特变电工沈阳电力勘测设计有限公司110025
摘要：通过分析某光伏场地勘察和施工阶段不同时期的地质条件变化，得出了同一场地不同时期的不同地基土冻胀等级。从分析影响地基土冻胀的主要因素入手，提出了勘察建议。
关键词：桩基冻拔；影响因素
我国拥有丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔，光伏板自重荷载较小，对基础承载力要求较低，多采用短桩基础，然而在北方地区存在季节性冻土，因基础冻拔量太大导致光伏板参差不齐，影响采光和发电效率甚至导致光伏板断裂，准确判断地基土的冻胀性对于光伏板基础稳定和整个工程造价都影响重大。
1基础冻胀力分析
在季节冻土区，当土体温度下降到孔隙水结晶点时，原位水和外来迁移水冻结，开始出现冰晶体，发生膨胀，产生附加压力和变形，即为冻胀。作用于基础上的冻胀力主要分为3类，沿着基础周边表面向上作用的切向冻胀力，作用在基础侧表面、垂直基础侧表面的水平冻胀力，作用在基础底面、垂直于基础底面的法向冻胀力。
对基础产生上拔影响的主要为切向冻胀力，当土体与基础侧表面冻结在一起具有一定冻结强度时，土体向上膨胀运动以剪力形式传递给基础。切向冻胀力的产生须同时具备2个条件，土体具有冻胀性，土体与基础冻结在一起而产生冻结强度。
2工程实例
在辽宁省某光伏发电场区，拟建场地为湖积形成的低洼地，施工图勘察于5月进行，属枯水期，场地中心内有大面积滞水存在，地下水稳定水位0.6-1.2m，地下水类型为上层滞水。场地施工于次年6月进行，由于大气蒸发和地下径流等因素影响，场地内滞水消失，地下水位呈下降趋势。场地内地基土标准冻深为1.4m。
场地内地层见表2.1，淤泥质粉质黏土②层的土工试验结果分析见表2.2。
表2.1场地内地层结构表
表2.2土工试验结果表
根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011附录G，上述土样wp+9＜w≤wp+15，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离＜2.0m，判断淤泥质粉质黏土②层为特强冻胀土。
而在施工期间，由于地下水位下降，在即便不考虑土层含水量下降的条件下，地下水位距冻结面的最小距离＞2.0m，淤泥质粉质黏土②层可据此判断为强冻胀土，冻胀等级可下降一个级别。如果考虑土层含水量的降低，地基土的冻胀等级有可能进一步下降。由此带来的问题是，在此类地下水条件变化频繁复杂的地区，地基土的冻胀性评价以何种条件作为判断依据。
3冻胀性的影响因素
目前，对季节性冻土的冻胀性一般根据土的类别、天然含水量、地下水位和平均冻胀率等进行分级，对于同一场地，影响地基土冻胀性主要因素有两个，冻前含水量和地下水位。
3.1冻前含水量
土的冻胀主要是由于冻结前土中的非结合水引起的。试验与工程实践证明，只有当土中的水分超过一定界限之后才产生冻胀，通常将这个界限含水量称之为起始冻胀含水量。随着含水量的增大，土的冻胀率增大，冻胀性增强。土的含水量与冻胀率的关系为：
由上式可知，冻胀率的大小取决于土的天然含水量和塑限含水量。对于某一特定土，它的塑限含水量wp是确定的，因此冻胀率的大小就主要由土的天然含水量来控制。
3.2地下水位
土体发生冻胀的机理，主要是由于土层在冻结时，周围未冻区土中的水分向冻结区迁移、积聚所致。当大气负温传入土中时，土中的自由水首先冻结成冰晶体，弱结合水的最外层也开始冻结，使冰晶体逐渐扩大，于是冰晶体周围土粒的结合水膜变薄，土粒产生剩余的分子引力。另外，由于结合水膜的变薄，使得水膜中的离子浓度增加，产生了渗附压力。在这两种引力的作用下，下卧未冻区水膜较厚处的弱结合水便被吸到水膜较薄的冻结区，并参与冻结，使冻结区的冰晶体增大，而不平衡引力却继续存在。如果下卧未冻区存在着水源（如地下水位距冻结深度很近）及适当的水源补给通道（即毛细通道），能继续不断地补充到冻结区来，那么，未冻结区的水分（包括弱结合水和自由水）就会继续向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，在土层中形成冰夹层，土体随之发生隆起，出现冻胀现象。
土体在冻结过程中不会导致地下水迁移补给造成冻胀的最小距离，用土体冻结锋面至地下水位间的最小垂直距离来判断。影响地基土冻胀性的地下水临界深度，黏土、粉质黏土为1.2-2.0m，粉土为1.0-1.5m，砂土为0.5m。
4勘察建议
冻胀是土体在同时满足物质条件、温度条件和水分条件时，产生的一种物理变形。对同一块场地来说，水分含量的变化直接决定着场地土体的冻胀性等级。因此，建议从以下两方面进一步加深勘察工作：
4.1冬季冻结前进行补充勘察
规范中要求判断地基土冻胀性的土层含水量、地下水位等数据均是土体冻结前数据，而在实际工作中多数是用勘察期间的数据来判断地基土冻胀性，在地下水位变化频繁场地，勘察期间土层含水量和地下水位均高于冻结前，造成地基土冻胀等级高于实际条件，致使工程造价增加。
4.2从整个工程寿命周期考虑场地土冻胀性的变化
勘察时应注意与水文气象工作相结合，从工程寿命周期内地下水位变化规律方面加以考虑。对地下水位频繁变化场地，考虑历史重现期，侧重调查地下水位变化规律，尤其是地下水补给条件的调查，结合建筑物等级从整个工程寿命周期内来考虑地基土冻胀性的变化，避免勘察时地下水处于低水位时期，致使地基土冻胀等级判断过低的情况发生。
随着光伏发电工程的发展，越来越多的渔光一体化项目出现，光伏场区建设在水库浅滩上，准确判断地基土的冻胀性，在保证基础稳定和控制工程造价寻找最佳契合点，是勘察和设计工作面临的重要工作。
参考文献：
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[5]GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
作者简介：
张国俊（198206），男，籍贯辽宁，硕士，工程师，岩土工程勘察方向