粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载力特性及数值模拟研究

王学明，康 玥，许 健，袁 俊，魏 鹏

(1.中国电力工程顾问集团 西北电力设计院有限公司， 陕西 西安 710075；2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055)

粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载力特性及数值模拟研究

王学明1，康 玥1，许 健2，袁 俊1，魏 鹏1

(1.中国电力工程顾问集团 西北电力设计院有限公司， 陕西 西安 710075；2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710055)

根据哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路的工程条件，对粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载性能进行数值模拟分析，研究了盐渍土层厚度、盐渍土层状态、基础深径比及水平荷载与上拔荷载比值对抗拔承载力的影响规律。结果表明：掏挖基础抗拔承载力在盐渍土层盐分结晶时随盐渍土层厚度增大而增大，盐分溶蚀时随盐渍土层厚度增大而减小。抗拔承载力随深径比增大持续增大，临界深径比约为4.5；随着深径比增大，盐渍土层状态对基础抗拔承载力的影响逐渐减弱；超过临界深径比后，结晶状态抗拔承载力与融化状态趋于一致。盐渍土层盐分结晶状态下的水平荷载影响系数高于溶蚀状态。

粗颗粒盐渍土；掏挖基础；数值模拟；抗拔承载力

“疆电外送”是优化全国电力资源配置、配合“一带一路”经济带输电走廊建设的重要举措。在“疆电外送”的主要通道上(甘肃、新疆等省、自治区)分布大量粗颗粒盐渍土[1-2]。这些粗颗粒盐渍土地区沉积较好地段土石胶结良好且承载力高(见图1)，其承载特性既区别于胶结较好黏性土又不同于黏结性较差的砂土和一般的碎石土[3]。对于这类特殊的地质条件，地基参数的设计取值、基础选型及其承载机理与工程设计方法、施工方法与常规地区地基有较大差异[4]。

目前，普通土地基掏挖基础抗拔承载计算模型主要包括Truncated cone model、Traditional cylindrical shear model，在国内规范中表现为剪切法、土重法和剪切-土重混合法[5-10]。近年来，戈壁碎石土地基掏挖基础抗拔承载力研究成果日益丰富[11-14]，其合理利用了特殊原状土地基的承载特性，拓宽了掏挖基础的应用范围。但粗颗粒盐渍土地基中掏挖基础抗拔性能研究还较为缺乏，设计技术规程也没有针对这方面的详细设计规定，设计人员主要参照普通地质条件的设计方法。因此现有的设计方案，大部分偏于保守，未能充分利用这种特殊土质的承载优势。基于此，本文选取了哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路戈壁滩盐渍土场地典型直线塔1 600 kN上拔作用力下的设计掏挖基础为计算模型，对粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载力特性进行数值模拟分析，研究了盐渍土层厚度、盐分结晶状态、深径比和水平荷载对掏挖基础抗拔承载力的影响，以期为粗颗粒盐渍土地质条件下基础设计和施工提供依据和建议。

图1粗颗粒盐渍土地层

1 地基基础相互作用计算模型

1.1 基础混凝土材料本构模型

掏挖基础混凝土材料的刚度远大于地基土体，上拔加载过程中基础的应变是非常微小的，故在数值计算过程中将基础假定为理想弹性材料，其弹性本构方程为：

(1)

式中：σij为应力张量；εij为应变张量；εm为平均应变；δij为单位张量。

1.2 粗颗粒盐渍土地基屈服破坏准则

土体采用Mohr-Coulomb剪切破坏准则，该表达式形式为：

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为剪切面上的剪应力和正应力；c，φ为土体的黏聚力和内摩擦角。

1.3 接触面数学模型

粗颗粒盐渍土地基基础接触面采用无厚度模型，垂向和切向力与位移之间的关系可表示如下：

Fn=knunA

(4)

Fs=ksusA

(5)

式中：Fn为垂向力；kn为垂向模量;un为垂向位移；Fs为切向力；ks为切向模量；us为切向位移；A为接触面面积。

2 数值计算模型及工况

荷载作用下粗颗粒盐渍土地基掏挖基础抗拔承载特性采用有限差分数值计算程序[15-16]进行分析计算。

2.1 基础尺寸及土层参数

根据哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路典型粗颗粒盐渍土场地条件，选取工程典型直线塔的掏挖基础设计尺寸：主柱直径1.5 m；主柱高6.0 m(不含扩底)；基础扩底直径3.0 m；扩底高2.1 m。

依据基础几何尺寸特征，地基基础数值模型计算范围设置为30 m×30 m×20 m(约为基础埋深的3～6倍)的长方体区域(见图2)。粗颗粒盐渍土地基与掏挖基础均选取8节点六面体单元，地基基础接触面选取无厚度单元。

图2掏挖基础有限元模型

根据试验场地典型钻孔资料，计算区域分为3部分：钢筋混凝土基础，粗颗粒盐渍土层h1，普通粗颗粒地基土h2，如图3所示。

2.2 计算边界条件

粗颗粒盐渍土地基基础数值计算模型的上表面为自由边界条件，其余四个侧面及底面施加法向约束边界条件，掏挖基础顶端施加竖直向上的上拔荷载或上拔与水平联合荷载。

图3掏挖基础横断面计算模型(单位：m)

2.3 计算参数

根据西北电力设计院针对粗颗粒盐渍土大型剪切室内试验已有研究成果[17]，并进一步参考已有研究文献资料中针对粗颗粒盐渍地基土计算力学参数取值建议[14,18]，最终确定粗颗粒盐渍土地基基础计算力学参数，具体取值分别见表1和表2。

表1 盐渍土层结晶状态力学参数取值

表2 盐渍土层溶蚀状态力学参数取值

2.4 数值计算工况

掏挖基础抗拔承载性能影响因素很多，如场地水文地质及工程地质条件、基础几何尺寸、基础埋深条件及荷载作用条件等。为综合分析各影响因素对基础抗拔承载力的影响，选取深径比，盐渍土层厚度、盐渍土层状态(结晶、溶蚀)和水平荷载与上拔荷载比值四个典型影响因素，共完成34个工况的数值仿真计算，各影响因素具体水平因子如表3所示。

3 数值结果分析

3.1 荷载-位移曲线及承载力确定

3.1.1 荷载-位移曲线

通过数值仿真计算逐级加载并计算分析每级荷载作用下基础稳定上拔位移量，最终获得粗颗粒盐渍土地质条件下掏挖基础上拔荷载-位移典型数值计算曲线。各影响因素下基础典型上拔荷载-位移曲线分别如图4～图7所示。

表3 影响因素水平因子

注：“—”表示不存在该因子。

图4深径比2.5，结晶状态时不同盐渍土层厚度上拔荷载-位移曲线

图5深径比2.5，溶蚀状态时不同盐渍土层厚度上拔荷载-位移曲线

3.1.2 上拔荷载-位移曲线特征及上拔承载力

粗颗粒盐渍土地质条件下掏挖基础上拔荷载-位移曲线是粗颗粒盐渍土地基状况、掏挖基础尺寸、基础埋深条件和荷载作用特征等多种影响因素的综合反映结果。典型基础上拔荷载-位移曲线可分为具有明显峰值荷载的“软化型”(见图8曲线1)、具有明显陡变起始点的“陡变型”(见图8曲线2)和“缓变型”(见图8曲线3)三种类型。

图6 盐渍土层厚度2.0 m，结晶状态时不同深径比上拔荷载-位移曲线

图7 盐渍土层厚度2.0 m，溶蚀状态时不同深径比上拔荷载-位移曲线

图8上拔荷载-位移曲线类型

分析前述图4～图7所示的基础抗拔荷载-位移数值计算曲线特征，可以看出典型粗颗粒盐渍土地质条件下掏挖基础上拔荷载-位移曲线表现出“缓变型”变化特征，可划分为三个典型特征阶段：初始弹性段、过渡段和破坏段，具体见图9。

初始段OA，掏挖基础上拔荷载-位移曲线表现出线性变化特征，粗颗粒盐渍地基土体处于弹性状态，变形以弹性压缩变形为主；过渡段AB，随着荷载进一步增加，掏挖基础上拔荷载-位移曲线表现出明显的非线性变化特征，上拔位移变化速率显著大于初始阶段，粗颗粒盐渍土地基进入弹塑性力学平衡状态，地基塑性屈服区开始出现并逐渐扩展；破坏段BC，掏挖基础上拔位移量迅速增加，粗颗粒盐渍土地基剪切裂缝迅速开展并贯通，形成较为完整的滑动面，地基整体剪切破坏。

图9掏挖基础上拔荷载-位移曲线特征

根据掏挖基础上拔荷载-位移曲线数值计算的三个特征阶段，可选用初始直线斜率法、双直线交点法、L1-L2三种代表性图解方法确定基础的抗拔极限承载力[18]。其中，L1-L2图解方法以掏挖基础上拔荷载-位移曲线的弹性段终点荷载作为弹性抗拔承载力，以破坏段起点荷载作为抗拔极限承载力。上述取值原则可较好反映粗颗粒盐渍土地质条件下掏挖基础荷载-位移曲线的“缓变型”变化规律。基于此，本文采用L1-L2方法确定粗颗粒盐渍土掏挖扩底基础抗拔极限承载力。

3.2 盐渍土层厚度及状态对抗拔承载力影响

图10给出不同盐渍土层厚度及状态(结晶、溶蚀)对基础抗拔承载力的影响。从图10中可以看出，粗颗粒盐渍土层盐分结晶状态，基础抗拔承载力随盐渍土层厚度增加而增大；盐分溶蚀状态下，初始阶段抗拔承载力随盐渍土层厚度增加衰减幅度较大，但随后趋于稳定。

图10盐渍土层厚度及状态对抗拔承载力影响

干旱季节盐渍土层结晶状态时，由于盐分对土颗粒的胶结作用，土体结构性增强，盐渍土层土体强度增大，因而初始阶段抗拔承载力随盐渍土层厚度增加持续增大；但当盐渍土层厚度较小时，抗拔承载力增加幅度有限；后期随着盐渍土层厚度的持续增加，抗拔承载力开始表现出大幅度增长。值得注意的是，盐渍土层厚度超过8 m后，基础抗拔承载力趋于稳定。这是由于掏挖基础设计埋深为7.7 m，盐渍土层厚度超过基础埋深后，对基础抗拔承载力影响不大。

降雨溶蚀状态时，由于盐分浸水溶解，导致胶结物胶结强度丧失，盐渍土层土体强度大大降低，因而初始抗拔承载力随盐渍土层厚度增加持续减小；但当盐渍土层厚度较小时，抗拔承载力降低幅度有限，因而很快趋于稳定。此外，对比干旱季节盐分结晶与降雨季节盐分溶蚀状态下的抗拔承载力变化曲线，不难发现，由于盐分结晶的胶结作用，结晶状态下的基础抗拔承载力远大于溶蚀状态下的基础抗拔承载力。结合新疆与甘肃河西走廊粗颗粒盐渍土戈壁地区已有试验资料，由于西北内陆戈壁滩地区降雨量稀少，蒸发量较大，在排水通畅的塔基，溶蚀深度一般不会超过0.3 m，因而地基土体中的盐分大都处于结晶状态，土体结构性与自稳性较好，强度与承载力较高，粗颗粒盐渍土地区基础设计可以适当考虑盐分胶结作用对基础抗拔承载力的影响，充分利用地基土质的承载优势。

3.3 深径比对抗拔承载力影响

图11给出基础抗拔承载力随深径比的变化规律。从图11中可以看出，抗拔承载力随深径比增大持续增大，在深径比λ为4.5处出现明显拐点，即临界深径比为4.5，略高于规范规定的3.5～4.0。因此结合现场试验结果，适当修正临界深径比，有利于减小基础材料量，节省造价。

图11深径比对抗拔承载力影响

此外，从图11中还可以看出，深径比较小时，结晶状态抗拔承载力高于溶蚀状态。随着深径比持续增大，盐渍土层状态对基础抗拔承载力的影响逐渐减弱；超过临界深径比后，结晶状态抗拔承载力与融化状态趋于一致。

3.4 水平荷载对抗拔承载力影响

水平荷载对基础抗拔承载力影响如图12所示。由图12可见，水平荷载影响系数随水平力与上拔力比值的增大逐渐减小，且衰减幅度增大。结合表4水平荷载对基础抗拔承载力影响系数具体数值可以看出，结晶状态下由于上层盐渍土层的强度和承载力较高，因而水平荷载影响系数高于溶蚀状态。值得注意的是，与《架空输电线路基础设计技术规程》[10](DL/T 5219—2014)规范相比，水平力与上拔力比值较大时，水平荷载影响系数低于规范值，因此在设计中应采取合理措施，充分考虑水平荷载对于基础抗拔承载能力的影响。

图12水平荷载对抗拔承载力影响

4 结 论

本文基于哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程条件，对粗颗粒盐渍土地区掏挖基础抗拔承载力特性进行了数值模拟分析，研究了盐渍土层厚度、盐分状态、水平力与上拔力比值、基础深径比对抗拔承载力的影响规律，结论如下：

(1) 粗颗粒盐渍土层盐分结晶状态，基础抗拔承载力随盐渍土层厚度增加而增大；盐分溶蚀状态下，初始阶段抗拔承载力随盐渍土层厚度增加衰减幅度较大，但随后趋于稳定。粗颗粒盐渍土地区基础设计可以适当考虑盐分胶结作用对基础抗拔承载力的影响，充分利用地基土质的承载优势。

(2) 抗拔承载力随深径比增大持续增大，临界深径比约为4.5；随着深径比增大，盐渍土层状态对基础抗拔承载力的影响逐渐减弱，结晶状态抗拔承载力与融化状态趋于一致。

(3) 水平荷载影响系数随水平力与上拔力比值增大逐渐减小，且衰减幅度增大；盐分结晶状态下由于盐渍土层的强度和承载力较高，因而水平力影响系数高于溶蚀状态。

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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

中国电力工程顾问集团公司科研项目(DG1-T02-2017)

王学明(1978—)，男，甘肃靖远人，硕士，高级工程师，主要从事输电线路设计工作。E-mail: wangxueming@nwepdi.com

许 健(1980—)，男，山东泰安人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事寒区岩土工程研究工作。E-mail: xujian@xauat.edu.cn

TU448

A

1672—1144(2017)05—0094—06