冻土地区的输电杆塔基础建设难题进行了探 讨，并提出了输电杆塔基础设计方面的解决措施。关键词：季节性冻土；输电杆塔；设计中图分类号：tm75文献标识码：a由于季节性冻土地区的地质条件有其特殊性，所以在进 行输电杆塔的基础设计时，应该对季节性冻土地区的具体地 质情况进行考察。季节性冻土地区，一年之中会经历两种土 层状态，一种是冻结状态，一种是未冻结状态。夏季，当土 层处于未冻结状态时，是最不利于

2、地基计算的；在冬季，土 层处于冻结状态，土层中的水凝结成固态，体积发生膨胀， 如果进行工程建设，极不利于基础的稳定。以下是对相应问 题的讨论。一、季节性冻土的含义及其性质当气温在0£及其以下时，土层中含有固态的水，而且 其性质随着温度条件的变化而有相应的改变，并且会有热融 滑塌、融陷和冻胀等现象。这样的土层就叫做冻土。按照持 续时间划分，冻土可以分为多年冻土和季节性冻土。所谓的 季节性冻土就是指在冬季会冻结，而在夏季会融化的冻土。季节性冻土因为会随着季节的变化而发生冻结或融化，所以 容易使地基发生不均匀沉降，从而给地基稳定性带来严重的 影响。当温度降到0匸以下时，冻土就会冻结，土中原

3、有的 水分也会结冰，水结冰之后体积会发生膨胀，这时，基础就 会产生隆起；当温度升高，冻土开始融化时，因水体积膨胀 而产生的张力就会消失，基础就会发生塌陷。受采暖情况与 建筑结构的影响，建筑的周边会周期性地发生不均匀沉陷和 冻胀，这会对地基的稳定性带来不利影响，同时还有可能导 致墙体开裂、台阶隆起、顶棚抬起等现象，甚至还会引起建 筑物的倾倒。所以，在进行输电杆塔的基础设计时，必须重 视季节性冻土对杆塔基础的影响。二、季节性冻土对杆塔基础的影响(-)基础下沉季节性冻土地区位于上层的冻土层每年都会随着季节 的变化发生冻结和融化。在永久性冻土层的上缘，存在着含 冰量较高的冻土层和较厚的一层地下冰。这一

4、层很容易因人 为活动或者是自然条件的变化而出现沉降。这是造成杆塔地 基变形和破坏的一个主要原因。(二) 基础冻胀冻土地区容易发生地基冻胀。对于多年冻土层来说，由 于长期处于低温状态，所以土层保持稳定或者基本保持稳 定，有着相对较小的融化层，而且发生冻结时一般是双向冻 结。双向冻结的冻结速度较快水分迁移量较小，所以冻胀现 象比较轻。但是季节性冻土由于所处环境气温变化大，在高 温环境中稳定性较差，有较厚的冻土层会发生季节性融化， 冻结的速度相对较慢，而且如果有水分补给，会发生较大规 模的水分迁移，所以，在季节性冻土地区，会有较为严重的 冻胀现象发生。冻胀会对杆塔基础造成严重破坏，出现基础 的倾覆、

5、下压和上拔等稳定性问题。三、基础的冻胀性分析（一）影响冻土层冻深的因素1. 气温对冻土层冻深影响最主要的因素是气温。在影响冻土层 冻深的所有因素中，气温是唯一一个地理性指标。其他的因 素都是相互独立的，带有极大的不确定性，没有统一的变化 规律。对于冻土层的形成来说，气温条件是必须的，只有冬 季气温低于lc的地区才具备形成冻土的条件。2. 土质由于土质不同，其岩质也各异，具备着不同的热物理参 数。相对于细颗粒土，粗颗粒土有着更大的导热系数。因此, 如果其他条件相似，粗颗粒土的冻深要比细颗粒土大，砂类 土要比粘性土冻深大。3. 土的含水量与地下水位当气温降低并低于0。（2时，土中的水会被冻结，随着

6、水 分的冻结，土层的体积就会发生膨胀，这就会有冻胀量产生, 同时会产生冻胀力。土中的含水量越大，地下水位越高，土 的冻胀性就会越强，在冻结时产生的冻胀量与冻胀力也就越 大，如果冻胀力超过了杆塔基础的承受极限，基础就会遭到 破坏，造成巨大的损失。（二）冻胀的类型土的冻胀类型可以分为特强冻胀、强冻胀、冻胀和不冻 胀四类。（三）冻胀力的计算在设计输电杆塔的基础时，应该将铁塔的基础底板上平 面置于冻土层的冻深之下。所以应该对其埋置深度上的抗冻 拔稳定进行验算。即便杆塔基础已经埋置在了冻深以下，仍 然要进行切向冻胀力的测算。四、冻土地区的杆塔基础设计原则（一）输电杆塔的设计关键在于对冻土性质的把握。开

7、始设计之前，应该对冻土层的地质特点进行详细了解，探明 该地区的冻结深度。先按照冻胀性对地基进行划分，然后根 据不动地区的的地质特征采取适当的消除、减弱冻胀力的措 施，并进行基础极限抗冻拔稳定验算。（二）杆塔基础底板上平面的埋置深度必须要大于冻土层的标准冻结深度。（三）进行基础极限抗冻拔稳定验算时，如果没有可作 为参考的资料，应该将正常情况下最大设计的风荷载乘以 60%带入，或者借助一定的工程设计经验进行确定。（四）在季节性冻土地区施工时，除了要将常规设计列 入考查范围，还要对基础在冻胀力作用下的稳定性进行验 算。如果基础的稳定性不能满足设计要求，就要对基础的形 式进行改变或者采取一定的防冻害的

8、措施。五、基础极限抗冻拔稳定的验算按照规范，在设计普通输电线路杆塔的桩基础与直柱基 础时，要对杆塔基础的下压与上拔进行计算，然后还要进行 基础的极限抗冻拔稳定验算。如果基础所受的力以上拔力为 主，则应该选取冬季最大的设计风荷载在基础的标准冻深上 所产生的切向冻胀力的组合值；如果基础所受的力以下压力 为主，则应该选取在无冰、无风而且气温最低时标准冻深上 产生的切向冻胀力值。基础极限抗冻拔稳定验算公式如下：在这个公式中，是基础的附加分项系数，是冬季的荷载 上拔力，计算所使用的单位是kn,如果杆塔是是直线塔，则 采用 作为正常情况下的荷载上拔力，如果杆塔是非直 线塔，则采用作为正常情况下的荷载上拔力

9、，单位同样为kn；是正常 荷载的60%与杆塔线条角度荷载的100%所产生的上拔力，单 位为kn；是在标准冻深上所产生的切向冻胀力单位为kn； 代表抗拔力，单位为kn。六、费冻胀性材料的回填杆塔刚性基础四周一定距离内的冻胀性土可以与非冻 胀性材料（如卵石、粗沙和中沙等）进行置换，从而使基础 免遭切向冻胀力的损害。基侧填沙是一个简便、经济的防止 切向冻胀力的措施。但是只有在杆塔基础位于地下水位之上 时，基侧填沙方法才适用，如果所填的沙子含有过多的泥或 者是沙子已经达到了饱和，土层冻结时，沙子会与周围的基 础牢固地冻结为一体，从而使冻结强度较高，沙子便失去了 防止切向冻胀力的作用。在施工时，一定要保

10、证置换宽度不 小于杆塔基础的底板宽度，以保证工程的可靠性和安全性。七、坡形基础的采用上图展示了坡形基础的形态。国外的研究成果显示：侧 面的坡度应该保持在1： 7以上。多组实验数据显示，切向 冻胀力非常大，将基础设计为坡形的目的是利用基础侧面来 消除切向冻胀力，从而保证基础均匀受力。大量的实验证明 当侧面坡度b=9°时，坡形基础之所以稳定，不是因为下部 的扩大部分将冻胀力给锚住了，而是因为在斜面上，冷缩力 量与拉力分量相互叠加，产生开裂，使得切向冻胀力退出。 与常规的基础相比，坡形基础的施工要求更严。坡形基础表 面应该是光滑的，而基础的埋置深度要大于地基的标准冻 深。八、桩基础的采用桩

11、基础的原理就是让不冻土层中的深基础产生的摩擦力或者冻结阻力与冻胀性土层内作用于基础上的切向冻胀 力相互平衡。一般情况下，深基础会用于强冻胀性的地基。 基础的埋置深度不仅应该符合正常情况下的设计荷载，而且 能够克服切向冻胀力，同时，还要保证在施工过程中不会有 扩大头情况发生。施工实践中，通常会采用打入式的桩基础 或者是钻孔灌注的桩基础。桩基础的建设费用较高，而且在 施工质量上要求更为严格，所以在釆用这种技术前，要进行 方案比较，选择出在经济和技术层面上都有保障的方案。九、其他措施（一）在基础的建设期间和试用期间，对周围的环境应 该采取保护措施以防止气温的自然平衡被破坏。要建立起一 个完善的排水系统，防止地下冰融化引发基础下沉。（二）在进行杆塔基础的设计时，要将底板上平面置于 最大的融化深度以下。在施工前，要进行严格的抗冻胀性验 算，并采用各种抗冻胀的构造措施。在是巩固过程中，不能 随意对程序进行简化，从而保证施工的质量。结语对季节性冻土地区的输电杆塔基础进行设计时，可以采 用深埋基础、坡形基础、桩基础、非冻胀材料回填等措施， 以保证输电线路的稳定。参考文献1 王向东、郭青梅