魯先龍，丁士君，楊文智，鄭衛(wèi)鋒

(中國(guó)電力科學(xué)研究院， 北京 100192)

沙漠風(fēng)積沙地基擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

魯先龍，丁士君，楊文智，鄭衛(wèi)鋒

(中國(guó)電力科學(xué)研究院， 北京 100192)

通過(guò)在新疆、寧夏和內(nèi)蒙古典型沙漠地區(qū)完成的現(xiàn)澆混凝土和裝配式2種擴(kuò)展基礎(chǔ)在上拔、上拔與水平力組合工況下的25個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了風(fēng)積沙擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線，并確定了各試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔極限承載力。按照“土重法”計(jì)算原理，得到了反映沙漠風(fēng)積沙地基抗拔承載性能的極限“上拔角”。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得到沙漠風(fēng)積沙極限“上拔角”標(biāo)準(zhǔn)值為16.8°，該值考慮了沙漠風(fēng)積沙的區(qū)域特征、基礎(chǔ)型式與尺寸、荷載工況等因素，可為沙漠地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

沙漠；風(fēng)積沙；抗拔；擴(kuò)展基礎(chǔ)；上拔角；輸電線路

我國(guó)是世界上沙漠分布最多、沙漠化危害嚴(yán)重的國(guó)家之一[1-2]，從西北、華北到東北西部形成了一條弧形沙地和沙漠帶，面積達(dá)70多萬(wàn)km2。沙漠地區(qū)降水稀少、氣候干燥、地面溫度高、晝夜溫差大、風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，屬于一種極端環(huán)境。此外，沙漠地基性質(zhì)特殊，砂石料、水等建筑材料匱乏。因此，沙漠地區(qū)工程建設(shè)難度大，過(guò)去常被視為生命和工程建設(shè)禁區(qū)。但隨著我國(guó)“一帶一路”和西部開發(fā)等國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施，越來(lái)越多輸電線路工程需建設(shè)在沙漠地區(qū)。

風(fēng)積沙是沙漠和沙地的主要組成物質(zhì)，是干旱、半干旱氣候環(huán)境下形成的一種特殊地質(zhì)材料[3]。我國(guó)沙漠地區(qū)電網(wǎng)輸電線路桿塔基礎(chǔ)工程建設(shè)中都堅(jiān)持“就地取材”原則，將風(fēng)積沙作為地基土體。然而，對(duì)于輸電線路桿塔基礎(chǔ)而言，抗拔承載性能通常是其設(shè)計(jì)控制條件[4]。由于風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散、無(wú)黏聚力、抗拔承載性能和穩(wěn)定性差，這就使得沙漠地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)工程建設(shè)具有特殊的復(fù)雜性[5-9]。

結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)工程建設(shè)，在新疆、寧夏和內(nèi)蒙古典型沙漠試驗(yàn)地點(diǎn)開展了現(xiàn)澆混凝土和裝配式2種擴(kuò)展基礎(chǔ)型式，在上拔、上拔與水平力組合工況下的25個(gè)抗拔基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，分析了沙漠風(fēng)積沙地基擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔荷載-位移特性，得到了反映沙漠風(fēng)積沙抗拔承載性能的極限“上拔角”取值，可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)共4個(gè)，1個(gè)位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，1個(gè)位于新疆古爾班通古特沙漠腹地，另外2個(gè)分別位于寧夏毛烏素沙漠邊緣的寧武市白岌灘自然保護(hù)區(qū)和寧夏平羅縣境內(nèi)。

試驗(yàn)場(chǎng)地風(fēng)積沙厚度均大于10 m，均勻松散，主要物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

1.2 基礎(chǔ)型式及其結(jié)構(gòu)尺寸

沙漠地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)一般采用開挖回填方法施工。由于風(fēng)積沙自穩(wěn)性差、現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)困難等因素，風(fēng)積沙基坑一般不宜太深，采用的桿塔基礎(chǔ)型式主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)和預(yù)制裝配式基礎(chǔ)2類。針對(duì)輸電線路桿塔基礎(chǔ)受力特點(diǎn)，這2類基礎(chǔ)又有不同型式，如圖1所示。

表1 混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1試驗(yàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

圖1(a)為工程中通常采用的直柱擴(kuò)展基礎(chǔ)，其由鋼筋混凝土立柱和底板2部分組成，通過(guò)預(yù)埋在基礎(chǔ)立柱內(nèi)的地腳螺栓與上部桿塔結(jié)構(gòu)相連接。對(duì)一般格構(gòu)式輸電線路桿塔而言，其基礎(chǔ)承受拉/壓豎向荷載作用的同時(shí)，也承受橫線路方向(X向)、順線路方向(Y向)的水平力作用，3個(gè)方向作用力的合力與鉛垂方向一般有5°～15°夾角。因此，在實(shí)際工程中若采用圖1(b)所示的斜立柱擴(kuò)展基礎(chǔ)，其立柱沿X、Y方向進(jìn)行相同的傾角，其一般與上部桿塔主材傾角一致，該類型基礎(chǔ)立柱底面中心與底板中心重合，但立柱頂面中心與底板中心沿X、Y方向分別形成了eX和eY的偏心距，這可有效降低水平力對(duì)基礎(chǔ)立柱產(chǎn)生的彎矩作用，使得基礎(chǔ)斜立柱近似處于軸向受力狀態(tài)[5]。為方便基礎(chǔ)施工，可采用圖1(c)所示的偏心直柱擴(kuò)展基礎(chǔ)，讓基礎(chǔ)立柱中心與底板中心沿X、Y方向有eX和eY偏心距，也可降低基礎(chǔ)立柱所受的彎矩作用[7]。

由于沙漠地區(qū)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆注困難，可采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的裝配式基礎(chǔ)，其型式多樣，圖1(d)為混凝土板條和鋼管組合裝配基礎(chǔ)，底板由混凝土板條和橫梁連接形成，立柱由鋼管組成，基礎(chǔ)通過(guò)鋼管法蘭與上部桿塔結(jié)構(gòu)連接[6]。圖1(e)為混凝土板條和角鋼組合裝配基礎(chǔ)，底板也是由混凝土板條和橫梁連接形成，但其基礎(chǔ)立柱則由支架主角鋼和連接角鋼組成，通過(guò)頂板連接裝置與上部桿塔連接。圖1(f)為混凝土板條和角鋼組合的偏心裝配式基礎(chǔ)，其組成與圖1(e)基本相同，但其頂板連接裝置中心與底板中心有eX和eY偏心距，基礎(chǔ)承載性能得到優(yōu)化[8]。

圖1所示的5種現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸分別如表2和表3所示。

表2 混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 基礎(chǔ)施工

基礎(chǔ)按以下工序施工：(1) 基坑開挖至設(shè)計(jì)埋深，并做好基坑支護(hù)；(2) 對(duì)混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)定位、支模、混凝土澆注，對(duì)組合裝配基礎(chǔ)直接進(jìn)行組裝；(3) 按200 mm分層回填并人工夯實(shí)，直至地表；(4) 為期28 d的混凝土養(yǎng)護(hù)和風(fēng)積沙地基休止期。完成第(1)道工序后，立即進(jìn)行第(2)道工序，以防風(fēng)積沙移動(dòng)而填埋已開挖的基坑。

1.4 荷載工況及加載系統(tǒng)

試驗(yàn)前以基礎(chǔ)各方向預(yù)估極限承載力的1/10為增量進(jìn)行荷載分級(jí)，確定每一級(jí)荷載值。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，第1次加載量為分級(jí)荷載增量2倍，以后按分級(jí)荷載增量逐級(jí)等量加載。試驗(yàn)中上拔和水平力(沿X、Y合力方向)按照同一分級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的荷載值施加，并自動(dòng)加載、補(bǔ)載與恒載[5-9]。

上拔加載系統(tǒng)由3～5根長(zhǎng)12 m經(jīng)加固工字鋼梁、混凝土反力基礎(chǔ)、千斤頂、連接螺栓、球形鉸和連接板等組成。反力基礎(chǔ)中心距10 m，以消除反力支座對(duì)上拔范圍內(nèi)風(fēng)積沙地基的影響。球形鉸支座可消除加載偏心的影響。試驗(yàn)水平力加載系統(tǒng)，由人工用手拉葫蘆(導(dǎo)鏈)通過(guò)反力地錨、滑輪組和鋼絲繩組成的系統(tǒng)施加[5]。

表3 裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)荷載-位移曲線

圖2為各試驗(yàn)基礎(chǔ)荷載-位移曲線，其中水平荷載和水平位移均為X、Y方向合力及其對(duì)應(yīng)位移。

此外，文獻(xiàn)[10]在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗境內(nèi)的庫(kù)布其沙漠開展的3個(gè)基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)成果，3個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)中1個(gè)為剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、2個(gè)為拉線盤基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸及其抗拔-荷載位移曲線分別如圖3所示。

圖2新疆和寧夏沙漠試驗(yàn)基礎(chǔ)荷載-位移曲線

2.2 荷載-位移特性與極限承載力確定

圖1～圖3所示的上拔、上拔+水平力組合試驗(yàn)工況下基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線表明，風(fēng)積沙地基擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔承載過(guò)程總體上呈圖4所示的3階段變化特征：(1) 初始彈性直線段(oa段)，隨外荷載增加，基礎(chǔ)自重被克服，底板上風(fēng)積沙地基變形引起基頂位移，位移增加速率緩慢，呈線性變化，抗拔荷載-位移曲線近似為直線；(2) 過(guò)渡段(ab段)，風(fēng)積沙地基進(jìn)入塑性階段，地表出現(xiàn)裂縫，基頂位移隨上拔荷載的增加而明顯增大，呈非線性變化且位移變化速率明顯大于初始彈性直線段；(3) 直線破壞段(bc段)，基礎(chǔ)位移隨上拔荷載增加而迅速增大，較小的荷載增量即產(chǎn)生較大的位移增量，風(fēng)積沙地基破裂面逐漸開展并直至破壞，上拔和水平位移都迅速增大，破裂面隨即開展至土體表面，地基產(chǎn)生整體破壞。

圖3內(nèi)蒙古庫(kù)布其沙漠基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)

根據(jù)圖4所示的抗拔荷載-位移曲線特征，取b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載為相應(yīng)試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔極限承載力[11-12]?？紤]到一般建構(gòu)(筑)物基礎(chǔ)上拔位移允許值為25 mm[4,13]，當(dāng)b點(diǎn)位移大于25 mm時(shí)，取位移25 mm對(duì)應(yīng)荷載為極限承載力。各試驗(yàn)基礎(chǔ)抗拔極限承載力結(jié)果分別如表2和表3所示。

圖4風(fēng)積沙地基擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線特征階段

同時(shí)，按照這一極限承載力確定原則，得到文獻(xiàn)[10]中試驗(yàn)基礎(chǔ)GTJ1、LXP1和LXP1極限承載力分別為700 kN、220 kN和134 kN，所對(duì)應(yīng)上拔位移分別為4.20 mm、2.05 mm和18.10 mm。

3 風(fēng)積沙擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔設(shè)計(jì)及其參數(shù)

對(duì)開挖回填類擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性計(jì)算，國(guó)內(nèi)外主要采用如圖5所示的“土重法”計(jì)算模型[13-17]。

圖5 “土重法”計(jì)算模型

如圖5所示，基礎(chǔ)抗拔極限承載力由基礎(chǔ)自重及抗拔倒錐體范圍內(nèi)的土體重量2部分組成，按式(1)計(jì)算其抗拔承載力：

Tu=γs(Vt-V0)+Gf

(1)

式中：γs為回填土重度，kN/m3；V0為地表下基礎(chǔ)混凝土體積，m3；Gf為基礎(chǔ)重量，kN；Vt為直線滑動(dòng)面所形成的抗拔倒錐體體積，由式(2)確定：

(2)

式中：ht為基礎(chǔ)抗拔計(jì)算深度，ht=D-t，m；α為抗拔倒錐體側(cè)面與垂直方向夾角，稱為“上拔角”，(°)；α隨土質(zhì)條件而改變，反映土體抗拔性能。

按照“土重法”計(jì)算模型與方法，根據(jù)各試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔極限承載力，可計(jì)算得到各試驗(yàn)條件下風(fēng)積沙地基的“上拔角”大小，結(jié)果分別如表2和表3所示。同時(shí)，文獻(xiàn)[10]中的3個(gè)基礎(chǔ)GTJ1、LXP1和LXP1抗拔試驗(yàn)得到的風(fēng)積沙地基“上拔角”分別為21.9°、18.6°和15.1°。

試驗(yàn)表明，風(fēng)積沙地基“上拔角”不是定值，與基礎(chǔ)底板尺寸、基礎(chǔ)深寬比(ht/D)等因素有關(guān)。以直柱擴(kuò)展基礎(chǔ)為例，當(dāng)基礎(chǔ)底板邊長(zhǎng)相同時(shí)，埋深越大，風(fēng)積沙“上拔角”越小，“上拔角”隨深寬比增大而減小。此外，水平承載力也顯著降低了基礎(chǔ)抗拔承載力。在上拔和水平力組合作用下，采用斜立柱基礎(chǔ)、直立柱偏心以及偏心裝配式基礎(chǔ)等型式，可改善相應(yīng)基礎(chǔ)的承載性能。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得到各沙漠風(fēng)積沙極限“上拔角”均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)δ分別為20.5°、10.4°和0.50。“上拔角”統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)φα按式(3)計(jì)算[18]：

(3)

式中n=25。計(jì)算得到φα=0.82。

按(4)式計(jì)算風(fēng)積沙極限“上拔角”標(biāo)準(zhǔn)值αμk：

αμk=φαμ

(4)

由此可計(jì)算得到αμk為16.8°。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的風(fēng)積沙極限“上拔角”標(biāo)準(zhǔn)值αμk值綜合考慮了風(fēng)積沙的地域特征、試驗(yàn)基礎(chǔ)類型、試驗(yàn)基礎(chǔ)幾何尺寸、水平荷載作用等多個(gè)因素的影響，可供沙漠地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參考。

4 結(jié) 論

(1) 不同類型的擴(kuò)展基礎(chǔ)在沙漠風(fēng)積沙地基中均具有較好抗拔承載性能，可滿足沙漠地區(qū)輸電線路工程建設(shè)需要，斜立柱、直立柱偏心以及偏心裝配等方法可進(jìn)一步提高基礎(chǔ)的載性能。

(2) 風(fēng)積沙地基擴(kuò)展基礎(chǔ)抗拔承載過(guò)程呈初始彈性直線段、彈塑性過(guò)渡段和直線破壞段的3階段漸進(jìn)變化特征，可取直線破壞段的起點(diǎn)作為基礎(chǔ)抗拔極限承載力。

(3) 風(fēng)積沙地基“上拔角”與基礎(chǔ)底板尺寸、基礎(chǔ)深寬比等因素有關(guān)，試驗(yàn)確定的沙漠風(fēng)積沙極限“上拔角”標(biāo)準(zhǔn)值為16.8°，該值考慮了沙漠的地域特征、基礎(chǔ)類型及其幾何尺寸、水平力作用等多個(gè)影響因素，可供沙漠地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參考。

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UpliftFieldLoadTestsonSpreadFoundationsinAeolianSandArea

LU Xianlong, DING Shijun, YANG Wenzhi, ZHENG Weifeng

(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing, 100192,China)

In this study, the uplift performance of spread foundations were investigated in aeolian sand at typical deserts in Xinjiang, Ninxia, and Neimeng. Twenty-five full-scale spread foundations were installed at the aforementioned test sites, including the cast-in-place concrete spread foundations and the assembly foundations. The field load testing was conducted for each spread foundation under uplift loading or under the combination of uplift and lateral loadings, and the load-displacement curves for all tested foundations were obtained. Based on the characteristics of the load-displacement curve, the ultimate uplift capacity of each spread foundation was determined. The slope angle for the earth cone method was suggested, which is the parameter to determine the uplift capacity of spread foundations. Based on the statistic analysis, the standard value of the slope angle for earth cone method was suggested as 16.8°. The results in this study could be served as the support for foundation designs in aeolian sand because of the comprehensive considerations of the desert differences, the spread foundation structures, and the loading cases.

desert;aeoliansand;uplift;spreadfoundation;upliftangle;electricpowertransmissionline

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.004

2017-05-14

2017-06-17

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GCB17201500141，GCB17201200089)

魯先龍(1972—)，男，安徽廬江人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力工程地基基礎(chǔ)和電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)工作。

E-mail:luxianlong@163.com

TU375.6

A

1672—1144(2017)05—0020—06