徐 玉 波，張 飛 陽，崔 強(qiáng)，何 金 業(yè)，周 楠，李 洋

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司，新疆 烏魯木齊 830001; 2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 102401; 3.中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

我國是一個(gè)擁有大面積沙漠地區(qū)的國家，沙漠面積約占全國總面積的11%[1-2]。隨著我國“一帶一路”“疆電外送”“新疆聯(lián)網(wǎng)”等大型電網(wǎng)工程的實(shí)施，越來越多的輸電線路建設(shè)于沙漠腹地。

風(fēng)積沙作為一種沙漠地區(qū)特有的土質(zhì)，具有凝聚力低、流動(dòng)性大等不良特性。在沙漠中建設(shè)以承受上拔荷載為主的輸電線路桿塔基礎(chǔ)具有一定的復(fù)雜性[3-4]：一方面是風(fēng)積沙自身的不良特性，另一方面是沙漠地區(qū)中的特殊地質(zhì)環(huán)境(如風(fēng)蝕和流沙現(xiàn)象頻發(fā)，水資源匱乏等)導(dǎo)致工程施工和維護(hù)難度較大。因此，在沙漠中建設(shè)桿塔基礎(chǔ)，不僅應(yīng)考慮桿塔基礎(chǔ)的地基穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、構(gòu)造等設(shè)計(jì)要求，還需要考慮風(fēng)蝕作用引起地基表面的剝蝕以及超填。因此，風(fēng)積沙地區(qū)地基的防護(hù)及加固是影響桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工安全的一個(gè)重要因素。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對風(fēng)積沙地區(qū)地基方面的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：① 針對風(fēng)積沙地基中不同類型桿塔基礎(chǔ)承載特性方面的研究，如裝配式基礎(chǔ)[5]、斜柱基礎(chǔ)[6]和偏心基礎(chǔ)[7]等；② 向風(fēng)積沙中摻入特殊的材料以達(dá)到提高風(fēng)積沙的性能或者改良風(fēng)積沙的目的，如土工格柵[8-9]、聚丙烯纖維[10-11]和自制固化劑[12]等。水泥作為工程中最為常見的建筑材料之一，近年來成為以風(fēng)積沙為代表的松散土的主要加固材料之一。如Nilo[13]、張家璐[14]、張石友[15]、盛明強(qiáng)[16]、熊營飛[17]等學(xué)者研究了風(fēng)積沙、粉質(zhì)黏土、粉土等松散土經(jīng)水泥加固前后，其力學(xué)強(qiáng)度、地基承載力以及微觀結(jié)構(gòu)的變化，并為工程應(yīng)用提供了一些措施和建議。

綜上所述，針對水泥含量對風(fēng)積沙地基承受上拔荷載的桿塔基礎(chǔ)承載性能影響等方面的研究尚顯缺乏，這限制了該項(xiàng)技術(shù)在風(fēng)積沙地基中桿塔地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和防護(hù)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本文主要針對新疆聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)工程750kV巴楚-和田輸電通道中的風(fēng)積沙低含水率、抗風(fēng)蝕性差的特點(diǎn)[18]，向現(xiàn)場取回的風(fēng)積沙中摻入定量的水泥，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究水泥加固前后風(fēng)積沙地基基礎(chǔ)抗拔承載性能的變化，旨在對后續(xù)工程中的桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案以及防風(fēng)固沙的合理措施提供理論依據(jù)。

1 風(fēng)積沙的基本性質(zhì)

750kV巴楚-和田輸電線路工程是疆電外送的主要通道，是連接南北疆的電力樞紐。試驗(yàn)所用的風(fēng)積沙取自750kV巴楚-和田輸電線路沿線某典型塔位處，位于塔克拉瑪干沙漠的腹地。塔克拉瑪干沙漠作為中國最大的沙漠，地處新疆南部塔里木盆地中心，是我國流動(dòng)性沙丘分布最廣的沙漠。塔克拉瑪干沙漠氣候極端干旱，與其他地區(qū)風(fēng)積沙相比，該地區(qū)風(fēng)積沙更加干燥，風(fēng)沙危害對桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響更加嚴(yán)重。

通過室內(nèi)顆粒分析試驗(yàn)得到風(fēng)積沙的粒徑級配曲線如圖1所示。風(fēng)積沙的粒徑組成主要集中在0.25～0.10 mm，其中d10=0.11 mm，d30=0.14 mm，d60=0.17 mm。計(jì)算得出風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)Cu=1.577，曲每系數(shù)Cc=1.053，所以試驗(yàn)所用的風(fēng)積沙是級配不良細(xì)沙[19]。

圖1 風(fēng)積沙顆粒級配曲線

通過土工試驗(yàn)，分別測出天然狀態(tài)與干燥狀態(tài)風(fēng)積沙的密度、比重、抗剪強(qiáng)度參數(shù)等物理力學(xué)特性指標(biāo)，結(jié)果詳見表1。

表1 風(fēng)積沙試樣的物理力學(xué)特性指標(biāo)

2 水泥加固風(fēng)積沙地基抗拔承載性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣本設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]，塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙的平均含水率為2%左右，同時(shí)表1中的試驗(yàn)結(jié)果為1.7%，由此，綜合確定本研究風(fēng)積沙試樣的含水率2%。為研究摻入不同量水泥后風(fēng)積沙地基承載性能的變化，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)出5個(gè)樣本，如表2所示。

表2 水泥加固風(fēng)積沙地基的試驗(yàn)樣本

2.2 地基基礎(chǔ)尺寸

本次水泥加固風(fēng)積沙地基抗拔承載性能試驗(yàn)的地基域大小為1.2 m×1.2 m×0.55 m，模型基礎(chǔ)采用鋼制的錨板基礎(chǔ)，其剛度遠(yuǎn)大于地基的剛度，如圖2所示，其中模型基礎(chǔ)及地基域的尺寸參數(shù)如表3所示。

圖2 地基基礎(chǔ)示意

表3 地基基礎(chǔ)尺寸參數(shù)

2.3 地基施工過程

所有試驗(yàn)的地基均采用相同的流程制作。首先在試驗(yàn)場地開挖相應(yīng)大小的基坑。其次在坑外將風(fēng)干后的風(fēng)積沙、普通硅酸鹽水泥干粉混合，摻入適量的水?dāng)嚢杈鶆颍瑢?shí)時(shí)測試混合料的含水率，直至混合料的含水率接近2%，即完成水泥固化風(fēng)積沙回填材料的制備。最后，在地基域中心位置處放置模型基礎(chǔ)，將填料倒入基坑中，采用人工方法分層夯實(shí)至標(biāo)高(首先對50 mm的墊層進(jìn)行夯實(shí)，之后自下而上分層回填并夯實(shí)，分層厚度為250 mm)。夯實(shí)完成后的所有水泥加固地基自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)14 d，之后開展相應(yīng)的試驗(yàn)。

2.4 加卸載方案

試驗(yàn)加載裝置由錨板、鋼筋立柱、鋼梁、反力墩、連接螺絲、上拔螺桿、千斤頂?shù)冉M成，如圖3所示。

試驗(yàn)采用應(yīng)力控制的快速荷載法[20]進(jìn)行加載和卸載。所有試驗(yàn)均加載到破壞狀態(tài)，即該級地基荷載值無法穩(wěn)定或變形不斷增大而荷載加不上的狀態(tài)。

地基基礎(chǔ)體系的豎向位移采用量程50 mm、精度為0.01 mm的位移傳感器測量進(jìn)行測量。位移傳感器分別布置于基礎(chǔ)及地面兩側(cè)，用于測試基礎(chǔ)與地基的上拔位移,如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置示意

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載位移曲線分析

圖4為5個(gè)試驗(yàn)樣本的上拔荷載-位移曲線。從圖中可以看出，5個(gè)試驗(yàn)樣本中，荷載位移曲線的變化特征可分為兩種：陡降型(直線-直線)，緩變型(直線-曲線-直線)。

“陡降型”變化特征曲線主要包括初始彈性階段以及地基達(dá)到破壞荷載后的破壞階段，這以水泥含量較大的樣本2-8最為典型；“緩變型”變化特征曲線主要包括初始彈性階段、曲線過渡段以及破壞階段，這以純風(fēng)積沙試樣2-0以及摻入水泥量較小的2-2、2-4、2-6樣本為代表。

由此可見，隨著摻入水泥量的不斷增加，風(fēng)積沙地基的變形特性由最初的彈-塑性變形特性逐漸過渡至彈-脆性變形特性：即在初始彈性階段，基礎(chǔ)位移隨著荷載的增大而增大，荷載-位移曲線近似為直線，地基的變形為彈性變形；直線段結(jié)束后，當(dāng)上拔荷載接近極限荷載時(shí)，由水泥和風(fēng)積沙形成的膠凝體迅速破壞，地基體直接出現(xiàn)貫穿裂縫，達(dá)到極限抗拔荷載，地基位移迅速增大，地基基礎(chǔ)系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

圖4 試驗(yàn)基礎(chǔ)上拔荷載-位移曲線

3.2 破壞機(jī)制分析

試驗(yàn)結(jié)束后，描繪出地表形成的破裂面，如圖5所示。圖5中白色標(biāo)識為地基裂縫，紅色線段為地基域邊框。從圖5可以看出，對于樣本2-0(純風(fēng)積沙地基)，加載初、中期，地表出現(xiàn)微小徑向裂縫；隨著上拔荷載的增加，首先是從基礎(chǔ)中心產(chǎn)生徑向裂縫，并逐漸向外延伸，最后在徑向裂縫的外圍生成環(huán)向裂縫，地基基礎(chǔ)體系發(fā)生整體失穩(wěn)。對于水泥加固風(fēng)積沙地基(樣本2-2、2-4、2-6、2-8)，加載初、中期，地表裂縫不明顯；臨近極限荷載時(shí)，首先從基礎(chǔ)的中心產(chǎn)生十字徑向裂縫，并向外擴(kuò)張。在裂縫擴(kuò)張的過程中，裂縫會再次向地基薄弱的方向產(chǎn)生其余裂縫，最后達(dá)到地基邊緣，整個(gè)過程中基本不產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

已有研究表明[21]，徑向裂縫由基礎(chǔ)周圍土體張拉破壞形成，而環(huán)向裂縫由基礎(chǔ)周圍土體剪切破壞形成。由此可以表明：水泥加固風(fēng)積沙地基的破壞是由整體張拉破壞導(dǎo)致的，基本沒有產(chǎn)生剪切破壞，純風(fēng)積沙地基的破壞是由張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導(dǎo)致的。

圖5 地表裂縫

3.3 極限抗拔承載力分析

地基的極限抗拔荷載Tu是指地基在失效前承受的最大上拔荷載，是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)[22]，其值是根據(jù)地基的失效準(zhǔn)則來判定。結(jié)合上文中對地基破壞機(jī)制的分析，本次試驗(yàn)取風(fēng)積沙地基表面出現(xiàn)貫通裂縫時(shí)對應(yīng)的荷載作為地基基礎(chǔ)的極限抗拔承載力Tu。依據(jù)上述失效準(zhǔn)則，確定出5個(gè)樣本地基基礎(chǔ)體系的極限抗拔承載力如表4所示。從表4可以看出，經(jīng)水泥加固后的風(fēng)積沙地基的抗拔承載力較加固前提高明顯。這表明水泥的摻入能夠有效提高風(fēng)積沙地基的抗拔承載性能。

表4 地基極限抗承載力及極限位移

圖6所示為基礎(chǔ)抗拔承載力與水泥量之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，Tu隨著水泥量的增加呈非線性變化趨勢。對于5種水泥配比的復(fù)合地基，當(dāng)水泥含量為6%時(shí)，Tu達(dá)到峰值，為11.99 kN，約為純風(fēng)積沙地基承載力的2.5倍；水泥含量為4%時(shí)，Tu達(dá)到谷值，約為純風(fēng)積沙地基的2.2倍。

圖6 地基抗拔承載力與水泥摻量的關(guān)系曲線

已有研究表明[11]：水泥固化作用對風(fēng)積沙力學(xué)強(qiáng)度的改善主要是由于水泥、沙以及水之間發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，生成的具有膠結(jié)特征的凝膠體，這種凝膠體有效連接了風(fēng)積沙中的散粒體，從而形成整體性能優(yōu)良的凝膠體。圖7所示為試驗(yàn)結(jié)束后，開挖出地基碎塊，從圖中顯示經(jīng)水泥加固后的風(fēng)積沙已從最初的散粒體轉(zhuǎn)變成可以成型的固體顆粒物。

圖7 水泥加固風(fēng)積沙塊體實(shí)物

4 結(jié)論與建議

(1)水泥固化風(fēng)積沙地基中基礎(chǔ)上拔荷載位移曲線特征可分為“陡降型”和“緩變型”兩種類型，除樣本2-8(8%水泥摻量)外，其余樣本的荷載位移曲線變化特征均接近“緩變型”特征曲線，這主要由于水泥的固化作用使得地基基礎(chǔ)體系由以“彈-塑性”變形為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皬?脆性”變形為主。

(2)水泥固化風(fēng)積沙地基與純風(fēng)積沙地基基礎(chǔ)體系的破壞模式存在差異，其中水泥固化風(fēng)積沙地基的破壞是主要由整體張拉破壞所致；純風(fēng)積沙地基體系的破壞是由張拉和剪切破壞聯(lián)合作用所致。

(3)水泥固化作用顯著提高了風(fēng)積沙地基基礎(chǔ)抗拔承載力。隨著水泥含量的增加，地基基礎(chǔ)抗拔承載力呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律：對于2%含水率的風(fēng)積沙地基，當(dāng)水泥含量為6%時(shí)，其抗拔承載力的提高幅度最大，影響最顯著，因此可認(rèn)為6%的水泥含量為該地區(qū)風(fēng)積沙的最佳水泥配比。

(4)與其他膠合劑相比，水泥固化技術(shù)更適應(yīng)于風(fēng)積沙地基的加固。針對750kV巴楚—和田線路工程中風(fēng)積沙地基的塔位，建議采用板柱基礎(chǔ)或偏心板柱基礎(chǔ)，回填材料采用天然狀態(tài)的風(fēng)積沙與普通硅酸鹽水泥干粉混合均勻的固化填料，水泥含量易控制在6%左右。