粗顆粒鹽漬土地區掏挖基礎抗拔承載力特性及數值模擬研究

王學明，康 玥，許 健，袁 俊，魏 鵬

(1.中國電力工程顧問集團 西北電力設計院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

粗顆粒鹽漬土地區掏挖基礎抗拔承載力特性及數值模擬研究

王學明1，康 玥1，許 健2，袁 俊1，魏 鵬1

(1.中國電力工程顧問集團 西北電力設計院有限公司， 陜西 西安 710075；2.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

根據哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路的工程條件，對粗顆粒鹽漬土地區掏挖基礎抗拔承載性能進行數值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽漬土層狀態、基礎深徑比及水平荷載與上拔荷載比值對抗拔承載力的影響規律。結果表明：掏挖基礎抗拔承載力在鹽漬土層鹽分結晶時隨鹽漬土層厚度增大而增大，鹽分溶蝕時隨鹽漬土層厚度增大而減小。抗拔承載力隨深徑比增大持續增大，臨界深徑比約為4.5；隨著深徑比增大，鹽漬土層狀態對基礎抗拔承載力的影響逐漸減弱；超過臨界深徑比后，結晶狀態抗拔承載力與融化狀態趨于一致。鹽漬土層鹽分結晶狀態下的水平荷載影響系數高于溶蝕狀態。

粗顆粒鹽漬土；掏挖基礎；數值模擬；抗拔承載力

“疆電外送”是優化全國電力資源配置、配合“一帶一路”經濟帶輸電走廊建設的重要舉措。在“疆電外送”的主要通道上(甘肅、新疆等省、自治區)分布大量粗顆粒鹽漬土[1-2]。這些粗顆粒鹽漬土地區沉積較好地段土石膠結良好且承載力高(見圖1)，其承載特性既區別于膠結較好黏性土又不同于黏結性較差的砂土和一般的碎石土[3]。對于這類特殊的地質條件，地基參數的設計取值、基礎選型及其承載機理與工程設計方法、施工方法與常規地區地基有較大差異[4]。

目前，普通土地基掏挖基礎抗拔承載計算模型主要包括Truncated cone model、Traditional cylindrical shear model，在國內規范中表現為剪切法、土重法和剪切-土重混合法[5-10]。近年來，戈壁碎石土地基掏挖基礎抗拔承載力研究成果日益豐富[11-14]，其合理利用了特殊原狀土地基的承載特性，拓寬了掏挖基礎的應用范圍。但粗顆粒鹽漬土地基中掏挖基礎抗拔性能研究還較為缺乏，設計技術規程也沒有針對這方面的詳細設計規定，設計人員主要參照普通地質條件的設計方法。因此現有的設計方案，大部分偏于保守，未能充分利用這種特殊土質的承載優勢。基于此，本文選取了哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路戈壁灘鹽漬土場地典型直線塔1 600 kN上拔作用力下的設計掏挖基礎為計算模型，對粗顆粒鹽漬土地區掏挖基礎抗拔承載力特性進行數值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽分結晶狀態、深徑比和水平荷載對掏挖基礎抗拔承載力的影響，以期為粗顆粒鹽漬土地質條件下基礎設計和施工提供依據和建議。

圖1粗顆粒鹽漬土地層

1 地基基礎相互作用計算模型

1.1 基礎混凝土材料本構模型

掏挖基礎混凝土材料的剛度遠大于地基土體，上拔加載過程中基礎的應變是非常微小的，故在數值計算過程中將基礎假定為理想彈性材料，其彈性本構方程為：

(1)

式中：σij為應力張量；εij為應變張量；εm為平均應變；δij為單位張量。

1.2 粗顆粒鹽漬土地基屈服破壞準則

土體采用Mohr-Coulomb剪切破壞準則，該表達式形式為：

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為剪切面上的剪應力和正應力；c，φ為土體的黏聚力和內摩擦角。

1.3 接觸面數學模型

粗顆粒鹽漬土地基基礎接觸面采用無厚度模型，垂向和切向力與位移之間的關系可表示如下：

Fn=knunA

(4)

Fs=ksusA

(5)

式中：Fn為垂向力；kn為垂向模量;un為垂向位移；Fs為切向力；ks為切向模量；us為切向位移；A為接觸面面積。

2 數值計算模型及工況

荷載作用下粗顆粒鹽漬土地基掏挖基礎抗拔承載特性采用有限差分數值計算程序[15-16]進行分析計算。

2.1 基礎尺寸及土層參數

根據哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路典型粗顆粒鹽漬土場地條件，選取工程典型直線塔的掏挖基礎設計尺寸：主柱直徑1.5 m；主柱高6.0 m(不含擴底)；基礎擴底直徑3.0 m；擴底高2.1 m。

依據基礎幾何尺寸特征，地基基礎數值模型計算范圍設置為30 m×30 m×20 m(約為基礎埋深的3～6倍)的長方體區域(見圖2)。粗顆粒鹽漬土地基與掏挖基礎均選取8節點六面體單元，地基基礎接觸面選取無厚度單元。

圖2掏挖基礎有限元模型

根據試驗場地典型鉆孔資料，計算區域分為3部分：鋼筋混凝土基礎，粗顆粒鹽漬土層h1，普通粗顆粒地基土h2，如圖3所示。

2.2 計算邊界條件

粗顆粒鹽漬土地基基礎數值計算模型的上表面為自由邊界條件，其余四個側面及底面施加法向約束邊界條件，掏挖基礎頂端施加豎直向上的上拔荷載或上拔與水平聯合荷載。

圖3掏挖基礎橫斷面計算模型(單位：m)

2.3 計算參數

根據西北電力設計院針對粗顆粒鹽漬土大型剪切室內試驗已有研究成果[17]，并進一步參考已有研究文獻資料中針對粗顆粒鹽漬地基土計算力學參數取值建議[14,18]，最終確定粗顆粒鹽漬土地基基礎計算力學參數，具體取值分別見表1和表2。

表1 鹽漬土層結晶狀態力學參數取值

表2 鹽漬土層溶蝕狀態力學參數取值

2.4 數值計算工況

掏挖基礎抗拔承載性能影響因素很多，如場地水文地質及工程地質條件、基礎幾何尺寸、基礎埋深條件及荷載作用條件等。為綜合分析各影響因素對基礎抗拔承載力的影響，選取深徑比，鹽漬土層厚度、鹽漬土層狀態(結晶、溶蝕)和水平荷載與上拔荷載比值四個典型影響因素，共完成34個工況的數值仿真計算，各影響因素具體水平因子如表3所示。

3 數值結果分析

3.1 荷載-位移曲線及承載力確定

3.1.1 荷載-位移曲線

通過數值仿真計算逐級加載并計算分析每級荷載作用下基礎穩定上拔位移量，最終獲得粗顆粒鹽漬土地質條件下掏挖基礎上拔荷載-位移典型數值計算曲線。各影響因素下基礎典型上拔荷載-位移曲線分別如圖4～圖7所示。

表3 影響因素水平因子

注：“—”表示不存在該因子。

圖4深徑比2.5，結晶狀態時不同鹽漬土層厚度上拔荷載-位移曲線

圖5深徑比2.5，溶蝕狀態時不同鹽漬土層厚度上拔荷載-位移曲線

3.1.2 上拔荷載-位移曲線特征及上拔承載力

粗顆粒鹽漬土地質條件下掏挖基礎上拔荷載-位移曲線是粗顆粒鹽漬土地基狀況、掏挖基礎尺寸、基礎埋深條件和荷載作用特征等多種影響因素的綜合反映結果。典型基礎上拔荷載-位移曲線可分為具有明顯峰值荷載的“軟化型”(見圖8曲線1)、具有明顯陡變起始點的“陡變型”(見圖8曲線2)和“緩變型”(見圖8曲線3)三種類型。

圖6 鹽漬土層厚度2.0 m，結晶狀態時不同深徑比上拔荷載-位移曲線

圖7 鹽漬土層厚度2.0 m，溶蝕狀態時不同深徑比上拔荷載-位移曲線

圖8上拔荷載-位移曲線類型

分析前述圖4～圖7所示的基礎抗拔荷載-位移數值計算曲線特征，可以看出典型粗顆粒鹽漬土地質條件下掏挖基礎上拔荷載-位移曲線表現出“緩變型”變化特征，可劃分為三個典型特征階段：初始彈性段、過渡段和破壞段，具體見圖9。

初始段OA，掏挖基礎上拔荷載-位移曲線表現出線性變化特征，粗顆粒鹽漬地基土體處于彈性狀態，變形以彈性壓縮變形為主；過渡段AB，隨著荷載進一步增加，掏挖基礎上拔荷載-位移曲線表現出明顯的非線性變化特征，上拔位移變化速率顯著大于初始階段，粗顆粒鹽漬土地基進入彈塑性力學平衡狀態，地基塑性屈服區開始出現并逐漸擴展；破壞段BC，掏挖基礎上拔位移量迅速增加，粗顆粒鹽漬土地基剪切裂縫迅速開展并貫通，形成較為完整的滑動面，地基整體剪切破壞。

圖9掏挖基礎上拔荷載-位移曲線特征

根據掏挖基礎上拔荷載-位移曲線數值計算的三個特征階段，可選用初始直線斜率法、雙直線交點法、L1-L2三種代表性圖解方法確定基礎的抗拔極限承載力[18]。其中，L1-L2圖解方法以掏挖基礎上拔荷載-位移曲線的彈性段終點荷載作為彈性抗拔承載力，以破壞段起點荷載作為抗拔極限承載力。上述取值原則可較好反映粗顆粒鹽漬土地質條件下掏挖基礎荷載-位移曲線的“緩變型”變化規律。基于此，本文采用L1-L2方法確定粗顆粒鹽漬土掏挖擴底基礎抗拔極限承載力。

3.2 鹽漬土層厚度及狀態對抗拔承載力影響

圖10給出不同鹽漬土層厚度及狀態(結晶、溶蝕)對基礎抗拔承載力的影響。從圖10中可以看出，粗顆粒鹽漬土層鹽分結晶狀態，基礎抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加而增大；鹽分溶蝕狀態下，初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加衰減幅度較大，但隨后趨于穩定。

圖10鹽漬土層厚度及狀態對抗拔承載力影響

干旱季節鹽漬土層結晶狀態時，由于鹽分對土顆粒的膠結作用，土體結構性增強，鹽漬土層土體強度增大，因而初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加持續增大；但當鹽漬土層厚度較小時，抗拔承載力增加幅度有限；后期隨著鹽漬土層厚度的持續增加，抗拔承載力開始表現出大幅度增長。值得注意的是，鹽漬土層厚度超過8 m后，基礎抗拔承載力趨于穩定。這是由于掏挖基礎設計埋深為7.7 m，鹽漬土層厚度超過基礎埋深后，對基礎抗拔承載力影響不大。

降雨溶蝕狀態時，由于鹽分浸水溶解，導致膠結物膠結強度喪失，鹽漬土層土體強度大大降低，因而初始抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加持續減小；但當鹽漬土層厚度較小時，抗拔承載力降低幅度有限，因而很快趨于穩定。此外，對比干旱季節鹽分結晶與降雨季節鹽分溶蝕狀態下的抗拔承載力變化曲線，不難發現，由于鹽分結晶的膠結作用，結晶狀態下的基礎抗拔承載力遠大于溶蝕狀態下的基礎抗拔承載力。結合新疆與甘肅河西走廊粗顆粒鹽漬土戈壁地區已有試驗資料，由于西北內陸戈壁灘地區降雨量稀少，蒸發量較大，在排水通暢的塔基，溶蝕深度一般不會超過0.3 m，因而地基土體中的鹽分大都處于結晶狀態，土體結構性與自穩性較好，強度與承載力較高，粗顆粒鹽漬土地區基礎設計可以適當考慮鹽分膠結作用對基礎抗拔承載力的影響，充分利用地基土質的承載優勢。

3.3 深徑比對抗拔承載力影響

圖11給出基礎抗拔承載力隨深徑比的變化規律。從圖11中可以看出，抗拔承載力隨深徑比增大持續增大，在深徑比λ為4.5處出現明顯拐點，即臨界深徑比為4.5，略高于規范規定的3.5～4.0。因此結合現場試驗結果，適當修正臨界深徑比，有利于減小基礎材料量，節省造價。

圖11深徑比對抗拔承載力影響

此外，從圖11中還可以看出，深徑比較小時，結晶狀態抗拔承載力高于溶蝕狀態。隨著深徑比持續增大，鹽漬土層狀態對基礎抗拔承載力的影響逐漸減弱；超過臨界深徑比后，結晶狀態抗拔承載力與融化狀態趨于一致。

3.4 水平荷載對抗拔承載力影響

水平荷載對基礎抗拔承載力影響如圖12所示。由圖12可見，水平荷載影響系數隨水平力與上拔力比值的增大逐漸減小，且衰減幅度增大。結合表4水平荷載對基礎抗拔承載力影響系數具體數值可以看出，結晶狀態下由于上層鹽漬土層的強度和承載力較高，因而水平荷載影響系數高于溶蝕狀態。值得注意的是，與《架空輸電線路基礎設計技術規程》[10](DL/T 5219—2014)規范相比，水平力與上拔力比值較大時，水平荷載影響系數低于規范值，因此在設計中應采取合理措施，充分考慮水平荷載對于基礎抗拔承載能力的影響。

圖12水平荷載對抗拔承載力影響

4 結 論

本文基于哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程條件，對粗顆粒鹽漬土地區掏挖基礎抗拔承載力特性進行了數值模擬分析，研究了鹽漬土層厚度、鹽分狀態、水平力與上拔力比值、基礎深徑比對抗拔承載力的影響規律，結論如下：

(1) 粗顆粒鹽漬土層鹽分結晶狀態，基礎抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加而增大；鹽分溶蝕狀態下，初始階段抗拔承載力隨鹽漬土層厚度增加衰減幅度較大，但隨后趨于穩定。粗顆粒鹽漬土地區基礎設計可以適當考慮鹽分膠結作用對基礎抗拔承載力的影響，充分利用地基土質的承載優勢。

(2) 抗拔承載力隨深徑比增大持續增大，臨界深徑比約為4.5；隨著深徑比增大，鹽漬土層狀態對基礎抗拔承載力的影響逐漸減弱，結晶狀態抗拔承載力與融化狀態趨于一致。

(3) 水平荷載影響系數隨水平力與上拔力比值增大逐漸減小，且衰減幅度增大；鹽分結晶狀態下由于鹽漬土層的強度和承載力較高，因而水平力影響系數高于溶蝕狀態。

[1] 劉志偉,程東幸,張希宏.粗顆粒鹽漬土回填碾壓試驗研究[J].工程勘察,2012,40(6):18-21.

[2] 華遵孟,沈求武.西北內陸盆地粗顆粒鹽漬土研究[J].工程勘察,2001(1):28-31.

[3] 魯先龍,乾增珍,童瑞銘,等.壁地基擴底掏挖基礎抗拔試驗及其位移計算[J].巖土力學,2014,35(7):1871-1877.

[4] 程東幸,劉志偉,柯 學.粗顆粒鹽漬土溶陷性影響因素研究[J].工程地質學報,2013,21(1):109-114.

[5] 王學明,王虎長,胡建民,等.送電線路掏挖基礎抗拔力理論計算公式修正[J].電網與清潔能源,2007,23(8):39-46.

[6] 魯先龍,程永鋒,張 宇.輸電線路原狀土基礎抗拔極限承載力計算[J].電力建設,2006,27(10):28-32.

[7] 曾二賢,李 雋,王開明,等.輸電塔原狀土基礎抗拔承載力理論計算[J].電網與清潔能源,2010,26(3):45-47.

[8] 崔 強,張振華,安占禮,等.組合荷載作用下擴底基礎地基土體破壞模式及滑動面幾何特征分析[J].電網與清潔能源,2013,29(3):12-18.

[9] 國家能源局.架空輸電線路戈壁碎石土地基掏挖基礎設計與施工技術導則:DL/T 5708—2014[S].北京:中國電力出版社,2014.

[10] 國家能源局.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.

[11] 劉生奎,李永祥.掏挖基礎在西北戈壁地區的應用探討[J].電網與水力發電進展，2008,24(1):46-49.

[12] 李永祥,張 西,周吉安.750kV輸電線路戈壁碎石土地基直柱掏挖基礎試驗[J].電力建設,2010,31(9):22-25.

[13] 安維忠,李永祥,劉生奎,等.輸電線路戈壁碎石土地基現場直剪試驗[J].電力建設，2010，31(5):66-69.

[14] 魯先龍,童瑞銘,李永祥,等.輸電線路戈壁地基抗剪強度參數取值的試驗研究[J].電力建設,2011,32(11):11-15.

[15] 劉瑩駿,張運良.一種薄層接觸單元的開發及FLAC3D實現[J].水利與建筑工程學報,2014,12(4):1-8，49.

[16] 黃志全,張瑞旗,王安明.基于FLAC3D的樁錨支護結構變形分析[J].水利與建筑工程學報,2015,13(2):68-72.

[17] 程東幸,劉志偉.粗顆粒鹽漬土大型剪切強度室內試驗研究[R].西安:西北電力設計院,2017.

[18] 魯先龍,程永鋒.戈壁抗拔基礎承載性能試驗與計算[M].北京:中國電力出版社,2015.

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

中國電力工程顧問集團公司科研項目(DG1-T02-2017)

王學明(1978—)，男，甘肅靖遠人，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路設計工作。E-mail: wangxueming@nwepdi.com

許 健(1980—)，男，山東泰安人，博士，副教授，碩士生導師，主要從事寒區巖土工程研究工作。E-mail: xujian@xauat.edu.cn

TU448

A

1672—1144(2017)05—0094—06