程永鋒，丁士君

（中國電力科學研究院 輸變電工程力學研究所，北京 100055）

1 引 言

我國沙漠和沙漠化土地總面積約157×104km2，占國土面積的 16%，其中沙漠總面積為 80.89×104km2，主要分布在新疆（58.9%）、內蒙古（29.9%）等省[1]。隨著我國電網建設的快速發(fā)展，穿越沙漠地區(qū)的架空輸電線路越來越多。沙漠地區(qū)主要采用開挖回填式基礎，在現(xiàn)行《架空送電線路基礎設計技術規(guī)定》[2]中，上拔穩(wěn)定性設計計算一般采用土重法。但由于有關研究和現(xiàn)場真型試驗數據較少，以及各地風積沙的基本性質的差異，上拔角的選取難以把握，尤其對沙漠地區(qū)大載荷作用下的桿塔基礎國內外相關規(guī)程中都沒有明確規(guī)定[2]。國際著名設計咨詢機構ABB公司在進行非洲蘇丹MEROWE DAM 1300多公里的輸電線路設計中，對穿越沙漠地區(qū)的各種線路基礎，進行了基礎試驗，取得主要設計參數，并把試驗成果作為基礎設計的主要依據[3]。

在沙漠地區(qū)，為了減少基礎施工中大量的沙石料運輸以及解決用水困難等施工問題，采用裝配式基礎。但輸電線路工程裝配式基礎應用較少，尤其缺少沙漠地區(qū)基礎的設計依據[3－4]。劉文白等[5]通過模型和現(xiàn)場試驗研究了沙漠地區(qū)鐵塔基礎的拉拔試驗，但沒有考慮到拉拔-水平組合荷載工況。筆者所在的科研團隊也對風積沙地基斜柱基礎進行了上拔與水平組合荷載作用的試驗，但未考慮下壓-水平組合荷載的作用，研究成果也不一定適用于裝配式基礎[6－8]。由于水平荷載和上拔、下壓荷載的組合是沙漠地區(qū)輸電線路基礎設計的重要影響因素，有必要針對這個特點，開展垂直與水平荷載聯(lián)合作用下的裝配式基礎試驗研究，為沙漠地區(qū)輸電線路裝配式基礎的設計和優(yōu)化提供技術支持，從而保證線路的施工建設順利開展和安全穩(wěn)定運行。

2 工程概況[3]

線路工程自臺遠220 kV變電站出線至擬建的塔中220 kV變電站止，所經地域大部分為沙漠及沙丘，線路基本沿沙漠公路走線（見圖 1），平行沙漠公路穿行沙漠地段約167 km。

圖1 線路路徑走向Fig.1 Direction of transmission line

工程沿線地貌單元主要為山前沖洪積平原、沖積平原、塔克拉瑪干沙漠，地形起伏較大。所經沙漠的特點是：顆粒極細，極為干燥，質地松散、穩(wěn)定性差。因顆粒細，該沙漠的漂浮物在空中移動距離最長。線路所經地區(qū)僅在沙漠低洼地段分布有少量植被，絕大部分為風積沙形成的移動沙丘。風積沙地基常年飽受頻繁的風力搬運作用，沙體流動性大，因此，風積沙地區(qū)輸電線路桿塔基礎工程建設具有其特殊性和復雜性。

3 風積沙地基裝配式基礎真型試驗

3.1 試驗場地和試驗內容

針對220 kV臺遠－塔中輸電線路途徑塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的特點，在該線路所經地段選取了代表性試驗點（見圖2）進行3個（編號分別為：ZX1、ZX2和ZX3）單腿裝配式基礎真型載荷試驗，其中，2個開展上拔與水平荷載組合（加載條件以下簡稱：上拔工況）、選擇1個開展下壓-水平荷載組合工況試驗（以下簡稱：下壓工況）。

裝配式基礎結構與底板組裝見及見圖 3，其中底板上部支架采用角鋼組裝，底板由10根鋼筋混凝土板條和2根鋼筋混凝土橫擔組成。試驗場地位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，為風積沙地基，分布有移動式或半移動式沙丘，風積沙層厚超過5 m。

圖2 基礎試驗場地Fig.2 Test site of transmission line foundation

圖3 裝配式基礎結構與底板組裝簡圖Fig.3 Assembly foundation structure and assembly of foundation plate

在加載過程中，現(xiàn)場采集的數據有：基礎作用外荷載，包括各種工況下，對基礎頂部作用的豎向荷載（上拔或下壓）和 X、Y向水平荷載；基礎頂部位移；基礎鋼支架的應力和底板與上部風積沙地基間壓力測試。

針對ZX1和ZX2試驗基礎，鋼支架應變測點和底板與地基接觸面處土壓力盒測點布置如圖4所示。

3.2 載荷試驗加載系統(tǒng)

通過試驗加載設備、反力裝置和反力基礎提供試驗基礎的作用力，并進一步達到試驗預定值，為了保證試驗全過程中能夠準確地模擬輸電線路桿塔基礎的實際工作性狀，試驗中首先采用豎向力和橫、縱向水平力在每一個荷載工況中都按相同的荷載比例同時加、卸載。

基礎豎向上拔加載系統(tǒng)如圖5所示，其中，鋼梁反力支座采用枕木和木板調節(jié)高度，支撐于風積沙地基，千斤頂和油路系統(tǒng)施行局部加載，反力支座凈距應大于8 m。

圖4 地基與基礎內力測點布置圖（單位：mm）Fig.4 Internal force measuring points of ground and foundation (unit: mm)

圖5 基礎試驗豎向上拔加載系統(tǒng)Fig.5 Uplift load system of foundation test

基礎試驗豎向下壓加載采用堆載法，其加載系統(tǒng)如圖6所示。其中，鋼梁支座與上拔加載裝置相同，采用枕木和木板調節(jié)，堆載配重就地取材，利用風積沙袋堆積，千斤頂和油路系統(tǒng)實現(xiàn)試驗逐步加載的控制。

基礎試驗中橫向、縱向水平力均采用水平反力地錨地基作為反力基礎，由手拉葫蘆通過滑輪（組）施加，并由拉力傳感器顯示荷載值，從而實現(xiàn)對施加荷載大小的顯示與控制，X、Y向加載方式相同，但相互獨立，加載系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 基礎試驗豎向下壓加載系統(tǒng)Fig.6 Pushdown load system of foundation test

圖7 水平加載系統(tǒng)示意圖Fig.7 Horizontal load system of foundation test

本次試驗中基頂荷載和位移的測試，不僅是試驗分析數據的重要部分，又是試驗基礎加載的控制前提，根據測試結果和加卸載方案，來決定對加卸載的控制，包括豎向加載控制和水平加載控制。

4 真型試驗結果

4.1 荷載試驗

上拔工況下，ZX1和ZX3基礎的上拔、X和Y向水平試驗荷載與位移實測曲線見圖 8。下壓工況下，ZX2基礎的下壓、X和Y向水平試驗荷載與位移關系曲線見圖9。

從圖上分析可以看出：①當上拔荷載較小時，外荷載逐步克服基礎自重，基底逐漸與板下地基脫離，基頂位地基土位移曲線基本呈線性比例變化；②試驗基礎的上拔荷載與水平位移關系曲線表現(xiàn)為陡降型，存在明顯的陡降拐點，而下壓工況下豎向、水平向的荷載與位移關系近似線性；③無論下壓工況還是水平工況，基礎各向的臨塑和臨界荷載對應的位移均大于常規(guī)現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎，主要是由于基礎結構的裝配所造成。

試驗中在 ZX1基礎加載后期發(fā)生底板與鋼支架連接螺栓斷裂現(xiàn)象導致破壞。根據荷載與位移關系曲線，結合試驗加載中地基與基礎的表現(xiàn)特征，確定試驗基礎承載力如表1所示，其中，ZX1和ZX3基礎承載力分別由荷載與位移關系曲線陡降點和極限位移25 mm對應取值，ZX2基礎由最大穩(wěn)定加載取值。

圖8 基礎上拔工況試驗荷載與位移關系曲線Fig.8 Displacement vs. load under uplift condition

圖9 基礎下壓工況荷載與位移關系曲線Fig.9 Displacement vs. load under pushdown condition

表1 試驗基礎極限承載力Table 1 Limited bearing capacity of test foundations

抗拔角為抗拔倒錐體表面與垂直面的夾角，其大小反映了地基土體抗拔承載性能，隨土質條件不同而改變。目前風積沙地基的上拔角取值國內外相關規(guī)范還沒給出明確的規(guī)定[7]。

根據土重法，地基土體破壞面可近似簡化為倒錐體側面，在基礎達到破壞時，上拔荷載由抗拔土體和基礎重量平衡（計算示意見圖10），上拔極限承載力Rc可以表示為

式中：W 為抗拔土體重量（kN），該值由基礎尺寸和上拔角決定；Qf為上拔部分的基礎重量（kN）。具體計算公式可見文獻[2]，此處不列出。

圖10 抗拔計算示意圖Fig.10 Schematic diagram of anti-pulling calculation

對于上拔工況應考慮水平荷載對上拔穩(wěn)定性的不利影響，采用水平力影響系數反映該特征，水平合力與上拔力的比值為0.15，由于無立柱不考慮地基土對立柱的水平抗力，影響系數依據參考文獻[2]按低值取為0.9，根據確定的基礎極限承載力，通過式（1）計算可得到風積沙地基上拔角為19.5°。風積沙按常規(guī)顆粒進行分析可歸類為細砂，據此按文獻[2]取 26°，因此，按規(guī)范設計裝配式基礎，是偏于冒險的。

4.2 基礎構件應變測試

輸電線路基礎在運行過程中，承受的水平荷載相對其他建筑物和構筑物是比較大，裝配式基礎的各角鋼構件受力很復雜?？紤]角鋼在荷載作用下，處于彈性狀態(tài)下，根據試驗所測應變值按照式（2）計算鋼筋應力：

式中：σ為鋼筋應力（MPa）；E為鋼筋彈性模量，取E=210 GPa；ε為鋼筋應變值。

根據布置在基礎角鋼支架上的應變測試結果，基礎上拔荷載和下壓荷載條件下，試驗角鋼支架應力-荷載關系曲線分別見圖11和圖12，其中DJ為支架底板測點。

從圖11和圖12分析可以得出：①各測點的基礎構件應變-荷載關系曲線表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致。②基礎角鋼支架測點中部分點超過鋼材抗拉強度對應應變（取10-3），在試驗荷載小于基礎極限荷載作用時，應變大于10-3的測點均位于與板條連接的支架腳板上，可采取加厚或加肋板的形式補強。同時，考慮在基礎構件組裝過程中，螺桿無法擰緊，可能導致腳板約束較小而造成強度不足，宜調整板條與支架連接螺桿的安裝方式，并采用標準件螺桿。③角鋼支撐各測點應變滿足要求。

圖11 基礎上拔荷載試驗角鋼支架應力與荷載關系Fig.11 Relationships between stress of supporting frame and load under uplift load

圖12 基礎下壓荷載試驗角鋼支架應力與荷載關系Fig.12 Relationships between stress of supporting frame and load under pushdown load

混凝土板條應變測點布置于基礎底板上表面，其應變隨荷載變化關系曲線見圖13。

ZX1基礎加載后期由于底板與鋼支架連接螺栓斷裂，導致混凝土局部應變異常。上圖分析可以看出：部分混凝土應變測點在大荷載時，混凝土應變超過其開裂應變（一般取10-4），考慮板條可帶裂縫工作，綜合其他測試分析，混凝土板條滿足要求。

圖13 基礎混凝土板條應變與荷載關系曲線Fig.13 Relationships between strain of concrete strip and load

4.3 基礎底板與風積沙地基間壓力測試

為反映加載過程中基礎-風積沙接觸面上的土壓力分布以及變化情況，根據本次試驗基礎型式、加載工況、地基與基礎間作用力等特點，土壓力盒測點布置見圖 4，實測土壓力隨荷載變化情況見圖14。

因連接螺桿斷開，ZX1基礎與地基間局部壓力異常。從圖14分析可以看出，當外荷載較小時，基底壓力基本上呈線性變化，隨荷載增大表現(xiàn)出非線性變化關系。

綜合基礎構件內力和地基與基礎間作用力測試結果，表明試驗條件下基礎混凝土板條滿足下壓承載要求?；A在承載過程中，無論是對上拔穩(wěn)定，還是對傾覆穩(wěn)定和下壓穩(wěn)定，基礎底板均發(fā)揮了重要作用。

圖14 基礎豎向荷載與基底壓力關系Fig.14 Foundation pressure vs. vertical load

5 結 論

（1）在上拔和水平組合荷載作用下，沙漠地區(qū)裝配式基礎的上拔極限承載力小于規(guī)范確定的承載力量值，若按規(guī)范設計裝配式基礎，是偏于冒險的。

（2）裝配式基礎最不利受荷工況為上拔-水平荷載復合作用，上拔穩(wěn)定是基礎設計的主要控制條件，應合理考慮水平荷載對上拔穩(wěn)定的影響。

（3）沙漠風積沙地區(qū)輸電線路裝配式基礎抗拔承載力的計算中，上拔角可取20°。

（4）試驗結果表明，基礎角鋼支架腳板鋼材和板條連接螺栓應加強，以增加角鋼支架底部的約束，減少其不均勻受力，其他部分鋼材和混凝土均滿足強度要求。

[1]吳正. 風沙地貌學[M]. 北京: 科學出版社, 1987.

[2]東北電力設計院. DL/T5219－2005. 架空送電線路基礎設計技術規(guī)定[S]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[3]丁士君, 魯先龍. 臺遠-塔中220 kV送電線路沙漠風積沙地基桿塔基礎試驗[R]. 北京: 中國電力科學研究院,2009.

[4]國網北京電力建設研究院. ± 500kV 直流輸電線路工程沙漠地區(qū)基礎試驗研究報告[R]. 北京: 國網北京電力建設研究院, 2008.

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