沙漠地區(qū)風(fēng)積沙地基輸電線路裝配式基礎(chǔ)真型試驗(yàn)研究

程永鋒，丁士君

（中國(guó)電力科學(xué)研究院 輸變電工程力學(xué)研究所，北京 100055）

1 引 言

我國(guó)沙漠和沙漠化土地總面積約157×104km2，占國(guó)土面積的 16%，其中沙漠總面積為 80.89×104km2，主要分布在新疆（58.9%）、內(nèi)蒙古（29.9%）等省[1]。隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，穿越沙漠地區(qū)的架空輸電線路越來(lái)越多。沙漠地區(qū)主要采用開挖回填式基礎(chǔ)，在現(xiàn)行《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[2]中，上拔穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用土重法。但由于有關(guān)研究和現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，以及各地風(fēng)積沙的基本性質(zhì)的差異，上拔角的選取難以把握，尤其對(duì)沙漠地區(qū)大載荷作用下的桿塔基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)程中都沒(méi)有明確規(guī)定[2]。國(guó)際著名設(shè)計(jì)咨詢機(jī)構(gòu)ABB公司在進(jìn)行非洲蘇丹MEROWE DAM 1300多公里的輸電線路設(shè)計(jì)中，對(duì)穿越沙漠地區(qū)的各種線路基礎(chǔ)，進(jìn)行了基礎(chǔ)試驗(yàn)，取得主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并把試驗(yàn)成果作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[3]。

在沙漠地區(qū)，為了減少基礎(chǔ)施工中大量的沙石料運(yùn)輸以及解決用水困難等施工問(wèn)題，采用裝配式基礎(chǔ)。但輸電線路工程裝配式基礎(chǔ)應(yīng)用較少，尤其缺少沙漠地區(qū)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)依據(jù)[3－4]。劉文白等[5]通過(guò)模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了沙漠地區(qū)鐵塔基礎(chǔ)的拉拔試驗(yàn)，但沒(méi)有考慮到拉拔-水平組合荷載工況。筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)也對(duì)風(fēng)積沙地基斜柱基礎(chǔ)進(jìn)行了上拔與水平組合荷載作用的試驗(yàn)，但未考慮下壓-水平組合荷載的作用，研究成果也不一定適用于裝配式基礎(chǔ)[6－8]。由于水平荷載和上拔、下壓荷載的組合是沙漠地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要影響因素，有必要針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，開展垂直與水平荷載聯(lián)合作用下的裝配式基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，為沙漠地區(qū)輸電線路裝配式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)支持，從而保證線路的施工建設(shè)順利開展和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 工程概況[3]

線路工程自臺(tái)遠(yuǎn)220 kV變電站出線至擬建的塔中220 kV變電站止，所經(jīng)地域大部分為沙漠及沙丘，線路基本沿沙漠公路走線（見(jiàn)圖 1），平行沙漠公路穿行沙漠地段約167 km。

圖1 線路路徑走向Fig.1 Direction of transmission line

工程沿線地貌單元主要為山前沖洪積平原、沖積平原、塔克拉瑪干沙漠，地形起伏較大。所經(jīng)沙漠的特點(diǎn)是：顆粒極細(xì)，極為干燥，質(zhì)地松散、穩(wěn)定性差。因顆粒細(xì)，該沙漠的漂浮物在空中移動(dòng)距離最長(zhǎng)。線路所經(jīng)地區(qū)僅在沙漠低洼地段分布有少量植被，絕大部分為風(fēng)積沙形成的移動(dòng)沙丘。風(fēng)積沙地基常年飽受頻繁的風(fēng)力搬運(yùn)作用，沙體流動(dòng)性大，因此，風(fēng)積沙地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)工程建設(shè)具有其特殊性和復(fù)雜性。

3 風(fēng)積沙地基裝配式基礎(chǔ)真型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)220 kV臺(tái)遠(yuǎn)－塔中輸電線路途徑塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的特點(diǎn)，在該線路所經(jīng)地段選取了代表性試驗(yàn)點(diǎn)（見(jiàn)圖2）進(jìn)行3個(gè)（編號(hào)分別為：ZX1、ZX2和ZX3）單腿裝配式基礎(chǔ)真型載荷試驗(yàn)，其中，2個(gè)開展上拔與水平荷載組合（加載條件以下簡(jiǎn)稱：上拔工況）、選擇1個(gè)開展下壓-水平荷載組合工況試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱：下壓工況）。

裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與底板組裝見(jiàn)及見(jiàn)圖 3，其中底板上部支架采用角鋼組裝，底板由10根鋼筋混凝土板條和2根鋼筋混凝土橫擔(dān)組成。試驗(yàn)場(chǎng)地位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地，為風(fēng)積沙地基，分布有移動(dòng)式或半移動(dòng)式沙丘，風(fēng)積沙層厚超過(guò)5 m。

圖2 基礎(chǔ)試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.2 Test site of transmission line foundation

圖3 裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與底板組裝簡(jiǎn)圖Fig.3 Assembly foundation structure and assembly of foundation plate

在加載過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)有：基礎(chǔ)作用外荷載，包括各種工況下，對(duì)基礎(chǔ)頂部作用的豎向荷載（上拔或下壓）和 X、Y向水平荷載；基礎(chǔ)頂部位移；基礎(chǔ)鋼支架的應(yīng)力和底板與上部風(fēng)積沙地基間壓力測(cè)試。

針對(duì)ZX1和ZX2試驗(yàn)基礎(chǔ)，鋼支架應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和底板與地基接觸面處土壓力盒測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

3.2 載荷試驗(yàn)加載系統(tǒng)

通過(guò)試驗(yàn)加載設(shè)備、反力裝置和反力基礎(chǔ)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)的作用力，并進(jìn)一步達(dá)到試驗(yàn)預(yù)定值，為了保證試驗(yàn)全過(guò)程中能夠準(zhǔn)確地模擬輸電線路桿塔基礎(chǔ)的實(shí)際工作性狀，試驗(yàn)中首先采用豎向力和橫、縱向水平力在每一個(gè)荷載工況中都按相同的荷載比例同時(shí)加、卸載。

基礎(chǔ)豎向上拔加載系統(tǒng)如圖5所示，其中，鋼梁反力支座采用枕木和木板調(diào)節(jié)高度，支撐于風(fēng)積沙地基，千斤頂和油路系統(tǒng)施行局部加載，反力支座凈距應(yīng)大于8 m。

圖4 地基與基礎(chǔ)內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：mm）Fig.4 Internal force measuring points of ground and foundation (unit: mm)

圖5 基礎(chǔ)試驗(yàn)豎向上拔加載系統(tǒng)Fig.5 Uplift load system of foundation test

基礎(chǔ)試驗(yàn)豎向下壓加載采用堆載法，其加載系統(tǒng)如圖6所示。其中，鋼梁支座與上拔加載裝置相同，采用枕木和木板調(diào)節(jié)，堆載配重就地取材，利用風(fēng)積沙袋堆積，千斤頂和油路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)逐步加載的控制。

基礎(chǔ)試驗(yàn)中橫向、縱向水平力均采用水平反力地錨地基作為反力基礎(chǔ)，由手拉葫蘆通過(guò)滑輪（組）施加，并由拉力傳感器顯示荷載值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施加荷載大小的顯示與控制，X、Y向加載方式相同，但相互獨(dú)立，加載系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 基礎(chǔ)試驗(yàn)豎向下壓加載系統(tǒng)Fig.6 Pushdown load system of foundation test

圖7 水平加載系統(tǒng)示意圖Fig.7 Horizontal load system of foundation test

本次試驗(yàn)中基頂荷載和位移的測(cè)試，不僅是試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的重要部分，又是試驗(yàn)基礎(chǔ)加載的控制前提，根據(jù)測(cè)試結(jié)果和加卸載方案，來(lái)決定對(duì)加卸載的控制，包括豎向加載控制和水平加載控制。

4 真型試驗(yàn)結(jié)果

4.1 荷載試驗(yàn)

上拔工況下，ZX1和ZX3基礎(chǔ)的上拔、X和Y向水平試驗(yàn)荷載與位移實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖 8。下壓工況下，ZX2基礎(chǔ)的下壓、X和Y向水平試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系曲線見(jiàn)圖9。

從圖上分析可以看出：①當(dāng)上拔荷載較小時(shí)，外荷載逐步克服基礎(chǔ)自重，基底逐漸與板下地基脫離，基頂位地基土位移曲線基本呈線性比例變化；②試驗(yàn)基礎(chǔ)的上拔荷載與水平位移關(guān)系曲線表現(xiàn)為陡降型，存在明顯的陡降拐點(diǎn)，而下壓工況下豎向、水平向的荷載與位移關(guān)系近似線性；③無(wú)論下壓工況還是水平工況，基礎(chǔ)各向的臨塑和臨界荷載對(duì)應(yīng)的位移均大于常規(guī)現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)，主要是由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的裝配所造成。

試驗(yàn)中在 ZX1基礎(chǔ)加載后期發(fā)生底板與鋼支架連接螺栓斷裂現(xiàn)象導(dǎo)致破壞。根據(jù)荷載與位移關(guān)系曲線，結(jié)合試驗(yàn)加載中地基與基礎(chǔ)的表現(xiàn)特征，確定試驗(yàn)基礎(chǔ)承載力如表1所示，其中，ZX1和ZX3基礎(chǔ)承載力分別由荷載與位移關(guān)系曲線陡降點(diǎn)和極限位移25 mm對(duì)應(yīng)取值，ZX2基礎(chǔ)由最大穩(wěn)定加載取值。

圖8 基礎(chǔ)上拔工況試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系曲線Fig.8 Displacement vs. load under uplift condition

圖9 基礎(chǔ)下壓工況荷載與位移關(guān)系曲線Fig.9 Displacement vs. load under pushdown condition

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)極限承載力Table 1 Limited bearing capacity of test foundations

抗拔角為抗拔倒錐體表面與垂直面的夾角，其大小反映了地基土體抗拔承載性能，隨土質(zhì)條件不同而改變。目前風(fēng)積沙地基的上拔角取值國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范還沒(méi)給出明確的規(guī)定[7]。

根據(jù)土重法，地基土體破壞面可近似簡(jiǎn)化為倒錐體側(cè)面，在基礎(chǔ)達(dá)到破壞時(shí)，上拔荷載由抗拔土體和基礎(chǔ)重量平衡（計(jì)算示意見(jiàn)圖10），上拔極限承載力Rc可以表示為

式中：W 為抗拔土體重量（kN），該值由基礎(chǔ)尺寸和上拔角決定；Qf為上拔部分的基礎(chǔ)重量（kN）。具體計(jì)算公式可見(jiàn)文獻(xiàn)[2]，此處不列出。

圖10 抗拔計(jì)算示意圖Fig.10 Schematic diagram of anti-pulling calculation

對(duì)于上拔工況應(yīng)考慮水平荷載對(duì)上拔穩(wěn)定性的不利影響，采用水平力影響系數(shù)反映該特征，水平合力與上拔力的比值為0.15，由于無(wú)立柱不考慮地基土對(duì)立柱的水平抗力，影響系數(shù)依據(jù)參考文獻(xiàn)[2]按低值取為0.9，根據(jù)確定的基礎(chǔ)極限承載力，通過(guò)式（1）計(jì)算可得到風(fēng)積沙地基上拔角為19.5°。風(fēng)積沙按常規(guī)顆粒進(jìn)行分析可歸類為細(xì)砂，據(jù)此按文獻(xiàn)[2]取 26°，因此，按規(guī)范設(shè)計(jì)裝配式基礎(chǔ)，是偏于冒險(xiǎn)的。

4.2 基礎(chǔ)構(gòu)件應(yīng)變測(cè)試

輸電線路基礎(chǔ)在運(yùn)行過(guò)程中，承受的水平荷載相對(duì)其他建筑物和構(gòu)筑物是比較大，裝配式基礎(chǔ)的各角鋼構(gòu)件受力很復(fù)雜?？紤]角鋼在荷載作用下，處于彈性狀態(tài)下，根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)應(yīng)變值按照式（2）計(jì)算鋼筋應(yīng)力：

式中：σ為鋼筋應(yīng)力（MPa）；E為鋼筋彈性模量，取E=210 GPa；ε為鋼筋應(yīng)變值。

根據(jù)布置在基礎(chǔ)角鋼支架上的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，基礎(chǔ)上拔荷載和下壓荷載條件下，試驗(yàn)角鋼支架應(yīng)力-荷載關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖11和圖12，其中DJ為支架底板測(cè)點(diǎn)。

從圖11和圖12分析可以得出：①各測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)構(gòu)件應(yīng)變-荷載關(guān)系曲線表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致。②基礎(chǔ)角鋼支架測(cè)點(diǎn)中部分點(diǎn)超過(guò)鋼材抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)應(yīng)變（取10-3），在試驗(yàn)荷載小于基礎(chǔ)極限荷載作用時(shí)，應(yīng)變大于10-3的測(cè)點(diǎn)均位于與板條連接的支架腳板上，可采取加厚或加肋板的形式補(bǔ)強(qiáng)。同時(shí)，考慮在基礎(chǔ)構(gòu)件組裝過(guò)程中，螺桿無(wú)法擰緊，可能導(dǎo)致腳板約束較小而造成強(qiáng)度不足，宜調(diào)整板條與支架連接螺桿的安裝方式，并采用標(biāo)準(zhǔn)件螺桿。③角鋼支撐各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變滿足要求。

圖11 基礎(chǔ)上拔荷載試驗(yàn)角鋼支架應(yīng)力與荷載關(guān)系Fig.11 Relationships between stress of supporting frame and load under uplift load

圖12 基礎(chǔ)下壓荷載試驗(yàn)角鋼支架應(yīng)力與荷載關(guān)系Fig.12 Relationships between stress of supporting frame and load under pushdown load

混凝土板條應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于基礎(chǔ)底板上表面，其應(yīng)變隨荷載變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖13。

ZX1基礎(chǔ)加載后期由于底板與鋼支架連接螺栓斷裂，導(dǎo)致混凝土局部應(yīng)變異常。上圖分析可以看出：部分混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在大荷載時(shí)，混凝土應(yīng)變超過(guò)其開裂應(yīng)變（一般取10-4），考慮板條可帶裂縫工作，綜合其他測(cè)試分析，混凝土板條滿足要求。

圖13 基礎(chǔ)混凝土板條應(yīng)變與荷載關(guān)系曲線Fig.13 Relationships between strain of concrete strip and load

4.3 基礎(chǔ)底板與風(fēng)積沙地基間壓力測(cè)試

為反映加載過(guò)程中基礎(chǔ)-風(fēng)積沙接觸面上的土壓力分布以及變化情況，根據(jù)本次試驗(yàn)基礎(chǔ)型式、加載工況、地基與基礎(chǔ)間作用力等特點(diǎn)，土壓力盒測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 4，實(shí)測(cè)土壓力隨荷載變化情況見(jiàn)圖14。

因連接螺桿斷開，ZX1基礎(chǔ)與地基間局部壓力異常。從圖14分析可以看出，當(dāng)外荷載較小時(shí)，基底壓力基本上呈線性變化，隨荷載增大表現(xiàn)出非線性變化關(guān)系。

綜合基礎(chǔ)構(gòu)件內(nèi)力和地基與基礎(chǔ)間作用力測(cè)試結(jié)果，表明試驗(yàn)條件下基礎(chǔ)混凝土板條滿足下壓承載要求。基礎(chǔ)在承載過(guò)程中，無(wú)論是對(duì)上拔穩(wěn)定，還是對(duì)傾覆穩(wěn)定和下壓穩(wěn)定，基礎(chǔ)底板均發(fā)揮了重要作用。

圖14 基礎(chǔ)豎向荷載與基底壓力關(guān)系Fig.14 Foundation pressure vs. vertical load

5 結(jié) 論

（1）在上拔和水平組合荷載作用下，沙漠地區(qū)裝配式基礎(chǔ)的上拔極限承載力小于規(guī)范確定的承載力量值，若按規(guī)范設(shè)計(jì)裝配式基礎(chǔ)，是偏于冒險(xiǎn)的。

（2）裝配式基礎(chǔ)最不利受荷工況為上拔-水平荷載復(fù)合作用，上拔穩(wěn)定是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要控制條件，應(yīng)合理考慮水平荷載對(duì)上拔穩(wěn)定的影響。

（3）沙漠風(fēng)積沙地區(qū)輸電線路裝配式基礎(chǔ)抗拔承載力的計(jì)算中，上拔角可取20°。

（4）試驗(yàn)結(jié)果表明，基礎(chǔ)角鋼支架腳板鋼材和板條連接螺栓應(yīng)加強(qiáng)，以增加角鋼支架底部的約束，減少其不均勻受力，其他部分鋼材和混凝土均滿足強(qiáng)度要求。

[1]吳正. 風(fēng)沙地貌學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1987.

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