1、冻土简介

冻土是温度等于或低于0℃且含有冰的各类土体。它既具有一般土类的共性，又是一种为冰胶结而具有特殊性质的多相复杂体系，与其它土类相比较，其最大的特点就是在热力学方面的不稳定性。

多年冻土具有热稳定性差、厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大、对气候变暖反应极为敏感以及水热活动强烈等特性，因而线路沿线容易出现地基土冻胀、融沉问题，并伴随有冰锥、冻胀丘、厚层地下冰、热融滑塌和热融湖塘、冻土沼泽以及融冻泥石流等不良冻土现象的威胁。同时，由于目前正处于全球气候变暖期，这将导致多年冻土区地温的变化，会使冻土的分布规律和特性发生改变，同时导致与地温有关的多年冻土的力学性质，如土体的冻胀和融化压缩特性、土的冻结强度和冻结力、冻土承载力、冻胀力、冻土蠕变都将发生相应的变化，会给路径选择优化、塔基定位、基础设计以及施工、运行线带来一系列难题。

2冻土区的工程地质问题 2.3冻胀问题

冻胀是指在土体冻结过程中由于土中水分冻结而产生土体体积膨胀的现象。冻胀作用产生的切向力，会对基础产生冻拔作用，其主要危害是将铁塔基础拔起，导致基础失去稳定性。冻胀作用产生的水平冻胀力，当基础两侧冻胀力不平衡时，会产生水平推力，造成线路基础发生水平位移或倾斜。

2.3融沉

融沉是指厚层地下冰及高含冰量冻土层，在地温升高或人工活动影响下，发生融化下沉的现象，其主要危害是造成铁塔基础发生不均匀沉陷或倾覆破坏。

2.3流变移位问题

冻土流变包括冻土蠕变和冻土应力松弛两个方面。前者指应力不变时变形随时间的发展，后者指应变不变时应力随时间的衰减。冻土中的冰对其流变性起主

导作用，冻土中含冰量愈大，则流变性愈强。冻土的流变移位问题对基础的影响常表现为使基础发生倾覆、剪切及扭转变形。

3基础设计 3.1 工程前期科研工作 3.1.1科研课题的开展情况

工程启动之初，国家电网公司极其重视，委托西北电力设计院开展了“高海拔多年冻土地区基础选型及设计研究”科研课题研究工作。课题包括基础选型研究，基础设计研究，锥柱、管桩基础现场试验，预制装配式基础力学性能试验这几个部分。

(1)基础选型研究的主要目的是针对高海拔冻土地区的冻土特点，选择合适本工程的基础型式，既能保证基础的可靠性、安全性，又能保证长期运行期间的稳定性，同时还要考虑经济性和施工便利性。

(2)基础设计研究的主要目的是在基础选型的基础上，对已选的基础型式进行进一步的研究，优化基础尺寸，改善基础体型设计，使得已选的基础型式更加适合于青藏高原的多年冻土特征，施工更加便利快捷，运行更加安全可靠。

(3)锥柱、管桩基础现场试验主要通过现场真型试验对锥柱和管桩这两种型式基础在冻结期和融化期的承载力特性进行研究。从而检验高海拔多年冻土地区锥柱基础的受力性能，破坏机制，为施工图阶段的基础设计提供参数。

(4)预制装配式基础力学性能试验主要是通过试验研究预制装配式基础的力学性能，连接件强度，装配式组合部件的协同工作能力，检验设计的预制装配式基础的安全可靠性。

《高海拔多年冻土地区基础选型及设计研究》课题于2008年8月顺利完成评审验收。

3.1.2研究成果

《高海拔多年冻土地区基础选型及设计研究》科研课题取得了以下研究成

果：

（1）为青藏直流输电线路工程推荐了合理基础型式

基础设计在非冻胀区以扩展柔板基础为主；部分地质条件较好，能掏挖成形的地段采用掏挖基础；地质条件较好（基岩类）、基础露头较大、边坡比较紧张的地段可采用掏挖桩基础；在交通便利、运输和吊装比较便利的多年冻土地区采用预制装配式基础；在冻胀力较强、地基较为稳定的多年冻土地区采用锥柱基础；在饱冰、含土冰层等不良多年冻土地区以及跨河、漫水、地下水较浅的地区，采用灌注桩基础。

（2）提出了多年冻土区地基基础的设计原则及优化设计方法。

季节性冻土以融化状态用作地基，在施工和使用期间，地基土按处于融化状态考虑。多年冻土以冻结状态用作地基，在施工和使用期间，地基土始终保持冻结状态。多年冻土基础底面埋深至设计最大融化深度之下。对不同的基础型式提出了不同的优化设计方法。编写了预制装配式基础的计算程序。提出了消除法向冻胀力和切向冻胀力的措施。

（3）、首次研究设计了适合于高海拔多年冻土地区的预制装配式基础 装配式基础可以减少施工对多年冻土的扰动，提高机械化作业水平，降低劳动强度，在负温条件下可以保证混凝土质量。装配式基础的研究和设计经历了多个方案比较、分析和筛选，并经过多次讨论会最终确定。通过真型力学性能试验研究验证了其安全可靠性，并通过在拉萨段和青海段现场吊装试验验证了安装的可行性，后续经过多次修改，增强了安装的便利性和可操作性。

（4）、首次在高海拔多年冻土区进行了锥柱基础的真型试验。

在世界上首次在高海拔多年冻土区进行了直流输电高电压等级的锥柱基础真型试验。试验成果为青藏高原高海拔多年冻土区基础选型和设计提供了较为真实的第一手资料。

（5）、对高温高含冰量冻土地区的塔基采用热棒主动冷却方式降温。 对高温高含冰量细粒土等地基不稳定的多年冻土地区的塔位地基采用热棒

主动降温可有效地防止多年冻土融化，降低多年冻土地基的温度，提高多年冻土地基的稳定性，保证线路地基长期稳定运行。

3.2 影响线路基础设计的主要因素

影响线路基础设计的因素较多，除常规的线路基础设计影响因素外。在多年冻土地区主要有活动层的季节冻结和季节融化深度和强度、多年冻土上限埋深、含冰量、地层岩性和颗粒组成等。归结起来大致有三类主要影响因素：一是冻胀；二是融沉；三是埋深。

3.2.1线路基础设计的主要问题

线路基础在承受拉/压荷载作用的同时，也承受着较大的水平荷载作用。因此线路基础主要问题表现在：

（1）、上拔失稳

基础上拔失稳指基础上拔承载力不足，主要表现在基础脱离土体甚至被拔出。

（2）、下压失稳

基础下压失稳指基础抗压承载力不足，主要表现：地基土产生不均匀沉降，主要原因有地基承载力不足，基础底面地基土压缩性较大。

（3）、倾覆失稳

基础受水平荷载作用时，在地基受影响范围内，基础两侧被动土抗力产生的平衡力不能保持基础稳定时，基础发生倾覆失稳。

3.2.2本工程的基础特殊性

由于冻土地基特性，本工程线路冻土地区塔位基础存在以下特殊性： （1）、冻胀：冻土冻胀发生时，冻土对基础作用主要分为两部分，其一，由于冻结作用使土体积变化，对基础侧面产生切向冻胀力，影响基础的竖向承载力，可能引起基础上拔失稳。其二，基础底面臵于活动层时，基底土体冻胀会对基础