低含水率下風積沙地基的抗拔承載特性

張飛陽

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009）

1 概述

我國是一個多沙漠的國家，沙漠總面積約168.7 萬平方公里[1]。隨著我國“一帶一路”等大型工程的實施，越來越多的關(guān)系國家民生和經(jīng)濟的輸變電線路桿塔工程穿越或經(jīng)過沙漠地帶。

由于沙漠風積沙含水率較低，結(jié)構(gòu)松散，黏聚力低，承載性能較差，這對在沙漠中建設以承受上拔荷載為主的桿塔基礎(chǔ)是十分不利的，因此國內(nèi)外對于風積沙地基的上拔承載力主要從兩方面展開，一方面是采用特殊的基礎(chǔ)[2-3]，用基礎(chǔ)重量及上覆風積沙自重抵抗桿塔的上拔荷載，另一方面是采用水泥等固化材料[4]與風積沙混合，起到固化地基的作用，用基礎(chǔ)自重、上覆固化土自重以及固化土的抗剪強度抵抗桿塔的上拔荷載。

本文主要通過從含水率及基礎(chǔ)尺寸兩個方面，對風積沙地基的抗拔承載特性進行研究。

2 風積沙試樣特性

本次試樣取自塔克拉瑪干沙漠腹地，根據(jù)相關(guān)文獻，塔克拉瑪干沙漠的風積沙含水率在2%～4%，故在實驗室中將風積沙再塑成3%和5%的試驗用風積沙，研究風積沙的相關(guān)特性。

2.1 風積沙的物理特性

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5]，通過在實驗室中進行比重試驗得出試驗用風積沙的比重Gs 為2.7，通過顆粒分析試驗得出試驗用風積沙為級配不良細沙。

2.2 風積沙的力學特性

為研究不同含水率下風積沙的力學特性，將從塔克拉瑪干沙漠取回的風積沙分別再塑成含水率為3%和5%的試驗用風積沙，并進行直剪試驗，儀器采用四聯(lián)應變控制式直剪儀。

通過摩爾庫倫公式，從直剪試驗得出的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出試驗用風積沙的黏聚力和內(nèi)摩擦角，如表1 所示。

表1 試驗風積沙剪切強度

從表1 可以得出，隨著含水率的提高，風積沙試樣的黏聚力是在逐漸增大的，這是由于水的摻入導致風積沙有一定假黏聚力，而內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而減小，這是由于風積沙顆粒間的水分起到了潤滑作用。

3 風積沙室內(nèi)模型試驗

3.1 地基基礎(chǔ)形式及試驗安排

本次試驗的基礎(chǔ)采用錨板基礎(chǔ)，呈正方形，邊長D 分別為200mm 和400mm，厚度為10mm，上拔鋼筋采用螺紋鋼，截面為圓形，直徑d=20mm，錨板與上拔鋼筋的連接處采用焊接連接。地基為深度550mm（基礎(chǔ)埋深500mm，墊層50mm）、邊長L 為1200mm 的正方形地基，具體見圖1。

風積沙地基的試驗安排如表2。

圖1 地基基礎(chǔ)及安裝示意圖

表2 風積沙地基的試驗安排

3.2 地基基礎(chǔ)施工及試驗前準備

3.2.1 地基施工。所有試驗的地基均采用相同的流程制作。首先在場地內(nèi)開挖相應大小的基坑，然后將已風干一定時間的風積沙重塑成相應含水率的風積沙，形成風積沙回填土。之后將回填土放入基坑中，夯實至標高。夯實完成后所有地基基礎(chǔ)自然狀態(tài)下放置1 天，之后開展相應的試驗。

每個風積沙地基均采用人工方法分層夯實，先對0.05m 的墊層進行夯實，之后進行分層夯實，分層厚度為0.25m，分層夯實至相應風積沙的標高，所有試樣夯實的人員和工具都保持一致，以減少差異。

3.2.2 加載裝置與量測裝置。試驗加載裝置有錨板、鋼筋立柱、鋼梁、反力墩、連接螺絲、上拔螺桿、千斤頂?shù)冉M成，如圖1 所示。試驗采用應力控制的快速荷載法進行加載，荷載由油壓千斤頂施加，由拉力傳感器顯示荷載值。試驗的位移利用位移傳感器測量，位移傳感器量程50mm，精度為0.01mm，位移傳感器放置在固定于基礎(chǔ)錨桿上的平板，用于測試基礎(chǔ)上拔位移。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

4.1 荷載- 位移曲線

圖2 為含水率時不同時風積沙地基的抗拔荷載～位移曲線。通過這些荷載位移曲線，得到風積沙基地在低含水率時不同水泥含量下的抗拔承載特性。

從這4 個試驗樣本中可以看出，風積沙地基的荷載～位移曲線的變化特征為直線- 曲線- 直線，其主要包括初始彈性階段、曲線過度段及破壞階段。初始彈性階段位移隨著荷載的增大表現(xiàn)為線性增大，表現(xiàn)為彈性變形，初始彈性階段結(jié)束后，到達曲線過度段，風積沙地基出現(xiàn)了彈塑性變形，位移隨著荷載的增大表現(xiàn)為曲線增大，且斜率小于彈性階段，最后破壞階段，地基完全塑性變形，荷載下降，位移隨著時間增加而大幅度增加。

圖2 荷載位移曲線

4.2 上拔承載力分析

地基上拔承載力Tu是指地基在失效前承受的最大荷載，是在工程設計中的關(guān)鍵參數(shù)，本次試驗的上拔承載力Tu是根據(jù)地基在上拔過程中的最大荷載來確定的，具體的水泥固化風積沙地基的上拔承載力如表3。

表3 上拔承載力統(tǒng)計表

從表3 可以看出，在底板尺寸一致的情況下，隨著含水率的增加，上拔承載力和上拔位移均表現(xiàn)出增加的趨勢，同時上拔承載力隨著底板尺寸的增加而增加。在含水率為3%時。

4.3 破壞機制分析

試驗結(jié)束后，利用白灰描繪出地表形成的破裂面，如圖3 和圖4 所示。圖中白色標識為地基裂縫，紅色線段為地基域邊框。

從圖3 和圖4 可以看出，對于底板尺寸為200mm 的風積沙地基，加載前期，地基表面先出現(xiàn)了微小的徑向裂縫，隨著上拔荷載的增加，基礎(chǔ)中心開始產(chǎn)生明顯的徑向裂縫，并逐漸向外延申，最后在徑向裂縫的外圍生成環(huán)向裂縫，地基基礎(chǔ)體系發(fā)生整體失穩(wěn)；對于底板尺寸為400mm 的風積沙地基，加載前期與含水率為3%的風積沙地基基本一致，在出現(xiàn)明顯的徑向裂縫之后，由于基礎(chǔ)底板尺寸較大，會順著基礎(chǔ)的邊緣出現(xiàn)環(huán)向裂縫，之后隨著荷載的增加，徑向裂縫從之前的環(huán)向裂縫出發(fā)，并向外延申，最后在徑向裂縫的外圍生成環(huán)向裂縫。

徑向裂縫由基礎(chǔ)周圍土體張拉破壞形成，環(huán)向裂縫由基礎(chǔ)周圍土體剪切破壞形成。由此可以表明：風積沙地基開始是受到張拉破壞，最后由于張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導致地基徹底破壞。

圖3 D=200mm 的3%含水率風積沙地基

圖4 D=400mm 的3%含水率風積沙地基

5 結(jié)論

本文通過對不同含水率及底板尺寸的風積沙地基模型基礎(chǔ)上拔試驗的分析，得出如下結(jié)論：

（1）風積沙地基的荷載～位移曲線的變化特征為直線- 曲線- 直線，其主要包括初始彈性階段、曲線過度段及破壞階段。

（2）風積沙地基的抗拔承載力隨著含水率的增加而增加，同時隨著底板尺寸的增加而增加。

（3）風積沙地基的破壞機制是：風積沙地基加載前中期開始是受到張拉破壞，最后的破壞是由于張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導致的。