張 星, 崔 強(qiáng), 王金鎖, 李 俊, 劉 廣, 張振華

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司,新疆 烏魯木齊 830063; 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京 102401; 3.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(guó)新疆地區(qū)有大量的風(fēng)電等清潔能源,依靠特高壓輸電線路將新疆地區(qū)電能輸送到能源緊缺的東部和中部地區(qū),是實(shí)現(xiàn)資源有效調(diào)配的重要方式。2022年5月國(guó)務(wù)院在《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》中提出,要加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系[1]。根據(jù)《新疆“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃》,“十四五”期間,新疆將進(jìn)一步完善750 kV主網(wǎng)架,開工建設(shè)±800 kV哈密北—重慶特高壓直流工程,推動(dòng)實(shí)施哈密—敦煌第三回750 kV輸變電工程,形成“內(nèi)供七環(huán)網(wǎng)、外送六通道”的主網(wǎng)架格局,特高壓電網(wǎng)將迎來(lái)新一輪的建設(shè)高峰期[2]。

新疆地區(qū)的黃土雖然在自然狀態(tài)下有低壓縮性、強(qiáng)度高和孔隙比小等特點(diǎn)[3],但是新疆黃土一旦遇水,就會(huì)產(chǎn)生明顯的濕陷變形現(xiàn)象,且失水后還會(huì)出現(xiàn)二次濕陷性。隨著土體埋藏深度增加,黃土濕陷性逐漸降低,而在相同埋深情況下,在一定范圍內(nèi),隨著上覆壓力的增加并在一定浸水條件下,黃土的濕陷性十分明顯[4-5]。干濕循環(huán)作用會(huì)使得黃土顆粒間的微裂隙逐漸擴(kuò)張,干密度顯著減小,這也是導(dǎo)致表面裂隙改變和力學(xué)性能衰減的本質(zhì)原因[6]。

為了評(píng)價(jià)黃土地基濕陷性變形,文獻(xiàn)[7]進(jìn)行不同圍壓和應(yīng)力比的黃土增濕至飽和浸水三軸試驗(yàn),給出濕陷性黃土的濕陷變形計(jì)算表達(dá)式;文獻(xiàn)[8-12]研究發(fā)現(xiàn),利用水泥粉煤灰碎石樁、素土擠密樁、土壤固化劑和振桿密實(shí)法技術(shù)處理濕陷性黃土地基,能較好地改善黃土的濕陷性。新疆地區(qū)的黃土濕陷變形嚴(yán)重影響新疆特高壓輸電線路的塔基基礎(chǔ)穩(wěn)定性,亟需開展黃土地基改良方法對(duì)其力學(xué)特性和濕陷性的影響機(jī)制研究。

為提升新疆黃土地基中特高壓輸電線路的塔基穩(wěn)定性,本文采用灌注樁后注漿方法進(jìn)行黃土地基改良,通過開展改良前后樁周黃土的直剪強(qiáng)度、濕陷性指標(biāo)和微觀性能測(cè)試,從宏微觀角度揭示灌注樁后注漿對(duì)新疆黃土的改良效果和作用機(jī)制,以期為采用灌注樁后注漿方法改良新疆黃土的力學(xué)和變形特性提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 取樣地點(diǎn)

本研究取樣地點(diǎn)位于新疆伊犁哈薩克自治州尼勒克縣塔勒德地區(qū)。為驗(yàn)證地基改良技術(shù)方案對(duì)依托工程濕陷性黃土地基適用性,研究人員在該地區(qū)開展了黃土地基灌注樁后注漿的改良試驗(yàn),并進(jìn)行樁基上拔承載力的真型測(cè)試。本文主要研究灌注樁后注漿改良方式對(duì)樁周黃土力學(xué)和濕陷性的影響。

1.2 樣品制備與測(cè)試

本次強(qiáng)度測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,在20號(hào)塔位取環(huán)刀樣12個(gè),在29號(hào)塔位于改良前后各取環(huán)刀樣12個(gè)。其中,20號(hào)塔位在黃土地基中直接開挖取樣,記為取樣點(diǎn)1,如圖1所示。

圖1 20號(hào)塔位取樣點(diǎn)1取樣現(xiàn)場(chǎng)圖片

29號(hào)塔位為樁基灌漿和上拔試驗(yàn)場(chǎng)地,該場(chǎng)地規(guī)劃設(shè)計(jì)10個(gè)試驗(yàn)樁,改良前土樣取樣位置為未注漿試驗(yàn)樁的樁周土體,記為取樣點(diǎn)2;改良后土樣取樣位置為注漿試驗(yàn)樁的樁周土體,記為取樣點(diǎn)3。29號(hào)塔位取樣點(diǎn)取樣現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖2所示。

圖2 29號(hào)塔位取樣點(diǎn)取樣現(xiàn)場(chǎng)圖片

注漿采用多斷面樁側(cè)注漿方式,自地面起算,每隔 2 m設(shè)置1層注漿斷面。取樣點(diǎn)3處的樁長(zhǎng)為5.2 m, 埋入長(zhǎng)度為5.0 m,外露長(zhǎng)度為0.2 m,樁徑為1.0 m,共設(shè)置2個(gè)注漿斷面。漿液通過豎向注漿管到達(dá)注漿斷面,在每個(gè)注漿斷面上有由耐高壓復(fù)合軟管加工而成的環(huán)形單向注漿閥,環(huán)形注漿閥上開設(shè) 6 個(gè)注漿孔。后注漿時(shí)間在混凝土初凝后,即成樁 2 d后開始注漿。漿液的水灰比控制在0.7～0.9之間,注漿壓力與深度有關(guān),在本取樣斷面處注漿壓力為0.1 MPa,注漿流量不超過 75 L/min,每個(gè)斷面注漿量估算約為0.7 t。

環(huán)刀取樣過程中均勻用力,環(huán)刀取樣后采用保鮮膜和膠帶密封,并采用記號(hào)筆進(jìn)行編號(hào),密封好的環(huán)刀樣裝入保鮮袋,進(jìn)一步防止水分丟失。密封制備好的環(huán)刀樣采用防震氣泡膜包裹裝箱,運(yùn)輸過程輕拿輕放,盡量避免對(duì)黃土原狀結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

為弄清新疆黃土樣物理性質(zhì),開展一系列實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)試驗(yàn)。采用鋁盒烘干法對(duì)新疆黃土含水率進(jìn)行測(cè)試,烘干時(shí)間不少于8 h,使用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀,測(cè)得3個(gè)取樣點(diǎn)試樣的液限、塑限和塑性指數(shù)。3個(gè)取樣點(diǎn)試樣的含水率、密度、塑限、液限和塑性指數(shù)見表1所列。

表1 3個(gè)取樣點(diǎn)試樣含水率、密度和液塑限

2 后注漿對(duì)力學(xué)特性和濕陷性的影響

2.1 試驗(yàn)方法

本文采用直剪試驗(yàn)研究新疆黃土的力學(xué)和強(qiáng)度特性。根據(jù)文獻(xiàn)[13],結(jié)合土樣實(shí)際情況,新疆濕陷性黃土直剪試驗(yàn)的方法和步驟如下:

1) 每組直剪試驗(yàn)準(zhǔn)備4個(gè)環(huán)刀土樣,將準(zhǔn)保存良好的原狀環(huán)刀土樣拆封,進(jìn)行環(huán)刀編號(hào),制備標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)刀土樣。

2) 將剪切盒安裝好,插入銷釘,使上下剪切盒緊密貼合,環(huán)刀刀口向上放在上剪切盒,用透水石緩慢按壓環(huán)刀土樣,將土樣擠進(jìn)剪切盒中,放上加壓蓋。

3) 將剪切盒的觸頭對(duì)準(zhǔn)壓力環(huán)方向,將剪切盒正確放在剪切儀上,手搖搖桿,當(dāng)變形百分表有讀數(shù)時(shí),停止搖動(dòng),使環(huán)刀、剪切盒緊密接觸,將壓力桿放在壓力蓋上,先給予100 kPa的垂直壓力。拔出銷釘,接通電源,打開開關(guān)。

4) 搖桿每轉(zhuǎn)動(dòng)2圈,記錄變形百分表讀數(shù)。土樣剪切破壞時(shí)的讀數(shù)乘以測(cè)力環(huán)系數(shù)即為該土樣在對(duì)應(yīng)垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。需要注意的是,本次試驗(yàn)土樣為濕陷性黃土,剪切破壞對(duì)應(yīng)的讀數(shù)在變形百分表的表現(xiàn)不明顯,需仔細(xì)關(guān)注試驗(yàn)過程中指針不再轉(zhuǎn)動(dòng)或倒退的現(xiàn)象,同時(shí)根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)值和增長(zhǎng)趨勢(shì),識(shí)別出土樣剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的變形百分表讀數(shù)。

5) 再分別給予200、300、400 kPa的垂直壓力,重復(fù)步驟1)～步驟4),得到每級(jí)垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。

濕陷性指標(biāo)測(cè)試采用雙線法,該方法操作較簡(jiǎn)單,需要的試樣量少。試驗(yàn)時(shí)一個(gè)試樣在天然濕度下分級(jí)加壓,直至濕陷變形穩(wěn)定為止;另一個(gè)試樣在天然濕度下施加第1級(jí)壓力后浸水。浸水時(shí)向容器中注入純水,水面宜高出試樣頂面;浸水時(shí)注入的純水淹沒土樣,水面高度相同,確保不同試樣的浸水狀態(tài)完全一致。在第1級(jí)壓力下濕陷穩(wěn)定后,再分級(jí)加壓,直至試樣在各級(jí)壓力下浸水變形穩(wěn)定為止,壓力等級(jí)在150 kPa以內(nèi)時(shí),每級(jí)增量為25～50 kPa;壓力超過150 kPa時(shí),每級(jí)增量為50～100 kPa。由于取土深度較淺,最后一級(jí)壓力采用200 kPa。記錄每級(jí)壓力下的讀數(shù),并計(jì)算每級(jí)壓力下的濕陷系數(shù)[13],計(jì)算公式為:

(1)

其中:δ為濕陷系數(shù);hp為在某級(jí)壓力下,試樣變形穩(wěn)定后的高度;hp′為在某級(jí)壓力下,試樣浸水濕陷變形穩(wěn)定后的高度;h0為試樣初始高度。

2.2 抗剪強(qiáng)度

3個(gè)取樣點(diǎn)黃土試樣4種壓力下的直剪試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。

表2 3個(gè)取樣點(diǎn)黃土試樣4種壓力下抗剪強(qiáng)度 單位:kPa

由表2可知:取樣點(diǎn)1與取樣點(diǎn)2的黃土抗剪強(qiáng)度相近,這2個(gè)取樣點(diǎn)的土均為改良前黃土,均為未施加改良措施的土樣;改良后樁周黃土在各級(jí)荷載下的抗剪強(qiáng)度明顯增大,在100 kPa垂直壓力下增幅大約為20 kPa,整體呈垂直壓力越大、增幅越大的趨勢(shì)。

根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,根據(jù)擬合直線方程可得到黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力,見表3所列。

表3 3個(gè)取樣點(diǎn)黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角

從表3可以看出:改良前土樣(取樣點(diǎn)1和取樣點(diǎn)2)的內(nèi)摩擦角平均為23.66°,黏聚力平均為20.88 kPa;與改良前土樣相比,改良后黃土(取樣點(diǎn)3)內(nèi)摩擦角變大為26.76°,增幅為13.10%,而黏聚力增大為31.30 kPa,增幅為49.90%。由此可見,樁周后注漿的擠壓作用一定程度上改變了新疆黃土的結(jié)構(gòu),改良后黃土的抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和黏聚力均有不同程度的提升。

2.3 濕陷性指標(biāo)

根據(jù)2.1節(jié)所述黃土濕陷性指標(biāo)測(cè)試方法,用雙線法進(jìn)行黃土濕陷性指標(biāo)測(cè)試,試驗(yàn)過程中做好記錄,進(jìn)行黃土試樣在不同壓力下天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)變形比較,在最后一級(jí)壓力黃土濕陷變形穩(wěn)定后,浸水狀態(tài)試樣比天然狀態(tài)試樣變形明顯。

每組黃土濕陷性指標(biāo)測(cè)試需采用2個(gè)試樣,一個(gè)試樣為天然狀態(tài),另一個(gè)試樣為浸水狀態(tài)。每個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行2組濕陷性指標(biāo)測(cè)試,分別記為試驗(yàn)1和試驗(yàn)2,測(cè)出在每級(jí)壓力下試樣天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)下的試樣高度。取樣點(diǎn)1試驗(yàn)1在不同壓力下天然與浸水狀態(tài)變形對(duì)比如圖3所示。

圖3 取樣點(diǎn)1試驗(yàn)1在不同壓力下天然與浸水狀態(tài)變形對(duì)比

取樣點(diǎn)1試驗(yàn)2在不同壓力下天然與浸水狀態(tài)變形對(duì)比如圖4所示。

圖4 取樣點(diǎn)1試驗(yàn)2在不同壓力下天然與浸水狀態(tài)變形對(duì)比

同樣地,分別進(jìn)行取樣點(diǎn)2和取樣點(diǎn)3的2組濕陷性指標(biāo)測(cè)試。由式(1)計(jì)算得到不同垂直壓力下黃土的濕陷系數(shù),見表4所列。

表4 3個(gè)取樣點(diǎn)黃土4種壓力下2組試驗(yàn)的濕陷系數(shù)

取樣點(diǎn)2和取樣點(diǎn)3共進(jìn)行4組試驗(yàn)。由表4可知:在軸向荷載50 kPa下,黃土的濕陷系數(shù)由改良前的平均0.042減小至改良后的0.017;在軸向荷載100、150、200 kPa下,與改良前相比,改良后濕陷系數(shù)均有所下降,由改良前的0.061、0.072、0.079分別減小至改良后的0.037、0.044、0.051;在每級(jí)荷載下,黃土的濕陷系數(shù)平均下降0.026左右,降幅約41.34%,黃土濕陷性系數(shù)下降較明顯,達(dá)到了較好改良效果。不同垂直壓力下黃土改良前后平均濕陷系數(shù)對(duì)比如圖5所示。

圖5 3個(gè)取樣點(diǎn)黃土濕陷系數(shù)對(duì)比

從圖5可以看出,取樣點(diǎn)1與取樣點(diǎn)2(改良前)濕陷性較高,采用樁周后注漿進(jìn)行黃土的濕陷性改善,取樣點(diǎn)3(改良后)黃土遇水時(shí)濕陷變形顯著減小,平均降低41.34%。

3 注漿前后的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試分析

3.1 FESEM測(cè)試分析

采用合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心的熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope,FESEM)對(duì)新疆黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),改良前、后黃土的FESEM圖像如圖6所示。

圖6 改良前、后黃土FESEM圖像

對(duì)比改良前、后FESEM圖像可以發(fā)現(xiàn):改良后顆粒間隙變小,孔隙率也較小,顆粒之間膠結(jié)良好;在注漿后土體表面可見少量凝塊狀膠結(jié),分布均勻。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,采用的注漿壓力較大,但是開挖樁周土體發(fā)現(xiàn),漿液很少進(jìn)入土體,大部分附著在樁周上形成混凝土凸起。這種樁周凸起一定程度上增大了樁周側(cè)摩阻力,對(duì)樁體抗拔承載力的提升具有重要作用。同時(shí),注漿過程中漿液注入對(duì)周圍土體具有較強(qiáng)的擠壓作用,注漿壓力通過擠壓樁周土體,降低了孔隙率,提高了黃土的抗剪強(qiáng)度。

3.2 XRD測(cè)試分析

依據(jù)文獻(xiàn)[14],在黃土X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測(cè)試分析前,先取100 g左右土樣在室溫下風(fēng)干,然后用瑪瑙研缽將風(fēng)干后的樣品碾碎成粒徑小于0.075 mm的粉末,在碾碎過程中可通過過篩的方法分離達(dá)到粒徑要求的粉晶顆粒。將碾磨好的粉末樣品充分混合均勻后,進(jìn)行XRD測(cè)試。

本研究采用固定靶X’Pert PRO MPD X射線衍射儀(荷蘭PANalytical公司)進(jìn)行測(cè)試分析,結(jié)果表明,改良前后的新疆黃土礦物組分未明顯改變。這說明注漿后漿液未大量進(jìn)入土體,更多的是附著在樁周形成混凝土凸起。采用分析軟件MDI Jade 6.5對(duì)黃土的XRD圖譜進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。

圖7 黃土的XRD分析結(jié)果

4 結(jié) 論

本文針對(duì)灌注樁后注漿對(duì)樁周黃土力學(xué)特性和濕陷性的影響開展試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,改良前新疆尼勒克縣塔勒德地區(qū)黃土內(nèi)摩擦角平均為23.66°,改良后內(nèi)摩擦角增大為26.76°,增幅為13.10%,而改良前黃土黏聚力平均為20.88 kPa,改良后增大為31.30 kPa,增幅約為49.90%。

采用改良前后土樣(取樣點(diǎn)2、取樣點(diǎn)3)進(jìn)行4組濕陷性指標(biāo)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在50、100、150、200 kPa 4級(jí)軸向荷載下,改良后黃土的濕陷性變形均有顯著減小,每級(jí)荷載下,黃土的濕陷系數(shù)平均下降0.026左右,降幅約41.34%。黃土的微觀測(cè)試也表明,黃土微觀結(jié)構(gòu)會(huì)因隨注漿而改變,改良后土骨架間的孔隙變小;改良前大多為絮狀結(jié)構(gòu),改良后發(fā)現(xiàn)少量塊狀膠結(jié),這可能與后注漿過程中漿液對(duì)樁周黃土擠壓作用有關(guān)。

本文試驗(yàn)結(jié)果表明,采用灌注樁后注漿技術(shù)在新疆地區(qū)對(duì)黃土地基進(jìn)行改良、提高輸電線路塔基穩(wěn)定性是可行的。