王學(xué)明，康 玥，許 健，袁 俊，魏 鵬

(1.中國電力工程顧問集團 西北電力設(shè)計院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

粗顆粒鹽漬土地區(qū)掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力特性及數(shù)值模擬研究

王學(xué)明1，康 玥1，許 健2，袁 俊1，魏 鵬1

(1.中國電力工程顧問集團 西北電力設(shè)計院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

根據(jù)哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路的工程條件，對粗顆粒鹽漬土地區(qū)掏挖基礎(chǔ)抗拔承載性能進行數(shù)值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽漬土層狀態(tài)、基礎(chǔ)深徑比及水平荷載與上拔荷載比值對抗拔承載力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力在鹽漬土層鹽分結(jié)晶時隨鹽漬土層厚度增大而增大，鹽分溶蝕時隨鹽漬土層厚度增大而減小?？拱纬休d力隨深徑比增大持續(xù)增大，臨界深徑比約為4.5；隨著深徑比增大，鹽漬土層狀態(tài)對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響逐漸減弱；超過臨界深徑比后，結(jié)晶狀態(tài)抗拔承載力與融化狀態(tài)趨于一致。鹽漬土層鹽分結(jié)晶狀態(tài)下的水平荷載影響系數(shù)高于溶蝕狀態(tài)。

粗顆粒鹽漬土；掏挖基礎(chǔ)；數(shù)值模擬；抗拔承載力

“疆電外送”是優(yōu)化全國電力資源配置、配合“一帶一路”經(jīng)濟帶輸電走廊建設(shè)的重要舉措。在“疆電外送”的主要通道上(甘肅、新疆等省、自治區(qū))分布大量粗顆粒鹽漬土[1-2]。這些粗顆粒鹽漬土地區(qū)沉積較好地段土石膠結(jié)良好且承載力高(見圖1)，其承載特性既區(qū)別于膠結(jié)較好黏性土又不同于黏結(jié)性較差的砂土和一般的碎石土[3]。對于這類特殊的地質(zhì)條件，地基參數(shù)的設(shè)計取值、基礎(chǔ)選型及其承載機理與工程設(shè)計方法、施工方法與常規(guī)地區(qū)地基有較大差異[4]。

目前，普通土地基掏挖基礎(chǔ)抗拔承載計算模型主要包括Truncated cone model、Traditional cylindrical shear model，在國內(nèi)規(guī)范中表現(xiàn)為剪切法、土重法和剪切-土重混合法[5-10]。近年來，戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力研究成果日益豐富[11-14]，其合理利用了特殊原狀土地基的承載特性，拓寬了掏挖基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍。但粗顆粒鹽漬土地基中掏挖基礎(chǔ)抗拔性能研究還較為缺乏，設(shè)計技術(shù)規(guī)程也沒有針對這方面的詳細設(shè)計規(guī)定，設(shè)計人員主要參照普通地質(zhì)條件的設(shè)計方法。因此現(xiàn)有的設(shè)計方案，大部分偏于保守，未能充分利用這種特殊土質(zhì)的承載優(yōu)勢?；诖?，本文選取了哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路戈壁灘鹽漬土場地典型直線塔1 600 kN上拔作用力下的設(shè)計掏挖基礎(chǔ)為計算模型，對粗顆粒鹽漬土地區(qū)掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力特性進行數(shù)值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽分結(jié)晶狀態(tài)、深徑比和水平荷載對掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，以期為粗顆粒鹽漬土地質(zhì)條件下基礎(chǔ)設(shè)計和施工提供依據(jù)和建議。

圖1粗顆粒鹽漬土地層

1 地基基礎(chǔ)相互作用計算模型

1.1 基礎(chǔ)混凝土材料本構(gòu)模型

掏挖基礎(chǔ)混凝土材料的剛度遠大于地基土體，上拔加載過程中基礎(chǔ)的應(yīng)變是非常微小的，故在數(shù)值計算過程中將基礎(chǔ)假定為理想彈性材料，其彈性本構(gòu)方程為：

(1)

式中：σij為應(yīng)力張量；εij為應(yīng)變張量；εm為平均應(yīng)變；δij為單位張量。

1.2 粗顆粒鹽漬土地基屈服破壞準則

土體采用Mohr-Coulomb剪切破壞準則，該表達式形式為：

Coulomb形式：

f=τ-σtanφ-c=0

(2)

Mohr形式：

f=(σ1-σ3)-(σ1+σ3)sinφ-2ccosφ=0

(3)

式中：σ，τ為剪切面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力；c，φ為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.3 接觸面數(shù)學(xué)模型

粗顆粒鹽漬土地基基礎(chǔ)接觸面采用無厚度模型，垂向和切向力與位移之間的關(guān)系可表示如下：

Fn=knunA

(4)

Fs=ksusA

(5)

式中：Fn為垂向力；kn為垂向模量;un為垂向位移；Fs為切向力；ks為切向模量；us為切向位移；A為接觸面面積。

2 數(shù)值計算模型及工況

荷載作用下粗顆粒鹽漬土地基掏挖基礎(chǔ)抗拔承載特性采用有限差分數(shù)值計算程序[15-16]進行分析計算。

2.1 基礎(chǔ)尺寸及土層參數(shù)

根據(jù)哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路典型粗顆粒鹽漬土場地條件，選取工程典型直線塔的掏挖基礎(chǔ)設(shè)計尺寸：主柱直徑1.5 m；主柱高6.0 m(不含擴底)；基礎(chǔ)擴底直徑3.0 m；擴底高2.1 m。

依據(jù)基礎(chǔ)幾何尺寸特征，地基基礎(chǔ)數(shù)值模型計算范圍設(shè)置為30 m×30 m×20 m(約為基礎(chǔ)埋深的3～6倍)的長方體區(qū)域(見圖2)。粗顆粒鹽漬土地基與掏挖基礎(chǔ)均選取8節(jié)點六面體單元，地基基礎(chǔ)接觸面選取無厚度單元。

圖2掏挖基礎(chǔ)有限元模型

根據(jù)試驗場地典型鉆孔資料，計算區(qū)域分為3部分：鋼筋混凝土基礎(chǔ)，粗顆粒鹽漬土層h1，普通粗顆粒地基土h2，如圖3所示。

2.2 計算邊界條件

粗顆粒鹽漬土地基基礎(chǔ)數(shù)值計算模型的上表面為自由邊界條件，其余四個側(cè)面及底面施加法向約束邊界條件，掏挖基礎(chǔ)頂端施加豎直向上的上拔荷載或上拔與水平聯(lián)合荷載。

圖3掏挖基礎(chǔ)橫斷面計算模型(單位：m)

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)西北電力設(shè)計院針對粗顆粒鹽漬土大型剪切室內(nèi)試驗已有研究成果[17]，并進一步參考已有研究文獻資料中針對粗顆粒鹽漬地基土計算力學(xué)參數(shù)取值建議[14,18]，最終確定粗顆粒鹽漬土地基基礎(chǔ)計算力學(xué)參數(shù)，具體取值分別見表1和表2。

表1 鹽漬土層結(jié)晶狀態(tài)力學(xué)參數(shù)取值

表2 鹽漬土層溶蝕狀態(tài)力學(xué)參數(shù)取值

2.4 數(shù)值計算工況

掏挖基礎(chǔ)抗拔承載性能影響因素很多，如場地水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件、基礎(chǔ)幾何尺寸、基礎(chǔ)埋深條件及荷載作用條件等。為綜合分析各影響因素對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，選取深徑比，鹽漬土層厚度、鹽漬土層狀態(tài)(結(jié)晶、溶蝕)和水平荷載與上拔荷載比值四個典型影響因素，共完成34個工況的數(shù)值仿真計算，各影響因素具體水平因子如表3所示。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 荷載-位移曲線及承載力確定

3.1.1 荷載-位移曲線

通過數(shù)值仿真計算逐級加載并計算分析每級荷載作用下基礎(chǔ)穩(wěn)定上拔位移量，最終獲得粗顆粒鹽漬土地質(zhì)條件下掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移典型數(shù)值計算曲線。各影響因素下基礎(chǔ)典型上拔荷載-位移曲線分別如圖4～圖7所示。

表3 影響因素水平因子

注：“—”表示不存在該因子。

圖4深徑比2.5，結(jié)晶狀態(tài)時不同鹽漬土層厚度上拔荷載-位移曲線

圖5深徑比2.5，溶蝕狀態(tài)時不同鹽漬土層厚度上拔荷載-位移曲線

3.1.2 上拔荷載-位移曲線特征及上拔承載力

粗顆粒鹽漬土地質(zhì)條件下掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線是粗顆粒鹽漬土地基狀況、掏挖基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)埋深條件和荷載作用特征等多種影響因素的綜合反映結(jié)果。典型基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線可分為具有明顯峰值荷載的“軟化型”(見圖8曲線1)、具有明顯陡變起始點的“陡變型”(見圖8曲線2)和“緩變型”(見圖8曲線3)三種類型。

圖6 鹽漬土層厚度2.0 m，結(jié)晶狀態(tài)時不同深徑比上拔荷載-位移曲線

圖7 鹽漬土層厚度2.0 m，溶蝕狀態(tài)時不同深徑比上拔荷載-位移曲線

圖8上拔荷載-位移曲線類型

分析前述圖4～圖7所示的基礎(chǔ)抗拔荷載-位移數(shù)值計算曲線特征，可以看出典型粗顆粒鹽漬土地質(zhì)條件下掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線表現(xiàn)出“緩變型”變化特征，可劃分為三個典型特征階段：初始彈性段、過渡段和破壞段，具體見圖9。

初始段OA，掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線表現(xiàn)出線性變化特征，粗顆粒鹽漬地基土體處于彈性狀態(tài)，變形以彈性壓縮變形為主；過渡段AB，隨著荷載進一步增加，掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線表現(xiàn)出明顯的非線性變化特征，上拔位移變化速率顯著大于初始階段，粗顆粒鹽漬土地基進入彈塑性力學(xué)平衡狀態(tài)，地基塑性屈服區(qū)開始出現(xiàn)并逐漸擴展；破壞段BC，掏挖基礎(chǔ)上拔位移量迅速增加，粗顆粒鹽漬土地基剪切裂縫迅速開展并貫通，形成較為完整的滑動面，地基整體剪切破壞。

圖9掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線特征

根據(jù)掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線數(shù)值計算的三個特征階段，可選用初始直線斜率法、雙直線交點法、L1-L2三種代表性圖解方法確定基礎(chǔ)的抗拔極限承載力[18]。其中，L1-L2圖解方法以掏挖基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線的彈性段終點荷載作為彈性抗拔承載力，以破壞段起點荷載作為抗拔極限承載力。上述取值原則可較好反映粗顆粒鹽漬土地質(zhì)條件下掏挖基礎(chǔ)荷載-位移曲線的“緩變型”變化規(guī)律。基于此，本文采用L1-L2方法確定粗顆粒鹽漬土掏挖擴底基礎(chǔ)抗拔極限承載力。

3.2 鹽漬土層厚度及狀態(tài)對抗拔承載力影響

圖10給出不同鹽漬土層厚度及狀態(tài)(結(jié)晶、溶蝕)對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響。從圖10中可以看出，粗顆粒鹽漬土層鹽分結(jié)晶狀態(tài)，基礎(chǔ)抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加而增大；鹽分溶蝕狀態(tài)下，初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加衰減幅度較大，但隨后趨于穩(wěn)定。

圖10鹽漬土層厚度及狀態(tài)對抗拔承載力影響

干旱季節(jié)鹽漬土層結(jié)晶狀態(tài)時，由于鹽分對土顆粒的膠結(jié)作用，土體結(jié)構(gòu)性增強，鹽漬土層土體強度增大，因而初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加持續(xù)增大；但當鹽漬土層厚度較小時，抗拔承載力增加幅度有限；后期隨著鹽漬土層厚度的持續(xù)增加，抗拔承載力開始表現(xiàn)出大幅度增長。值得注意的是，鹽漬土層厚度超過8 m后，基礎(chǔ)抗拔承載力趨于穩(wěn)定。這是由于掏挖基礎(chǔ)設(shè)計埋深為7.7 m，鹽漬土層厚度超過基礎(chǔ)埋深后，對基礎(chǔ)抗拔承載力影響不大。

降雨溶蝕狀態(tài)時，由于鹽分浸水溶解，導(dǎo)致膠結(jié)物膠結(jié)強度喪失，鹽漬土層土體強度大大降低，因而初始抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加持續(xù)減??；但當鹽漬土層厚度較小時，抗拔承載力降低幅度有限，因而很快趨于穩(wěn)定。此外，對比干旱季節(jié)鹽分結(jié)晶與降雨季節(jié)鹽分溶蝕狀態(tài)下的抗拔承載力變化曲線，不難發(fā)現(xiàn)，由于鹽分結(jié)晶的膠結(jié)作用，結(jié)晶狀態(tài)下的基礎(chǔ)抗拔承載力遠大于溶蝕狀態(tài)下的基礎(chǔ)抗拔承載力。結(jié)合新疆與甘肅河西走廊粗顆粒鹽漬土戈壁地區(qū)已有試驗資料，由于西北內(nèi)陸戈壁灘地區(qū)降雨量稀少，蒸發(fā)量較大，在排水通暢的塔基，溶蝕深度一般不會超過0.3 m，因而地基土體中的鹽分大都處于結(jié)晶狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)性與自穩(wěn)性較好，強度與承載力較高，粗顆粒鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計可以適當考慮鹽分膠結(jié)作用對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，充分利用地基土質(zhì)的承載優(yōu)勢。

3.3 深徑比對抗拔承載力影響

圖11給出基礎(chǔ)抗拔承載力隨深徑比的變化規(guī)律。從圖11中可以看出，抗拔承載力隨深徑比增大持續(xù)增大，在深徑比λ為4.5處出現(xiàn)明顯拐點，即臨界深徑比為4.5，略高于規(guī)范規(guī)定的3.5～4.0。因此結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果，適當修正臨界深徑比，有利于減小基礎(chǔ)材料量，節(jié)省造價。

圖11深徑比對抗拔承載力影響

此外，從圖11中還可以看出，深徑比較小時，結(jié)晶狀態(tài)抗拔承載力高于溶蝕狀態(tài)。隨著深徑比持續(xù)增大，鹽漬土層狀態(tài)對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響逐漸減弱；超過臨界深徑比后，結(jié)晶狀態(tài)抗拔承載力與融化狀態(tài)趨于一致。

3.4 水平荷載對抗拔承載力影響

水平荷載對基礎(chǔ)抗拔承載力影響如圖12所示。由圖12可見，水平荷載影響系數(shù)隨水平力與上拔力比值的增大逐漸減小，且衰減幅度增大。結(jié)合表4水平荷載對基礎(chǔ)抗拔承載力影響系數(shù)具體數(shù)值可以看出，結(jié)晶狀態(tài)下由于上層鹽漬土層的強度和承載力較高，因而水平荷載影響系數(shù)高于溶蝕狀態(tài)。值得注意的是，與《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[10](DL/T 5219—2014)規(guī)范相比，水平力與上拔力比值較大時，水平荷載影響系數(shù)低于規(guī)范值，因此在設(shè)計中應(yīng)采取合理措施，充分考慮水平荷載對于基礎(chǔ)抗拔承載能力的影響。

圖12水平荷載對抗拔承載力影響

4 結(jié) 論

本文基于哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程條件，對粗顆粒鹽漬土地區(qū)掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力特性進行了數(shù)值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽分狀態(tài)、水平力與上拔力比值、基礎(chǔ)深徑比對抗拔承載力的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1) 粗顆粒鹽漬土層鹽分結(jié)晶狀態(tài)，基礎(chǔ)抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加而增大；鹽分溶蝕狀態(tài)下，初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加衰減幅度較大，但隨后趨于穩(wěn)定。粗顆粒鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計可以適當考慮鹽分膠結(jié)作用對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，充分利用地基土質(zhì)的承載優(yōu)勢。

(2) 抗拔承載力隨深徑比增大持續(xù)增大，臨界深徑比約為4.5；隨著深徑比增大，鹽漬土層狀態(tài)對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響逐漸減弱，結(jié)晶狀態(tài)抗拔承載力與融化狀態(tài)趨于一致。

(3) 水平荷載影響系數(shù)隨水平力與上拔力比值增大逐漸減小，且衰減幅度增大；鹽分結(jié)晶狀態(tài)下由于鹽漬土層的強度和承載力較高，因而水平力影響系數(shù)高于溶蝕狀態(tài)。

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NumericalAnalysisofUpliftBearingCapacityofDiggedFoundationinCoarseParticleSalineSoilArea

WANG Xueming1, KANG Yue1, XU Jian2, YUAN Jun1, WEI Peng1

(1.NorthwestElectricPowerDesignInstituteofCo.,Ltd.ofChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Xi’an,Shaanxi, 710075,China;2.SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shaanxi710055,China)

Based on the engineering condition of Southern Hami-Zhengzhou ±800 kV UHVDC transmission line, numerical analysis has been performed to evaluate the influence of thickness of saline soil layer, saline state and ratio of horizontal load to uplift load on the uplift bearing capacity of digged foundation in coarse particle saline soil area. The results show that the uplift bearing capacity increases obviously with the increment of thickness of saline soil layer under the condition of salt crystallization, however, under the condition of salt corrosion, the uplift bearing capacity decreases with the thickness of saline soil layer increasing. Uplift bearing capacity increases with the ratio of embedment depth to belled diameter increasing and the critical ratio of embedment depth to belled diameter is about 4.5. With the ratio of embedment depth to belled diameter increasing, the influence of saline state on uplift bearing capacity has gradually weakened. The uplift bearing capacity under condition of salt crystallization tends to be consistent with that under condition of salt corrosion. The influence coefficient of horizontal load in crystalline state of saline soil is higher than that in dissolved state of saline soil.

coarseparticlesalinesoil;diggedfoundation;numericalsimulation;upliftbearingcapacity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.016

2017-05-17

2017-06-21

中國電力工程顧問集團公司科研項目(DG1-T02-2017)

王學(xué)明(1978—)，男，甘肅靖遠人，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路設(shè)計工作。E-mail: wangxueming@nwepdi.com

許 健(1980—)，男，山東泰安人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事寒區(qū)巖土工程研究工作。E-mail: xujian@xauat.edu.cn

TU448

A

1672—1144(2017)05—0094—06