王 卫 东，崔 强，韩 杨 春，张 树 林，丁 士 君

(1.中国电力科学研究院有限公司，北京 102401； 2.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230088)

杆塔基础是架空输电线路的重要组成部分，用于支撑杆塔和承受上部结构所有荷载。随着电力基础设施建设规模的不断扩大，穿越的特殊地质区域逐步增多，其中冻土地基问题最为常见[1]。冻土是一个由岩土颗粒、未冻水、冰及空气等组成的多相体系统，其特殊性在于温度作用下会发生冰水相变及水分迁移，进而引起土体物理、水理及力学等工程性质显著变化[2]。因此，冻土地基的冻胀和融沉现象直接决定杆塔基础的稳定性，引起杆塔冻拔、下陷以及融沉破坏，会严重影响输电线路的运行。另外，传统的杆塔基础类型仍以现浇式桩基础为主，当冻土地区基础设施条件较差时，施工周期就会成为制约架空输电线路建设速度的瓶颈[3]。因此，冻土地区杆塔基础面临的主要问题是基础稳定性问题和缺乏新型基础问题。

目前针对冻土地区杆塔基础方面的研究多集中在基础的热稳定性方面，如：胡志义等[3]分析了锥柱基础不同断面型式的性能和特点，针对青藏直流输电线路工程中不同冻土的地质条件，对常规的锥柱基础型式进行了优化改进；庄标[4]分析了冻土中的杆塔基础产生事故的原因，并提出了一系列改善措施，强调注重工程选址的优化、杆塔基础材料的选用以及地基优化设计和基础埋深的重要性，以保证杆塔基础在寒冷地区能够正常工作；王丹[5]描述了杆塔基础在季节性冻土区的工程表现：基础的下沉与冻胀，并分析了影响基础冻胀性的因素，提出了杆塔基础在冻土区的设计原则；王向东等[6]分析了影响地基土体冻深的因素，提出了回填非冻胀性材料与采用坡形基础的解决方法，并且用事实案例证明了方法的可行性；万一农[7]分析了电力杆塔基础在冻土地区的机理和受力情况，指出电力杆塔基础在冻土区的施工技术要点与特点；黄元生等[8]在对工程沿线冻土区特性分析的基础上，研究了冻土区输电线路塔基的长期稳定性，为冻土区电力建设提供了数据资料和可靠预测。但是，目前尚未全面系统地开展冻土地基中各类基础力学性能的试验研究，许多冻土区杆塔基础结构的设计还处于试验和研究阶段。

近年来国内外学者针对不同的岩土类型，在传统基础型式上加以改进，提出复合锚杆基础[9-10]、板式螺旋锚复合基础[11]、索联板球基础[12]等新型基础型式，很好地解决了在特殊地质条件下杆塔基础的选型和设计问题。然而，针对冻土地区地基的工程特性以及施工快捷化的杆塔基础型式尚显缺乏，导致目前在多条穿越冻土区的线路工程建设中出现基础施工难度加大，后期运维中甚至出现基础冻拔、杆塔倾斜等病害现象。

针对上述问题，本文首先结合锥形基础和装配式基础的技术优势，设计出一种新型的锥台装配式基础。然后，通过模型试验对该新型基础的工程特性展开研究。一方面从地基温度场和地基基础冻胀位移两个角度分析不同冻结环境条件下地基冻胀特性和基础的冻拔特性；另一方面，从荷载-位移曲线、地基承载力及破坏模式的角度分析冻土地基中基础的抗压承载性能，进一步验证了该新型基础的抗冻及承载特性，为后续工程应用提供了理论依据和实践经验。

1 试验条件及方案设计

1.1 试验土样

为真实体现试验基础的现场抗冻拔性能，试验用地基土体取自内蒙古自治区呼伦贝尔境内500 kV海拉尔-牙克石输电线路沿线53号塔位附近。试验测得土样的颗粒比重为2.55，最大干密度为1.89 g/cm3，天然含水率10.4%，最优含水率为11.17%，液限和塑限分别为33.9%和20.5%。冻结温度为-0.01 ℃，属于强冻胀性粉土。

综合考虑工程现场地基土体的状态和施工要求，本次模型试验中地基填筑的土性条件设计为含水率10.4%，压实度80%。

1.2 模型基础及试验设备

1.2.1模型基础

目前，冻土地区常用的杆塔基础形式主要包括原状土锥柱基础和开挖类的装配式基础。其中，锥柱基础造价较低，且能够全部或部分消除切向冻胀力，在冻土区的应用越来越广泛，然而该种形式基础现浇过程施工周期长，并且现场作业中混凝土的质量难以控制；装配式基础多采用钢制或混凝土材质的预制构件，通过现场拼装完成基础的施工，其具有施工速度快、基础构件质量可以保障等优点，然而该类基础为了拼装简单，一般设计成等截面的混凝土直柱，其抗冻拔性能较差。本文结合锥柱基础和装配式基础各自的技术优势，提出了一种锥台型装配式基础，兼具抗冻拔和便捷施工的功效，适用于冻土地区杆塔基础的选用。该基础由锥形柱体和底座两部分组成，锥形柱体两端为矩形钢板，上部钢板为杆塔提供稳定的连接部位，下部钢板用于和底座连接。底座由10根方管通过螺栓连接方式组合成两层结构，如图1所示。

图1 锥台型装配式基础设计图Fig.1 Design diagram of the cone-frustums assembly foundation

根据相似理论试验设计原理[13-14]，以及基础结构设计尺寸和模型试验台的结构特征，确定试验几何相似比条件为Cl=10，即基础底板宽度为B=0.5 m，高度h为0.6 m，锥柱倾斜度为11°。考虑模型试验的准确性，试验模型采用原型材料制作，如图2所示。

图2 锥台型装配式基础的模型Fig.2 Model of the cone-frustums assembly foundation

1.2.2试验装置

试验采用自行研制的一套拼装式大型冻土模型试验系统实施。该套试验系统由箱体单元、加载单元和制冷单元3部分组成，如图3所示。其中，箱体单元尺寸为长×宽×高=2 m×2 m×1 m，由底板、围护板和反力梁组成，反力梁由方管焊接而成，最大承载反力为300 kN。加载单元由测力计和液压加载装置组成。液压加载装置包括千斤顶和油泵，两者通过油管连接。制冷单元由步入式低温恒温室(长×宽×高=4 m×4 m×3 m，最低制冷温度-30 ℃)、低温冷浴器、隔热板和冷媒管(最低制冷温度-50 ℃)组成。考虑到模型框中的土样体积较大(约4 m3)，为提高冻结效率，更快地使地基土样降低至预定温度，该装置一方面可利用步入式低温恒温室降低环境温度，以达到对地基土样垂直向的降温；另一方面在土样四周布设制冷装置，对土样进行水平向降温，如图4所示。

图3 大型冻土模型试验装置Fig.3 Large-scale frozen soil model test device

图4 装置的制冷原理Fig.4 Refrigeration principle of the device

1.3 试验方案及监测方案

整个模型试验分成两部分实施，首先开展地基基础体系的冻结试验。冻结过程中地基与基础顶部均为自由边界，冻结试验时间为7 d，依据相关气象资料，取样地点当年10月至次年3月日均气温为-28-1.5 ℃，因此本次试验的环境温度设定为-5，-10，-15 ℃三个梯度。试验目的是通过对比冻结前后地基和基础顶部冻胀位移的差异程度来分析基础的抗冻拔性能。其次开展冻结环境下模型基础的下压静载荷试验，试验目的是研究模型基础在地基冻结状态下的抗压承载性能。试验加卸载及终止条件参考相关规范要求[16]。

试验监测方案为：对于地基温度场的监测，在基础一侧每25 cm布置一列传感器，共计3列，每列传感器的间隔为20 cm，共计15个。此外在基础外另设一个环境温度传感器，以便观察步入式低温恒温单元温度的变化。冻结试验和下压试验中均在基础顶部两端分别放置一个位移传感器，然后在基础一侧以相等间距放置3个位移传感器，目的是监测地基和基础在冻结和加载过程中的位移变化，如图5所示。

图5 试验监测方案(尺寸单位：mm)Fig.5 Test monitoring scheme

2 地基冻结及基础冻拔特性分析

2.1 地基温度

图6为不同冻结环境温度条件下步入式低温恒温实验室内部的环境温度。可以看出，试验过程中环境温度基本保持在设计的-5，-10 ℃和-15 ℃水平，但存在一定的波动现象。原因在于步入式低温恒温实验室的恒温控制原理为位式控制法，目标温度设置为-5，-10 ℃和-15 ℃，但将回差温度设置为2 ℃，通过制冷系统的周期性启动和停机来实现环境温度的自动化控制，因此实际环境温度处于有限范围内的波动状态。

图6 不同冻结试验条件下的室内环境温度Fig.6 Indoor ambient temperature under different freezing test conditions

图7为冻结环境温度为-10℃条件下地基内部温度场的变化特征。可以看出，试验箱体内部土体温度呈逐渐降低的变化趋势，地基顶部土体降温最为显著，深部降温速率有所区别，但差异程度不大。在相同水平高度上，地基顶部温度随着与箱体壁面距离的增大呈现逐渐增大的趋势，基础顶部且紧邻箱体壁面的土体(传感器1-5)降温幅度最为显著，原因在于该位置土体与环境的热量交换效率最高。冻结环境温度为-5，-10 ℃和-15 ℃时，地基最终平均温度分别为-2.83，-6.34，-7.42 ℃，可以看出地基最终平均温度随着冻结环境温度的降低而降低，但降低幅度逐渐减小，说明土体尚未与室内环境达到热交换平衡状态。

图7 冻结试验(-10 ℃)中冻土地基温度场分布特征Fig.7 Temperature distribution of subsoil in freezing test of -10 ℃

图8～9分别为垂直向和水平向冻深及冻结速率时程曲线。从图中可以看出，随着冻结时间的不断累积，两个方向的冻深均逐渐增大，而冻结速率逐渐减小，最终趋于稳定。

图8 冻深及冻结速率时程曲线(垂直向)Fig.8 Time history curve of freezing depth and rate(vertical direction)

2.2 地基表面与基础顶部冻胀位移

图10为冻结试验过程中地基表面冻胀位移的变化特征。可以看出，地基冻胀随着冻结时间的增大呈现先逐渐增大，后逐渐稳定的变化规律，冻胀位移增大幅度逐渐减小。同时，不同位置的冻胀位移不一致，靠近基础附近的位移量相对较小，最终冻胀量约为0.62 mm；随着与基础距离的增大，冻胀量相对较大，约为1.05 mm。原因在于，当地基内部土质均匀且无其他构件时，地基相当于半无限的均匀体，地基的冻胀是均匀的，称为“自由冻胀”。当地基中部埋入基础后，由于土体冻结过程中的体积膨胀作用对基础产生土压力作用，基础周围地基土的冻胀则受到基础的反约束作用，导致非均匀冻胀现象，称为“约束冻胀”。地基土靠近基础越近，受到的基础约束作用越大，冻胀量越小。当超过一定距离时，则逐渐接近自由冻胀，传感器D1-1和D1-2的最终冻胀量趋于相等，均在1.0 mm附近，说明试验箱的尺寸不会对试验结果造成影响，不存在边界效应问题。

图9 冻深及冻结速率时程曲线(水平向)Fig.9 Time history curve of freezing depth and rate(horizontal direction)

图11为冻结试验过程中基础顶部冻拔位移的变化特征。可以看出，由于基础顶部无约束，相当于自由冻拔状态，基础顶部冻拔位移随着冻结时间的增大呈现先逐渐增大、后逐渐稳定的变化规律，冻拔位移增大幅度逐渐减小。基础的最大冻胀量约为0.50 mm。相比地基冻胀位移，冻拔位移量相对较小，说明新型锥台型装配式基础具有良好的抗冻拔性能。原因在于，锥台式构造可以削弱切向冻胀力的影响。

图10 冻结试验(-5 ℃)中地基表面冻胀位移Fig.10 Frost heave displacement of foundation surface in freezing test of -5 ℃

同时，相比冻土地基出现冻胀位移的时间，基础顶部冻拔位移的出现时间相对滞后。原因在于，在冻结试验初期，土体冻胀对基础产生的上拔力需先克服基础底部矩形底座和基础与地基之间的抗拔作用。尤其对于基础底部矩形底座而言，由于土体竖直向下的土压力作用，在冻结试验初期，基础有足够的锚固力抵抗上拔力。但是，当底座下部土体开始冻结膨胀之后，基础承受的竖直向上荷载逐渐增大。同时，对于冻结地层中的基础锥形表面而言，由于与周围土体胶结形成整体，随土体冻胀的发展向上移动，导致基础的上拔作用逐渐大于整体抗冻拔承载力，基础进而出现冻拔现象。

图11 冻结试验(-5 ℃)中基础顶部冻拔位移Fig.11 Freeze-drawing displacement at the top of foundation in freezing test of -5 ℃

2.3 地基与基础位移特性随温度的变化

不同冻结环境温度条件下的地基冻胀量如图12(a)所示。可以看出，地基最终冻胀量随冻结环境温度的降低呈现先增大、后减小的变化规律。原因在于，最终冻胀量包括含冰量和水分迁移量两个主要影响因素。其中，含冰量随着温度的降低而增大，含冰量的增大会提高冻胀量；但是对于水分迁移量，其随着冻结环境温度的降低而逐渐减小，因为冻结环境温度越低，冻结锋面的移动速度越快，水分迁移时间越短，因此水分迁移量越少，而水分迁移量越少越不利于冻胀量的增大。因此，随着冻结环境温度的降低，含冰量变化有利于冻胀量的增大，而水分迁移量变化不利于冻胀量的增大，两个因素作用比例关系会随着冻结环境温度的降低而改变，因此地基最终冻胀量不会随冻结环境温度的降低而呈现单调增大的规律，而是呈现先增大、后减小的变化规律。

图12(b)为不同冻结环境温度下基础冻拔位移量的变化规律。可以看出，与地基冻胀量的变化规律一致，基础最终冻拔量也随着冻结环境温度的降低呈现先增大、后减小的变化规律，但是冻结环境温度为-10 ℃和-15 ℃时的差异程度相对较小。原因在于，基础下部土体含冰量对其最终冻拔量的影响相对较大。

图12 不同冻结环境温度下地基和基础的最终冻胀量Fig.12 Ultimate displacements at the top of foundation and ground surface in different freezing tests

2.4 地基冻胀现象

图13为冻结试验过程中地基与基础表面的冻胀裂缝发育与分布特征。可以看出，在地基冻结过程中，随着地表冻胀位移的逐步增大，地表出现细微裂缝，除了大面积分布的龟裂缝之外，在冻结试验后期逐步形成数条裂缝宽度相对大、视觉相对显著的裂缝，并沿基础顶部矩形顶板向四周呈放射状分布。出现裂缝的原因在于，土中水冻结膨胀，体积增大9%，在受周围土颗粒约束的情况下就出现了膨胀力，即冻胀力，这种膨胀力有将紧挨着的土颗粒撑开的趋势。但是，是否能被撑开，以及撑开距离的大小与外界的约束条件有关。对于地表土体，由于边界自由无约束，因此在冻结过程中首先出现大面积分布的裂缝，然后随着冻胀力的增大，应力释放导致局部出现放射状裂缝。

图13 地基冻胀现象Fig.13 Frost heave phenomenon of subsoil

3 基础抗压承载性能分析

3.1 荷载-位移曲线

图14为不同冻结环境温度条件下的基础荷载-位移(Q-s)曲线。可以看出，Q-s曲线呈现缓变型，直至分级荷载加载到最后一级，Q-s曲线始终未出现明显转折点。原因在于，下压加载过程中，随着基础向下移动，一方面破坏了基础与周围土体的冻结胶结作用，不利于抗压承载性能的保持；另一方面，基础矩形底板下部土体不断压缩，密实度进一步提高，有利于提高抗压承载性能。因此，在基础下压荷载逐渐增大过程中，当土体与基础之间产生一定相对位移时，基础侧摩阻力可逐步发挥至极限值，但是基础底端阻力尚未到达极限值。

同时可以看出，随着冻结环境温度的降低，Q-s曲线逐渐向右侧移动，说明相同荷载对应的基础沉降位移量减小，即基础抗压承载力随着冻结环境温度的降低而逐渐增大。原因在于，基础与地基间的冻结力随着冻结温度的降低而增大，相应地基础结构的抗压承载力越大。

图14 不同冻结环境温度下的荷载-位移曲线Fig.14 Load-displacement curves after different freezing tests

3.2 抗压承载性能分析

依据相关文献[15]，取下压位移与基础宽度之比(s/B)为0.015时对应的荷载值为极限抗压荷载。试验结果为：冻结环境温度为-5，-10 ℃和-15 ℃时，基础极限抗压承载力分别为93.1，140.4，198.6 kN。

可以看出，基础极限抗压承载力随着冻结温度近似呈现线性增长的规律，冻结温度越低，地基抗压承载力越大。因此，冻土中基础结构的极限抗压承载力受土层温度变化的影响较大。随着冻结温度的降低，基础的极限承载力基本呈线性变化，变化速率约10.5 kN /℃，承载力与温度的关系有：Pu=38.68-10.5T，如图15所示。需要指出的是，实际应用中，当冻土温度降低至一定程度时，冻土中未冻水的含量减少缓慢，甚至没有变化时，基础承载力会达到极限。

图15 不同冻结环境温度下基础的极限承载力Fig.15 Ultimate bearing capacity of foundation after different freezing tests

3.3 基础破坏模式分析

图16为基础结构下压和地基破坏模式的现场情况。可以看出，在加载试验后期，相比地基，基础出现明显的相对下错位移。一方面，冻结试验过程中的地基冻胀裂缝出现宽度增大现象；另一方面，更为显著地是，沿基础四周均出现一条新的贯通性裂缝，宽度逐步增大，长度逐步延伸至箱体边界附近。

图16 加载试验过程中基础破坏特征(-5 ℃)Fig.16 Failure characteristics of foundation in loading tests(-5 ℃)

4 结 论

(1) 在冻结试验过程中，地基土体温度随着冻结环境温度的降低和冻结试验时间的增大而逐渐降低。地基冻胀量随着与基础距离的增大而增大，基础对地基冻胀变形具有限制作用。由于地基含冰量和水分迁移量对冻胀量的综合控制作用，地基最大冻胀量随着冻结环境温度的降低呈先增大、后减小的规律。基础冻拔量主要受基础底部土体冻胀率的控制，与地表冻胀量的变化规律一致。

(2) 不同温度环境条件下，基础的下压荷载-位移曲线呈现缓变型，直至分级荷载加载到最后一级，试验基础的荷载-位移曲线始终未出现明显转折点；随着冻结环境温度的降低，基础的荷载-位移曲线逐渐向右侧移动，说明随着温度的降低，在受到相同的下压荷载时，基础对应的沉降量逐渐减小，抗压承载力逐渐增大。

(3) 冻土地基中，试验基础的极限抗压承载力随着冻结环境温度的降低而呈线性增长规律，变化速率约为10.5 N/℃；冻土地基中基础的破坏是由温度应力与外加荷载共同作用所引起，下压荷载导致地表前期产生的冻胀裂缝进一步拓宽、延伸，最终在基础的四周出现贯通地基表面的的裂缝，导致地基基础体系发生破坏。