張飛陽
(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009)
我國是一個多沙漠的國家,沙漠總面積約168.7 萬平方公里[1]。隨著我國“一帶一路”等大型工程的實施,越來越多的關(guān)系國家民生和經(jīng)濟的輸變電線路桿塔工程穿越或經(jīng)過沙漠地帶。
由于沙漠風(fēng)積沙含水率較低,結(jié)構(gòu)松散,黏聚力低,承載性能較差,這對在沙漠中建設(shè)以承受上拔荷載為主的桿塔基礎(chǔ)是十分不利的,因此國內(nèi)外對于風(fēng)積沙地基的上拔承載力主要從兩方面展開,一方面是采用特殊的基礎(chǔ)[2-3],用基礎(chǔ)重量及上覆風(fēng)積沙自重抵抗桿塔的上拔荷載,另一方面是采用水泥等固化材料[4]與風(fēng)積沙混合,起到固化地基的作用,用基礎(chǔ)自重、上覆固化土自重以及固化土的抗剪強度抵抗桿塔的上拔荷載。
本文主要通過從含水率及基礎(chǔ)尺寸兩個方面,對風(fēng)積沙地基的抗拔承載特性進行研究。
本次試樣取自塔克拉瑪干沙漠腹地,根據(jù)相關(guān)文獻,塔克拉瑪干沙漠的風(fēng)積沙含水率在2%~4%,故在實驗室中將風(fēng)積沙再塑成3%和5%的試驗用風(fēng)積沙,研究風(fēng)積沙的相關(guān)特性。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5],通過在實驗室中進行比重試驗得出試驗用風(fēng)積沙的比重Gs 為2.7,通過顆粒分析試驗得出試驗用風(fēng)積沙為級配不良細沙。
為研究不同含水率下風(fēng)積沙的力學(xué)特性,將從塔克拉瑪干沙漠取回的風(fēng)積沙分別再塑成含水率為3%和5%的試驗用風(fēng)積沙,并進行直剪試驗,儀器采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀。
通過摩爾庫倫公式,從直剪試驗得出的數(shù)據(jù)進行分析,可以得出試驗用風(fēng)積沙的黏聚力和內(nèi)摩擦角,如表1 所示。
表1 試驗風(fēng)積沙剪切強度
從表1 可以得出,隨著含水率的提高,風(fēng)積沙試樣的黏聚力是在逐漸增大的,這是由于水的摻入導(dǎo)致風(fēng)積沙有一定假黏聚力,而內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小,這是由于風(fēng)積沙顆粒間的水分起到了潤滑作用。
本次試驗的基礎(chǔ)采用錨板基礎(chǔ),呈正方形,邊長D 分別為200mm 和400mm,厚度為10mm,上拔鋼筋采用螺紋鋼,截面為圓形,直徑d=20mm,錨板與上拔鋼筋的連接處采用焊接連接。地基為深度550mm(基礎(chǔ)埋深500mm,墊層50mm)、邊長L 為1200mm 的正方形地基,具體見圖1。
風(fēng)積沙地基的試驗安排如表2。
圖1 地基基礎(chǔ)及安裝示意圖
表2 風(fēng)積沙地基的試驗安排
3.2.1 地基施工。所有試驗的地基均采用相同的流程制作。首先在場地內(nèi)開挖相應(yīng)大小的基坑,然后將已風(fēng)干一定時間的風(fēng)積沙重塑成相應(yīng)含水率的風(fēng)積沙,形成風(fēng)積沙回填土。之后將回填土放入基坑中,夯實至標(biāo)高。夯實完成后所有地基基礎(chǔ)自然狀態(tài)下放置1 天,之后開展相應(yīng)的試驗。
每個風(fēng)積沙地基均采用人工方法分層夯實,先對0.05m 的墊層進行夯實,之后進行分層夯實,分層厚度為0.25m,分層夯實至相應(yīng)風(fēng)積沙的標(biāo)高,所有試樣夯實的人員和工具都保持一致,以減少差異。
3.2.2 加載裝置與量測裝置。試驗加載裝置有錨板、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1 所示。試驗采用應(yīng)力控制的快速荷載法進行加載,荷載由油壓千斤頂施加,由拉力傳感器顯示荷載值。試驗的位移利用位移傳感器測量,位移傳感器量程50mm,精度為0.01mm,位移傳感器放置在固定于基礎(chǔ)錨桿上的平板,用于測試基礎(chǔ)上拔位移。
圖2 為含水率時不同時風(fēng)積沙地基的抗拔荷載~位移曲線。通過這些荷載位移曲線,得到風(fēng)積沙基地在低含水率時不同水泥含量下的抗拔承載特性。
從這4 個試驗樣本中可以看出,風(fēng)積沙地基的荷載~位移曲線的變化特征為直線- 曲線- 直線,其主要包括初始彈性階段、曲線過度段及破壞階段。初始彈性階段位移隨著荷載的增大表現(xiàn)為線性增大,表現(xiàn)為彈性變形,初始彈性階段結(jié)束后,到達曲線過度段,風(fēng)積沙地基出現(xiàn)了彈塑性變形,位移隨著荷載的增大表現(xiàn)為曲線增大,且斜率小于彈性階段,最后破壞階段,地基完全塑性變形,荷載下降,位移隨著時間增加而大幅度增加。
圖2 荷載位移曲線
地基上拔承載力Tu是指地基在失效前承受的最大荷載,是在工程設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù),本次試驗的上拔承載力Tu是根據(jù)地基在上拔過程中的最大荷載來確定的,具體的水泥固化風(fēng)積沙地基的上拔承載力如表3。
表3 上拔承載力統(tǒng)計表
從表3 可以看出,在底板尺寸一致的情況下,隨著含水率的增加,上拔承載力和上拔位移均表現(xiàn)出增加的趨勢,同時上拔承載力隨著底板尺寸的增加而增加。在含水率為3%時。
試驗結(jié)束后,利用白灰描繪出地表形成的破裂面,如圖3 和圖4 所示。圖中白色標(biāo)識為地基裂縫,紅色線段為地基域邊框。
從圖3 和圖4 可以看出,對于底板尺寸為200mm 的風(fēng)積沙地基,加載前期,地基表面先出現(xiàn)了微小的徑向裂縫,隨著上拔荷載的增加,基礎(chǔ)中心開始產(chǎn)生明顯的徑向裂縫,并逐漸向外延申,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);對于底板尺寸為400mm 的風(fēng)積沙地基,加載前期與含水率為3%的風(fēng)積沙地基基本一致,在出現(xiàn)明顯的徑向裂縫之后,由于基礎(chǔ)底板尺寸較大,會順著基礎(chǔ)的邊緣出現(xiàn)環(huán)向裂縫,之后隨著荷載的增加,徑向裂縫從之前的環(huán)向裂縫出發(fā),并向外延申,最后在徑向裂縫的外圍生成環(huán)向裂縫。
徑向裂縫由基礎(chǔ)周圍土體張拉破壞形成,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:風(fēng)積沙地基開始是受到張拉破壞,最后由于張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導(dǎo)致地基徹底破壞。
圖3 D=200mm 的3%含水率風(fēng)積沙地基
圖4 D=400mm 的3%含水率風(fēng)積沙地基
本文通過對不同含水率及底板尺寸的風(fēng)積沙地基模型基礎(chǔ)上拔試驗的分析,得出如下結(jié)論:
(1)風(fēng)積沙地基的荷載~位移曲線的變化特征為直線- 曲線- 直線,其主要包括初始彈性階段、曲線過度段及破壞階段。
(2)風(fēng)積沙地基的抗拔承載力隨著含水率的增加而增加,同時隨著底板尺寸的增加而增加。
(3)風(fēng)積沙地基的破壞機制是:風(fēng)積沙地基加載前中期開始是受到張拉破壞,最后的破壞是由于張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導(dǎo)致的。