水泥加固风积沙地基杆塔基础抗拔性能模型试验

2020-06-09徐玉波，张飞阳，崔强，何金业，周楠，李洋

人民长江 2020年4期

徐玉波，张飞阳，崔强，何金业，周楠，李洋

(1.国网新疆电力有限公司建设分公司，新疆乌鲁木齐 830001; 2.中国电力科学研究院有限公司，北京 102401; 3.中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830001; 4.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

我国是一个拥有大面积沙漠地区的国家，沙漠面积约占全国总面积的11%[1-2]。随着我国“一带一路”“疆电外送”“新疆联网”等大型电网工程的实施，越来越多的输电线路建设于沙漠腹地。

风积沙作为一种沙漠地区特有的土质，具有凝聚力低、流动性大等不良特性。在沙漠中建设以承受上拔荷载为主的输电线路杆塔基础具有一定的复杂性[3-4]：一方面是风积沙自身的不良特性，另一方面是沙漠地区中的特殊地质环境(如风蚀和流沙现象频发，水资源匮乏等)导致工程施工和维护难度较大。因此，在沙漠中建设杆塔基础，不仅应考虑杆塔基础的地基稳定性、结构强度、构造等设计要求，还需要考虑风蚀作用引起地基表面的剥蚀以及超填。因此，风积沙地区地基的防护及加固是影响杆塔基础设计优化及施工安全的一个重要因素。

国内外专家学者针对风积沙地区地基方面的研究主要集中在以下两个方面：① 针对风积沙地基中不同类型杆塔基础承载特性方面的研究，如装配式基础[5]、斜柱基础[6]和偏心基础[7]等；② 向风积沙中掺入特殊的材料以达到提高风积沙的性能或者改良风积沙的目的，如土工格栅[8-9]、聚丙烯纤维[10-11]和自制固化剂[12]等。水泥作为工程中最为常见的建筑材料之一，近年来成为以风积沙为代表的松散土的主要加固材料之一。如Nilo[13]、张家璐[14]、张石友[15]、盛明强[16]、熊营飞[17]等学者研究了风积沙、粉质黏土、粉土等松散土经水泥加固前后，其力学强度、地基承载力以及微观结构的变化，并为工程应用提供了一些措施和建议。

综上所述，针对水泥含量对风积沙地基承受上拔荷载的杆塔基础承载性能影响等方面的研究尚显缺乏，这限制了该项技术在风积沙地基中杆塔地基基础设计和防护等领域中的应用。

本文主要针对新疆联网重点工程750kV巴楚-和田输电通道中的风积沙低含水率、抗风蚀性差的特点[18]，向现场取回的风积沙中掺入定量的水泥，通过室内模型试验，研究水泥加固前后风积沙地基基础抗拔承载性能的变化，旨在对后续工程中的杆塔基础设计的优化方案以及防风固沙的合理措施提供理论依据。

1 风积沙的基本性质

750kV巴楚-和田输电线路工程是疆电外送的主要通道，是连接南北疆的电力枢纽。试验所用的风积沙取自750kV巴楚-和田输电线路沿线某典型塔位处，位于塔克拉玛干沙漠的腹地。塔克拉玛干沙漠作为中国最大的沙漠，地处新疆南部塔里木盆地中心，是我国流动性沙丘分布最广的沙漠。塔克拉玛干沙漠气候极端干旱，与其他地区风积沙相比，该地区风积沙更加干燥，风沙危害对杆塔基础稳定性的影响更加严重。

通过室内颗粒分析试验得到风积沙的粒径级配曲线如图1所示。风积沙的粒径组成主要集中在0.25～0.10 mm，其中d10=0.11 mm，d30=0.14 mm，d60=0.17 mm。计算得出风积沙的不均匀系数Cu=1.577，曲每系数Cc=1.053，所以试验所用的风积沙是级配不良细沙[19]。

图1 风积沙颗粒级配曲线

通过土工试验，分别测出天然状态与干燥状态风积沙的密度、比重、抗剪强度参数等物理力学特性指标，结果详见表1。

表1 风积沙试样的物理力学特性指标

2 水泥加固风积沙地基抗拔承载性能试验

2.1 试验样本设计

根据相关文献[1]，塔克拉玛干沙漠风积沙的平均含水率为2%左右，同时表1中的试验结果为1.7%，由此，综合确定本研究风积沙试样的含水率2%。为研究掺入不同量水泥后风积沙地基承载性能的变化，本次试验共设计出5个样本，如表2所示。

表2 水泥加固风积沙地基的试验样本

2.2 地基基础尺寸

本次水泥加固风积沙地基抗拔承载性能试验的地基域大小为1.2 m×1.2 m×0.55 m，模型基础采用钢制的锚板基础，其刚度远大于地基的刚度，如图2所示，其中模型基础及地基域的尺寸参数如表3所示。

图2 地基基础示意

表3 地基基础尺寸参数

2.3 地基施工过程

所有试验的地基均采用相同的流程制作。首先在试验场地开挖相应大小的基坑。其次在坑外将风干后的风积沙、普通硅酸盐水泥干粉混合，掺入适量的水搅拌均匀，实时测试混合料的含水率，直至混合料的含水率接近2%，即完成水泥固化风积沙回填材料的制备。最后，在地基域中心位置处放置模型基础，将填料倒入基坑中，采用人工方法分层夯实至标高(首先对50 mm的垫层进行夯实，之后自下而上分层回填并夯实，分层厚度为250 mm)。夯实完成后的所有水泥加固地基自然状态下养护14 d，之后开展相应的试验。

2.4 加卸载方案

试验加载装置由锚板、钢筋立柱、钢梁、反力墩、连接螺丝、上拔螺杆、千斤顶等组成，如图3所示。

试验采用应力控制的快速荷载法[20]进行加载和卸载。所有试验均加载到破坏状态，即该级地基荷载值无法稳定或变形不断增大而荷载加不上的状态。

地基基础体系的竖向位移采用量程50 mm、精度为0.01 mm的位移传感器测量进行测量。位移传感器分别布置于基础及地面两侧，用于测试基础与地基的上拔位移,如图3所示。

图3 试验装置示意

3 试验结果及分析

3.1 荷载位移曲线分析

图4为5个试验样本的上拔荷载-位移曲线。从图中可以看出，5个试验样本中，荷载位移曲线的变化特征可分为两种：陡降型(直线-直线)，缓变型(直线-曲线-直线)。

“陡降型”变化特征曲线主要包括初始弹性阶段以及地基达到破坏荷载后的破坏阶段，这以水泥含量较大的样本2-8最为典型；“缓变型”变化特征曲线主要包括初始弹性阶段、曲线过渡段以及破坏阶段，这以纯风积沙试样2-0以及掺入水泥量较小的2-2、2-4、2-6样本为代表。

由此可见，随着掺入水泥量的不断增加，风积沙地基的变形特性由最初的弹-塑性变形特性逐渐过渡至弹-脆性变形特性：即在初始弹性阶段，基础位移随着荷载的增大而增大，荷载-位移曲线近似为直线，地基的变形为弹性变形；直线段结束后，当上拔荷载接近极限荷载时，由水泥和风积沙形成的胶凝体迅速破坏，地基体直接出现贯穿裂缝，达到极限抗拔荷载，地基位移迅速增大，地基基础系统整体失稳。

图4 试验基础上拔荷载-位移曲线

3.2 破坏机制分析

试验结束后，描绘出地表形成的破裂面，如图5所示。图5中白色标识为地基裂缝，红色线段为地基域边框。从图5可以看出，对于样本2-0(纯风积沙地基)，加载初、中期，地表出现微小径向裂缝；随着上拔荷载的增加，首先是从基础中心产生径向裂缝，并逐渐向外延伸，最后在径向裂缝的外围生成环向裂缝，地基基础体系发生整体失稳。对于水泥加固风积沙地基(样本2-2、2-4、2-6、2-8)，加载初、中期，地表裂缝不明显；临近极限荷载时，首先从基础的中心产生十字径向裂缝，并向外扩张。在裂缝扩张的过程中，裂缝会再次向地基薄弱的方向产生其余裂缝，最后达到地基边缘，整个过程中基本不产生环向裂缝。

已有研究表明[21]，径向裂缝由基础周围土体张拉破坏形成，而环向裂缝由基础周围土体剪切破坏形成。由此可以表明：水泥加固风积沙地基的破坏是由整体张拉破坏导致的，基本没有产生剪切破坏，纯风积沙地基的破坏是由张拉破坏和剪切破坏联合作用导致的。

图5 地表裂缝

3.3 极限抗拔承载力分析

地基的极限抗拔荷载Tu是指地基在失效前承受的最大上拔荷载，是工程设计中的关键参数[22]，其值是根据地基的失效准则来判定。结合上文中对地基破坏机制的分析，本次试验取风积沙地基表面出现贯通裂缝时对应的荷载作为地基基础的极限抗拔承载力Tu。依据上述失效准则，确定出5个样本地基基础体系的极限抗拔承载力如表4所示。从表4可以看出，经水泥加固后的风积沙地基的抗拔承载力较加固前提高明显。这表明水泥的掺入能够有效提高风积沙地基的抗拔承载性能。

表4 地基极限抗承载力及极限位移

图6所示为基础抗拔承载力与水泥量之间的关系曲线。从图中可以看出，Tu随着水泥量的增加呈非线性变化趋势。对于5种水泥配比的复合地基，当水泥含量为6%时，Tu达到峰值，为11.99 kN，约为纯风积沙地基承载力的2.5倍；水泥含量为4%时，Tu达到谷值，约为纯风积沙地基的2.2倍。

图6 地基抗拔承载力与水泥掺量的关系曲线

已有研究表明[11]：水泥固化作用对风积沙力学强度的改善主要是由于水泥、沙以及水之间发生一系列的物理化学作用，生成的具有胶结特征的凝胶体，这种凝胶体有效连接了风积沙中的散粒体，从而形成整体性能优良的凝胶体。图7所示为试验结束后，开挖出地基碎块，从图中显示经水泥加固后的风积沙已从最初的散粒体转变成可以成型的固体颗粒物。