【摘要】：冻土地区的阀室建设中，冻土的融沉将对埋设于其中的阀墩和管墩基础产生冻胀力，影响管线的运营安全。文章依据实践经验，根据冻土特性，详细分析了冻土地区阀室管墩、阀墩基础的设计过程及设计、施工中应注意的事项。

　　【关键词】：多年冻土，冻胀力，阀室，管墩基础，防治措施

　　1 前言

　　涩宁兰输气管道复线工程起自青海省柴达木盆地涩北气田，东至甘肃省兰州市，线路呈西东走向，线路长度约909.33㎞，其中多个阀室坐落在海拔3800米左右的多年冻土地区，在季节融化层冻结过程中，将对埋设于其中的阀墩和管墩基础产生冻胀力，在冻胀力的作用下，导致基础冻胀上隆，上部管线由此出现整体或局部抬起，直接影响管线的运营安全，为此，减小和避免冻土地基对基础的影响成为冻土地区阀室基础设计、施工的重中之重。

　　2 冻土的分类与特性

　　2.1 冻土的分类

　　冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含具有流变性特征，其长期强度远远低于瞬时强度。作为建筑物地基的冻土，根据持续时间可以分为三类：(1)瞬时冻土，冻结时间小于一个月，一般为数天或几个小时(夜间冻结)，冻结深度从几毫米到几十毫米;(2)季节冻土，冻结时间等于或大于一个月，冻结深度从几十毫米到1～2米，它是每年冬季发生的周期性冻土;(3)多年冻土，冻结时间连续三年或三年以上。

　　2.2 冻土的特性

　　冻土的特性之一是冻胀，在地温低于0℃以下时，由于土壤内水分的存在，将发生冻结，水冻结时体积增大8%左右，这就造成了土体积的膨胀;冻土的特性之二是融沉，当地温升高，土壤内各种冻结水融化解冻，冻土体积减小即发生沉陷。要处理冻土上的基础，首先就要了解土壤的冻胀性。土壤冻胀性与土壤类型及其含水量有关。一般岩石、碎石、中粗砂由于其颗粒构造致密，颗粒中无分子水的存在，颗粒本身在冻胀时不发生体积膨胀，所以为非冻胀性土壤。粉细砂由于其颗粒很小，表面积很大，能吸附大量水分子，当含水量小时(w<14%)，可不考虑其冻胀性，但随着含水量的增加，就表现出弱冻胀性—冻胀性—强冻胀性。粘性土则完全是冻胀性土壤，因为其颗粒更细，分子水，吸附水和其它游离水的冻结，都将引起土壤体积的膨胀，其冻结性与含水量有关，当含水量w很小时(w

　　3 承载力设计

　　由于地基最大融化深度范围内，存在融沉夹层的地基，故采用保持冻结状态的设计方法。

　　(1)在中心荷载作用下，P≤f，其中P为基础底面平均压力(kPa)，f为地基承载力设计值(kPa)(不进行深宽修正)，按表1的规定确定，计算时按JGJll8—98的附录A，A.0.1中的说明加以修正。当为中心荷载作用时，基础底面的压力公式P=(F+G)/A，其中F为上部传给基础顶面的竖向力设计值(kN)，G为基础自重和基础上的土重设计值(kN)，A为基础底面积(m2)。

　　表1 冻土承载力设计值

　　土种类

　　不同温度下的承载力设计值/kPa

　　-0.5℃

　　-1.0℃

　　-1.5℃

　　-2.0℃

　　-2.5℃

　　-3.0℃

　　碎、砾石类土

　　800

　　1000

　　1200

　　1400

　　1600

　　1800

　　砾砂、粗砂

　　650

　　800

　　950

　　1100

　　1250

　　1400

　　中砂、细砂、粉砂

　　500

　　650

　　800

　　950

　　1100

　　1250

　　粘土、粉质粘土

　　400

　　500

　　600

　　700

　　800

　　900

　　(2)偏心荷载作用时，还应符合Pmax≤1.2f，其中Pmax为基础底面边缘的最大压力设计值(kPa), Pmax=(F+G)/A+(M-Mc)/W，Pmin =(F+G)/A-(M-Mc)/W,其中Pmin为基础底面边缘最小压力设计值(kPa)，M为作用于基础底面的力矩设计(kN·m)，W为基础底面抵抗矩(m3)，Mc为作用于基础侧表面与多年冻土的切向力所形成的力矩的设计值(kN·m)。切向力所形成的力矩Mc=fch0bL(b+0.5L)，其中fc为冻土与基础侧表面的冻结强度设计值(kPa)，见JGJll8—98附录A, h0为基础侧表面与多年冻土冻结的高度(m)，b为基础底面的宽度(m),L为基础底面平行力矩作用方向的边长(m)。

　　4 基础埋深设计

　　(1)季节冻土地基：基础埋深应达到冻结线并符合设计冻深的要求，即设计冻深：

　　，其中为标准冻深， 分别为土质、湿度、周围环境、地形对冻深的影响系数，见规范表。施工时，基槽底部不宜留有冻土层。

　　(2)多年冻土地基：基础的最小埋深应根据土的设计融深确定，即设计融深：，其中为标准融深，分别为土质、湿度、覆盖、地形对融深的影响系数，见规范表。标准应根据当地实测资料确定，亦可按公式计算，即青藏高原地区：，其中为融化指数的标准值(℃·m)，青海地区：(℃·m)，其中L为L为纬度，H为海拔。然后根据规范JGJll8—98中的表5.2.2-1确定基础埋深设计的计算取值。

　　5 基础设计及施工中的注意事项

　　(1)多年冻土地区的基础下应设置由粗颗粒非冻胀性砂砾料构成的垫层。垫层厚度不应小于300mm，并应根据多年冻土地区所采用的设计状态确定。当在独立基础下设置时，垫层的宽度和长度应按下列公式计算： ;。其中、分别为垫层和基础底面的宽度(m)，、分别为垫层和基础底面的长度(m)，为垫层的厚度。垫层应分层夯实，并应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》的规定。当按允许地基土逐渐融化和预先融化状态设计时，应满足垫层下冻土融化后的承载力要求。

　　(2) 管墩、阀墩基础采用低水化热水泥，降低混凝土水化热，从而降低对基底冻土的扰动;防止地表

　　水流入基坑，以防地表水将热量带入基坑，降低对基底冻土的扰动;采用负温、早强、耐久混凝土浇注，并严格控制混凝土的入模温度。

　　(3)基础侧面涂刷lOmm厚硫酸铬铁盐渣油，以减小切向冻胀力影响;基础四周侧面回填砂砾石，200mm宽，以减小冻胀横向冻胀力。

　　(4)管墩基础一般先于管沟开挖完成，当开挖管沟时要及时对管墩的临管沟面做粘砌石护坡，且护坡厚度不小于0.5m;铺设主管线后要及时对管线做好保温防腐工作，对不影响下一步安装工作的部分管沟要及时回填，减少管沟暴露时间;加强遮阳措施，搭设遮阳雨棚，充分利用低温时间，减少太阳辐射对基底冻土的热扰动。

　　(5) 当地基承载力不能满足要求时，浅基础底面以下可挖至冻结线，夯填砂砾石，既起缓冲作用又能提高地基承载力。

　　(6)施工季节宜选择寒季末、暖季初或暖季末寒季初，尽量降低周围环境热量对基底冻土的扰动。

　　参考文献

　　[1] JGJll8—98,冻土地区建筑设计基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,1998.

　　[2]吉延峻,金会军,张建明,何乃武,中俄原油管道沿线典型土样冻胀性试验研究.冰川冻土,2008,30(2):298～300.

　　[3] 靳德武,青藏高原多年冻土区斜坡稳定性研究.博士学位论文,2004.