段輝順 毛 矛 劉生奎 戶世偉

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)公司甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 741000)

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輸電線路黃土地基濕陷性試驗(yàn)及工程特性評(píng)價(jià)★

段輝順 毛 矛 劉生奎 戶世偉

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)公司甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 741000)

以甘肅定西黃土作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)，對(duì)黃土的濕陷特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析，獲得了該地區(qū)黃土濕陷特性的工程影響深度，并結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果，提出了黃土地基中輸電線路桿塔基礎(chǔ)選型的原則、設(shè)計(jì)建議以及處理措施。

黃土，濕陷性，輸電線路，基礎(chǔ)選型原則

黃土是干旱半干旱區(qū)的沉積物，由于其特定的生成環(huán)境和存在的歷史環(huán)境，形成其明顯的柱狀節(jié)理和大孔隙結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性直接影響著黃土的力學(xué)性狀和工程性質(zhì)[1]。濕陷性是黃土的主要工程特性。所謂濕陷性是指在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著的附加下沉。根據(jù)外力的不同，又可分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。濕陷性黃土在我國(guó)分布很廣，主要分布在山西、陜西、甘肅大部分地區(qū)以及河南的西部。此外新疆、山東、遼寧、寧夏、青海、河北以及內(nèi)蒙古的部分地區(qū)也有分布，但不連續(xù)[2，3]。濕陷性黃土的最大特點(diǎn)是大孔隙，高壓縮性，遇水時(shí)土體急劇下沉。由于其上述特殊的物理力學(xué)特性，輸電線路運(yùn)行期間常常會(huì)發(fā)生塔基沉陷、斜坡滑塌等工程災(zāi)害，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

本文通過(guò)室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，對(duì)榆中車(chē)道嶺典型濕陷性黃土場(chǎng)地開(kāi)展黃土濕陷性試驗(yàn)，測(cè)得了場(chǎng)地黃土的濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)以及濕陷起始?jí)毫?shù)，對(duì)該黃土地基的濕陷性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并測(cè)得該黃土地基天然降水的臨界影響深度。相關(guān)研究成果可為該地區(qū)輸電線路桿塔地基基礎(chǔ)的勘察和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自甘肅省榆中縣車(chē)道嶺，地處隴西黃土高原丘陵區(qū)，地表黃土為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q3eol)，淡黃色，土質(zhì)均勻，大孔發(fā)育，具垂直節(jié)理，主要土性參數(shù)如表1所示。

表1 黃土的主要物性參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)采用直徑79.8 mm、面積50 cm2、高度20 mm大小規(guī)格的環(huán)刀分別在距地面1 m,2 m,3 m,4 m,5 m,6 m,7 m,8 m不同位置處采取環(huán)刀樣，備用。

1.2 濕陷系數(shù)

黃土的濕陷性試驗(yàn)在GJZ-3型中壓固結(jié)儀上進(jìn)行。首先按照5級(jí)加荷標(biāo)準(zhǔn)(12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa，)將試樣加荷至200 kPa，等試樣壓縮穩(wěn)定后，再浸水飽和，等到附加沉降穩(wěn)定后，試驗(yàn)終止。試驗(yàn)壓縮穩(wěn)定的判定標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)2 h的試樣下沉量不大于0.02 mm。

1.3 自重濕陷系數(shù)

本次試驗(yàn)采用單線法測(cè)定試樣的自重濕陷系數(shù)。測(cè)試步驟如下：選取6個(gè)均質(zhì)性好的環(huán)刀試樣，在天然濕度下按照6級(jí)加荷標(biāo)準(zhǔn)(12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa)將試樣加荷至400 kPa，等壓縮穩(wěn)定后，再對(duì)試樣浸水飽和，等到附加沉降穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)終止，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)同上。

1.4 天然降水侵蝕深度

天然降水的侵蝕深度通過(guò)土層的含水量沿深度的變化規(guī)律來(lái)反映，本次試驗(yàn)取樣深度為4 m，按照0.2 m的垂直間隔從地面開(kāi)始依次向下等間隔取樣，對(duì)取出的試樣采用酒精燃燒法測(cè)定其含水率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 濕陷系數(shù)

如圖1所示為黃土試樣壓縮變形隨時(shí)間的變化曲線。從圖1中可以看出，浸水前試樣在軸壓作用下壓縮變形穩(wěn)定的時(shí)間較浸水后濕陷變形穩(wěn)定時(shí)間要短；并且浸水后產(chǎn)生的濕陷變形量遠(yuǎn)大于浸水前的壓縮變形量，兩者相差近5倍。

如圖2所示為黃土試樣浸水前后的壓縮系數(shù)與取樣深度之間的關(guān)系曲線，從圖2中可以看出濕陷系數(shù)δs隨土層深度增加逐漸減小，而起始?jí)嚎s系數(shù)δp隨土層深度的增加先減小后增加。同時(shí)δs與δp的比率也隨深度增加而發(fā)生變化。臨近地面處，δs約為δp的2.5倍～5倍；隨著深度增加δs與δp數(shù)值逐漸接近。

圖3顯示了5 m深處試樣的濕陷系數(shù)垂直壓力—濕陷系數(shù)曲線(p—δs曲線)，p—δs曲線上，δs=0.015對(duì)應(yīng)的垂直壓力即為本層土自重濕陷壓力(psh)；上覆土層對(duì)本土層的飽和自重壓力對(duì)應(yīng)的濕陷系數(shù)即為本土層的自重濕陷系數(shù)δzs。

2.2 自重濕陷系數(shù)與濕陷起始?jí)毫?/p>

如圖4所示為濕陷系數(shù)δs和起始?jí)嚎s系數(shù)δp與垂直壓力p關(guān)系曲線，由圖4可知，隨著p的增加，δs逐漸增大，當(dāng)增加到一定值后開(kāi)始減??；而δp隨p的變化單調(diào)增加，初始時(shí)，δs遠(yuǎn)大于δp，隨著p的增加，δs與δp逐漸接近。

圖5和圖6分別為自重濕陷系數(shù)δzs與濕陷起始?jí)毫sh隨取土深度變化的關(guān)系曲線。由圖5和圖6可知，δzs與psh均隨取土深度的增加而增大，其變化關(guān)系滿足冪函數(shù)的變化特征。

2.3 黃土濕陷性與濕陷程度評(píng)價(jià)

分別對(duì)該場(chǎng)地0 m～8 m土層的自重濕陷量和濕陷量進(jìn)行計(jì)算，得出該場(chǎng)地修正后的自重濕陷量Δzs=498 mm，濕陷量Δs=1 266 mm，由此可判定出該場(chǎng)地為濕陷等級(jí)Ⅳ度(很?chē)?yán)重)的自重濕陷性黃土場(chǎng)地。

2.4 天然降水浸濕深度確定

本次試驗(yàn)的天然降水測(cè)點(diǎn)選在臨近750 kV輸電線路塔位中心樁的12°～19°的天然緩坡上。如圖7所示為天然降水條件下，2個(gè)不同月份地層含水量隨深度的變化規(guī)律曲線。由圖7可知，靠近地表處，地層含水量隨深度增加而急劇衰減，并在1.0 m深度處趨于穩(wěn)定；1.0 m深度以下，地層含水量緩慢浮動(dòng)但整體趨于穩(wěn)定。由此表明1.0 m為該處的天然降水的臨界影響深度。

圖8顯示了2012年度定西地區(qū)月平均降水量和累計(jì)降水量曲線。由圖8可知，圖7中所示的兩條含水量—深度曲線分別測(cè)定于月平均降水量較高和較低的月份，而累計(jì)降水量分別達(dá)到全年降水量的78%和98%。因此，圖7中所示的兩條含水量—深度曲線具有一定代表性，判定為0.8 m～1.0 m，在地形、地貌和蒸發(fā)條件下天然降水的臨界影響深度也具有一般性。

綜上所述，在工程中僅需對(duì)于1 m以內(nèi)的黃土地基考慮濕陷性對(duì)其工程特性的影響。

3 黃土地基桿塔基礎(chǔ)選型與地基處理建議

濕陷性黃土地基產(chǎn)生濕陷沉降的前提是浸水，本文的試驗(yàn)結(jié)果分析表明，即使針對(duì)濕陷性嚴(yán)重的黃土地基，天然降水的影響深度也是有限。因此，在工程中，應(yīng)結(jié)合黃土地基的工程特點(diǎn)，綜合考慮黃土地基的設(shè)計(jì)及處理：

1)根據(jù)場(chǎng)地的給水(地下水、雨雪降水、農(nóng)業(yè)灌溉等)和排水(地形、地貌)條件，選擇排水條件良好的地段作為桿塔地基，避免將塔位點(diǎn)選在具備匯水條件的地段；

2)優(yōu)先選用經(jīng)濟(jì)環(huán)保、抗拔承載力高的原狀土基礎(chǔ)，如掏挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)型式，慎用地基換填等處理措施；

3)對(duì)施工完畢的桿塔基礎(chǔ)，應(yīng)采取必要的地面防水和排水措施，避免黃土地基受到地表水的浸泡而產(chǎn)生濕陷。

4 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

1)試驗(yàn)結(jié)果表明：待研究場(chǎng)地0 m～8 m深度范圍內(nèi)，濕陷系數(shù)δs隨土層深度增加而減小，該深度范圍內(nèi)土層均為具有劇烈濕陷性的黃土；

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：待研究黃土地基濕陷起始?jí)毫sh和自重濕陷系數(shù)δzs均隨深度增加呈冪函數(shù)增大；

3)研究分析表明，待研究場(chǎng)地地基0 m～8 m范圍內(nèi)的自重濕陷量Δzs=498 mm，濕陷量計(jì)算值Δs=1 266 mm，地基濕陷等級(jí)為Ⅳ(很?chē)?yán)重)；

4)試驗(yàn)結(jié)果表明：待研究場(chǎng)地的天然降水的臨界影響深度位于1.0 m深度左右，即：工程中，僅需對(duì)1 m以內(nèi)的黃土地基考慮濕陷性對(duì)其工程特性的影響。

[1] 王永炎,林在貫.中國(guó)黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[2] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:418-432.

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[8] 陳廣峰,米海珍,韓志勇.蘭州Ⅲ級(jí)階地黃土濕陷性初步試驗(yàn)研究[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,27(2):77-81.

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Experimental investigation of loess collapsibility and engineering characteristic evaluation to loess foundation of transmission line★

Duan Huishun Mao Mao Liu Shengkui Hu Shiwei

(ChinaEnergyEngineeringGroupCompanyGansuElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Lanzhou741000,China)

The paper takes the loess located at Dingxi City, Gansu province as the research object, collapsibility parameters were tested through the soil test. Obtain the influence depth of loess on engineering design. Based on the test results, the footing type selection principle, design suggestions, and treatment measures to collapsibility loess of transmission line tower were proposed.

loess, collapsibility, transmission line, footing type selection principle

1009-6825(2017)09-0056-02

2017-01-18★:甘肅省電力設(shè)計(jì)院科技項(xiàng)目(GCB11201405872)

段輝順(1972- )，男，高級(jí)工程師

TU443

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