沙漠風積沙地基擴展基礎抗拔現場試驗研究

魯先龍，丁士君，楊文智，鄭衛鋒

(中國電力科學研究院， 北京 100192)

沙漠風積沙地基擴展基礎抗拔現場試驗研究

魯先龍，丁士君，楊文智，鄭衛鋒

(中國電力科學研究院， 北京 100192)

通過在新疆、寧夏和內蒙古典型沙漠地區完成的現澆混凝土和裝配式2種擴展基礎在上拔、上拔與水平力組合工況下的25個現場試驗，獲得了風積沙擴展基礎抗拔荷載-位移曲線，并確定了各試驗基礎的抗拔極限承載力。按照“土重法”計算原理，得到了反映沙漠風積沙地基抗拔承載性能的極限“上拔角”。經統計分析，得到沙漠風積沙極限“上拔角”標準值為16.8°，該值考慮了沙漠風積沙的區域特征、基礎型式與尺寸、荷載工況等因素，可為沙漠地區輸電線路桿塔基礎的工程設計提供依據。

沙漠；風積沙；抗拔；擴展基礎；上拔角；輸電線路

我國是世界上沙漠分布最多、沙漠化危害嚴重的國家之一[1-2]，從西北、華北到東北西部形成了一條弧形沙地和沙漠帶，面積達70多萬km2。沙漠地區降水稀少、氣候干燥、地面溫度高、晝夜溫差大、風沙活動強烈，屬于一種極端環境。此外，沙漠地基性質特殊，砂石料、水等建筑材料匱乏。因此，沙漠地區工程建設難度大，過去常被視為生命和工程建設禁區。但隨著我國“一帶一路”和西部開發等國家戰略實施，越來越多輸電線路工程需建設在沙漠地區。

風積沙是沙漠和沙地的主要組成物質，是干旱、半干旱氣候環境下形成的一種特殊地質材料[3]。我國沙漠地區電網輸電線路桿塔基礎工程建設中都堅持“就地取材”原則，將風積沙作為地基土體。然而，對于輸電線路桿塔基礎而言，抗拔承載性能通常是其設計控制條件[4]。由于風積沙結構松散、無黏聚力、抗拔承載性能和穩定性差，這就使得沙漠地區輸電線路基礎工程建設具有特殊的復雜性[5-9]。

結合我國電網工程建設，在新疆、寧夏和內蒙古典型沙漠試驗地點開展了現澆混凝土和裝配式2種擴展基礎型式，在上拔、上拔與水平力組合工況下的25個抗拔基礎現場試驗成果，分析了沙漠風積沙地基擴展基礎抗拔荷載-位移特性，得到了反映沙漠風積沙抗拔承載性能的極限“上拔角”取值，可用于指導工程設計。

1 現場試驗概況

1.1 試驗場地

現場試驗地點共4個，1個位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，1個位于新疆古爾班通古特沙漠腹地，另外2個分別位于寧夏毛烏素沙漠邊緣的寧武市白岌灘自然保護區和寧夏平羅縣境內。

試驗場地風積沙厚度均大于10 m，均勻松散，主要物理力學性質如表1所示。

1.2 基礎型式及其結構尺寸

沙漠地區輸電線路桿塔基礎一般采用開挖回填方法施工。由于風積沙自穩性差、現場支護困難等因素，風積沙基坑一般不宜太深，采用的桿塔基礎型式主要為現澆鋼筋混凝土基礎和預制裝配式基礎2類。針對輸電線路桿塔基礎受力特點，這2類基礎又有不同型式，如圖1所示。

表1 混凝土擴展基礎設計參數

圖1試驗基礎結構

圖1(a)為工程中通常采用的直柱擴展基礎，其由鋼筋混凝土立柱和底板2部分組成，通過預埋在基礎立柱內的地腳螺栓與上部桿塔結構相連接。對一般格構式輸電線路桿塔而言，其基礎承受拉/壓豎向荷載作用的同時，也承受橫線路方向(X向)、順線路方向(Y向)的水平力作用，3個方向作用力的合力與鉛垂方向一般有5°～15°夾角。因此，在實際工程中若采用圖1(b)所示的斜立柱擴展基礎，其立柱沿X、Y方向進行相同的傾角，其一般與上部桿塔主材傾角一致，該類型基礎立柱底面中心與底板中心重合，但立柱頂面中心與底板中心沿X、Y方向分別形成了eX和eY的偏心距，這可有效降低水平力對基礎立柱產生的彎矩作用，使得基礎斜立柱近似處于軸向受力狀態[5]。為方便基礎施工，可采用圖1(c)所示的偏心直柱擴展基礎，讓基礎立柱中心與底板中心沿X、Y方向有eX和eY偏心距，也可降低基礎立柱所受的彎矩作用[7]。

由于沙漠地區混凝土現場澆注困難，可采用工廠預制、現場拼裝的裝配式基礎，其型式多樣，圖1(d)為混凝土板條和鋼管組合裝配基礎，底板由混凝土板條和橫梁連接形成，立柱由鋼管組成，基礎通過鋼管法蘭與上部桿塔結構連接[6]。圖1(e)為混凝土板條和角鋼組合裝配基礎，底板也是由混凝土板條和橫梁連接形成，但其基礎立柱則由支架主角鋼和連接角鋼組成，通過頂板連接裝置與上部桿塔連接。圖1(f)為混凝土板條和角鋼組合的偏心裝配式基礎，其組成與圖1(e)基本相同，但其頂板連接裝置中心與底板中心有eX和eY偏心距，基礎承載性能得到優化[8]。

圖1所示的5種現場試驗基礎尺寸分別如表2和表3所示。

表2 混凝土擴展基礎設計參數

1.3 基礎施工

基礎按以下工序施工：(1) 基坑開挖至設計埋深，并做好基坑支護；(2) 對混凝土擴展基礎定位、支模、混凝土澆注，對組合裝配基礎直接進行組裝；(3) 按200 mm分層回填并人工夯實，直至地表；(4) 為期28 d的混凝土養護和風積沙地基休止期。完成第(1)道工序后，立即進行第(2)道工序，以防風積沙移動而填埋已開挖的基坑。

1.4 荷載工況及加載系統

試驗前以基礎各方向預估極限承載力的1/10為增量進行荷載分級，確定每一級荷載值。試驗采用慢速維持荷載法，第1次加載量為分級荷載增量2倍，以后按分級荷載增量逐級等量加載。試驗中上拔和水平力(沿X、Y合力方向)按照同一分級荷載所對應的荷載值施加，并自動加載、補載與恒載[5-9]。

上拔加載系統由3～5根長12 m經加固工字鋼梁、混凝土反力基礎、千斤頂、連接螺栓、球形鉸和連接板等組成。反力基礎中心距10 m，以消除反力支座對上拔范圍內風積沙地基的影響。球形鉸支座可消除加載偏心的影響。試驗水平力加載系統，由人工用手拉葫蘆(導鏈)通過反力地錨、滑輪組和鋼絲繩組成的系統施加[5]。

表3 裝配式基礎設計參數

2 試驗結果與分析

2.1 基礎荷載-位移曲線

圖2為各試驗基礎荷載-位移曲線，其中水平荷載和水平位移均為X、Y方向合力及其對應位移。

此外，文獻[10]在內蒙古達拉特旗境內的庫布其沙漠開展的3個基礎現場抗拔試驗成果，3個試驗基礎中1個為剛性臺階基礎、2個為拉線盤基礎，基礎尺寸及其抗拔-荷載位移曲線分別如圖3所示。

圖2新疆和寧夏沙漠試驗基礎荷載-位移曲線

2.2 荷載-位移特性與極限承載力確定

圖1～圖3所示的上拔、上拔+水平力組合試驗工況下基礎抗拔荷載-位移曲線表明，風積沙地基擴展基礎抗拔承載過程總體上呈圖4所示的3階段變化特征：(1) 初始彈性直線段(oa段)，隨外荷載增加，基礎自重被克服，底板上風積沙地基變形引起基頂位移，位移增加速率緩慢，呈線性變化，抗拔荷載-位移曲線近似為直線；(2) 過渡段(ab段)，風積沙地基進入塑性階段，地表出現裂縫，基頂位移隨上拔荷載的增加而明顯增大，呈非線性變化且位移變化速率明顯大于初始彈性直線段；(3) 直線破壞段(bc段)，基礎位移隨上拔荷載增加而迅速增大，較小的荷載增量即產生較大的位移增量，風積沙地基破裂面逐漸開展并直至破壞，上拔和水平位移都迅速增大，破裂面隨即開展至土體表面，地基產生整體破壞。

圖3內蒙古庫布其沙漠基礎抗拔試驗

根據圖4所示的抗拔荷載-位移曲線特征，取b點所對應的荷載為相應試驗基礎的抗拔極限承載力[11-12]。考慮到一般建構(筑)物基礎上拔位移允許值為25 mm[4,13]，當b點位移大于25 mm時，取位移25 mm對應荷載為極限承載力。各試驗基礎抗拔極限承載力結果分別如表2和表3所示。

圖4風積沙地基擴展基礎抗拔荷載-位移曲線特征階段

同時，按照這一極限承載力確定原則，得到文獻[10]中試驗基礎GTJ1、LXP1和LXP1極限承載力分別為700 kN、220 kN和134 kN，所對應上拔位移分別為4.20 mm、2.05 mm和18.10 mm。

3 風積沙擴展基礎抗拔設計及其參數

對開挖回填類擴展基礎抗拔穩定性計算，國內外主要采用如圖5所示的“土重法”計算模型[13-17]。

圖5 “土重法”計算模型

如圖5所示，基礎抗拔極限承載力由基礎自重及抗拔倒錐體范圍內的土體重量2部分組成，按式(1)計算其抗拔承載力：

Tu=γs(Vt-V0)+Gf

(1)

式中：γs為回填土重度，kN/m3；V0為地表下基礎混凝土體積，m3；Gf為基礎重量，kN；Vt為直線滑動面所形成的抗拔倒錐體體積，由式(2)確定：

(2)

式中：ht為基礎抗拔計算深度，ht=D-t，m；α為抗拔倒錐體側面與垂直方向夾角，稱為“上拔角”，(°)；α隨土質條件而改變，反映土體抗拔性能。

按照“土重法”計算模型與方法，根據各試驗基礎的抗拔極限承載力，可計算得到各試驗條件下風積沙地基的“上拔角”大小，結果分別如表2和表3所示。同時，文獻[10]中的3個基礎GTJ1、LXP1和LXP1抗拔試驗得到的風積沙地基“上拔角”分別為21.9°、18.6°和15.1°。

試驗表明，風積沙地基“上拔角”不是定值，與基礎底板尺寸、基礎深寬比(ht/D)等因素有關。以直柱擴展基礎為例，當基礎底板邊長相同時，埋深越大，風積沙“上拔角”越小，“上拔角”隨深寬比增大而減小。此外，水平承載力也顯著降低了基礎抗拔承載力。在上拔和水平力組合作用下，采用斜立柱基礎、直立柱偏心以及偏心裝配式基礎等型式，可改善相應基礎的承載性能。

根據試驗結果，可得到各沙漠風積沙極限“上拔角”均值μ、標準差σ和變異系數δ分別為20.5°、10.4°和0.50。“上拔角”統計修正系數φα按式(3)計算[18]：

(3)

式中n=25。計算得到φα=0.82。

按(4)式計算風積沙極限“上拔角”標準值αμk：

αμk=φαμ

(4)

由此可計算得到αμk為16.8°。

通過現場試驗確定的風積沙極限“上拔角”標準值αμk值綜合考慮了風積沙的地域特征、試驗基礎類型、試驗基礎幾何尺寸、水平荷載作用等多個因素的影響，可供沙漠地區輸電線路桿塔基礎設計參考。

4 結 論

(1) 不同類型的擴展基礎在沙漠風積沙地基中均具有較好抗拔承載性能，可滿足沙漠地區輸電線路工程建設需要，斜立柱、直立柱偏心以及偏心裝配等方法可進一步提高基礎的載性能。

(2) 風積沙地基擴展基礎抗拔承載過程呈初始彈性直線段、彈塑性過渡段和直線破壞段的3階段漸進變化特征，可取直線破壞段的起點作為基礎抗拔極限承載力。

(3) 風積沙地基“上拔角”與基礎底板尺寸、基礎深寬比等因素有關，試驗確定的沙漠風積沙極限“上拔角”標準值為16.8°，該值考慮了沙漠的地域特征、基礎類型及其幾何尺寸、水平力作用等多個影響因素，可供沙漠地區輸電線路桿塔基礎設計參考。

[1] 張景燾.風積沙的壓實特性研究[J].水利與建筑工程學報，2014，12(1)：77-82．

[2] 焦 莉，王 磊．風積沙路基壓實特性試驗研究[J]．水利與建筑工程學報，2012，10(4)：22-26．

[3] Elipe M G M, López-Querol S. Aeolian sands: Characterization, options of improvement and possible employment in construction-The state-of-the-art[J]. Construction and Building Materials, 2014,73：728-739.

[4] Lu X L, Qian Z Z, Zheng W F, et al. Characterization and uncertainty of uplift load-displacement behaviour of belled piers[J]. Geomechanics & Engineering, 2016,11(2):211-234.

[5] 乾增珍,魯先龍,丁士君.上拔與水平力組合作用下加筋風積沙斜柱擴展基礎試驗[J].巖土工程學報，2011,33(3)：373-379.

[6] 乾增珍,魯先龍,丁士君.塔克拉瑪干沙漠輸電線塔裝配式基礎試驗研究[J].巖土力學,2011,32(8)：2359-2364.

[7] 乾增珍，魯先龍，丁士君.加筋風積沙地基直柱擴展基礎抗拔試驗[J].土木工程學報，2011，44(S2)：29-32．

[8] 乾增珍，魯先龍，丁士君．風積沙地基裝配式偏心基礎抗拔試驗研究[J]．巖土力學，2013，34(4)：1097-1102，1108．

[9] Qian Z Z, Lu X L. Spread foundation behaviors in reinforced aeolian sand under a combination of uplift and lateral loadings[C]//Tunneling and Underground Construction. ASCE, Shanghai, 2014：396-409.

[10] 孫俊華，特木爾，閆 濤．達豐500kV輸電線路工程沙漠地基鐵塔基礎抗拔穩定試驗及探討[C]//中國電機工程學會輸電線路專委會結構分專委三屆二次年會論文，2004．

[11] Hirany A, Kulhawy F H. Conduct and interpretation of load tests on drilled shaft foundations: Detailed guidelines[R]. Palo Alto: Electric Power Research Institute, 1988.

[12] Qian Z Z, Lu X L, Han X, et al. Interpretation of uplift load tests on belled piers in Gobi gravel[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2015,52(7):992-998.

[13] 架空輸電線路基礎設計技術規程：DL/T 5219—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014．

[14] Matsuo M. Study on the uplift resistance of footing (I)[J]. Soil and Foundation, 1967,7(4):1-37.

[15] Meyerhof G G, Adams J I. The ultimate uplift capacity of foundations[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1968,5(4):225-244.

[16] Pacheco M P, Danziger F A B, Pinto C P. Design of shallow foundations under tensile loading for transmission line towers: An overview[J]. Engineering Geology, 2008,101(3/4):226-235.

[17] IEEE Std 691-2001. IEEE guide for transmission structure foundation design and testing[S]. New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2001.

[18] 建筑地基基礎設計規范：GB 50007—2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

UpliftFieldLoadTestsonSpreadFoundationsinAeolianSandArea

LU Xianlong, DING Shijun, YANG Wenzhi, ZHENG Weifeng

(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing, 100192,China)

In this study, the uplift performance of spread foundations were investigated in aeolian sand at typical deserts in Xinjiang, Ninxia, and Neimeng. Twenty-five full-scale spread foundations were installed at the aforementioned test sites, including the cast-in-place concrete spread foundations and the assembly foundations. The field load testing was conducted for each spread foundation under uplift loading or under the combination of uplift and lateral loadings, and the load-displacement curves for all tested foundations were obtained. Based on the characteristics of the load-displacement curve, the ultimate uplift capacity of each spread foundation was determined. The slope angle for the earth cone method was suggested, which is the parameter to determine the uplift capacity of spread foundations. Based on the statistic analysis, the standard value of the slope angle for earth cone method was suggested as 16.8°. The results in this study could be served as the support for foundation designs in aeolian sand because of the comprehensive considerations of the desert differences, the spread foundation structures, and the loading cases.

desert;aeoliansand;uplift;spreadfoundation;upliftangle;electricpowertransmissionline

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.004

2017-05-14

2017-06-17

國家電網公司科技項目(GCB17201500141，GCB17201200089)

魯先龍(1972—)，男，安徽廬江人，博士，教授級高級工程師，主要從事電力工程地基基礎和電網防災減災工作。

E-mail:luxianlong@163.com

TU375.6

A

1672—1144(2017)05—0020—06