水泥加固風積沙地基桿塔基礎抗拔性能模型試驗

徐 玉 波，張 飛 陽，崔 強，何 金 業(yè)，周 楠，李 洋

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司建設分公司，新疆 烏魯木齊 830001; 2.中國電力科學研究院有限公司，北京 102401; 3.中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001; 4.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

我國是一個擁有大面積沙漠地區(qū)的國家，沙漠面積約占全國總面積的11%[1-2]。隨著我國“一帶一路”“疆電外送”“新疆聯(lián)網(wǎng)”等大型電網(wǎng)工程的實施，越來越多的輸電線路建設于沙漠腹地。

風積沙作為一種沙漠地區(qū)特有的土質，具有凝聚力低、流動性大等不良特性。在沙漠中建設以承受上拔荷載為主的輸電線路桿塔基礎具有一定的復雜性[3-4]：一方面是風積沙自身的不良特性，另一方面是沙漠地區(qū)中的特殊地質環(huán)境(如風蝕和流沙現(xiàn)象頻發(fā)，水資源匱乏等)導致工程施工和維護難度較大。因此，在沙漠中建設桿塔基礎，不僅應考慮桿塔基礎的地基穩(wěn)定性、結構強度、構造等設計要求，還需要考慮風蝕作用引起地基表面的剝蝕以及超填。因此，風積沙地區(qū)地基的防護及加固是影響桿塔基礎設計優(yōu)化及施工安全的一個重要因素。

國內外專家學者針對風積沙地區(qū)地基方面的研究主要集中在以下兩個方面：① 針對風積沙地基中不同類型桿塔基礎承載特性方面的研究，如裝配式基礎[5]、斜柱基礎[6]和偏心基礎[7]等；② 向風積沙中摻入特殊的材料以達到提高風積沙的性能或者改良風積沙的目的，如土工格柵[8-9]、聚丙烯纖維[10-11]和自制固化劑[12]等。水泥作為工程中最為常見的建筑材料之一，近年來成為以風積沙為代表的松散土的主要加固材料之一。如Nilo[13]、張家璐[14]、張石友[15]、盛明強[16]、熊營飛[17]等學者研究了風積沙、粉質黏土、粉土等松散土經(jīng)水泥加固前后，其力學強度、地基承載力以及微觀結構的變化，并為工程應用提供了一些措施和建議。

綜上所述，針對水泥含量對風積沙地基承受上拔荷載的桿塔基礎承載性能影響等方面的研究尚顯缺乏，這限制了該項技術在風積沙地基中桿塔地基基礎設計和防護等領域中的應用。

本文主要針對新疆聯(lián)網(wǎng)重點工程750kV巴楚-和田輸電通道中的風積沙低含水率、抗風蝕性差的特點[18]，向現(xiàn)場取回的風積沙中摻入定量的水泥，通過室內模型試驗，研究水泥加固前后風積沙地基基礎抗拔承載性能的變化，旨在對后續(xù)工程中的桿塔基礎設計的優(yōu)化方案以及防風固沙的合理措施提供理論依據(jù)。

1 風積沙的基本性質

750kV巴楚-和田輸電線路工程是疆電外送的主要通道，是連接南北疆的電力樞紐。試驗所用的風積沙取自750kV巴楚-和田輸電線路沿線某典型塔位處，位于塔克拉瑪干沙漠的腹地。塔克拉瑪干沙漠作為中國最大的沙漠，地處新疆南部塔里木盆地中心，是我國流動性沙丘分布最廣的沙漠。塔克拉瑪干沙漠氣候極端干旱，與其他地區(qū)風積沙相比，該地區(qū)風積沙更加干燥，風沙危害對桿塔基礎穩(wěn)定性的影響更加嚴重。

通過室內顆粒分析試驗得到風積沙的粒徑級配曲線如圖1所示。風積沙的粒徑組成主要集中在0.25～0.10 mm，其中d10=0.11 mm，d30=0.14 mm，d60=0.17 mm。計算得出風積沙的不均勻系數(shù)Cu=1.577，曲每系數(shù)Cc=1.053，所以試驗所用的風積沙是級配不良細沙[19]。

圖1 風積沙顆粒級配曲線

通過土工試驗，分別測出天然狀態(tài)與干燥狀態(tài)風積沙的密度、比重、抗剪強度參數(shù)等物理力學特性指標，結果詳見表1。

表1 風積沙試樣的物理力學特性指標

2 水泥加固風積沙地基抗拔承載性能試驗

2.1 試驗樣本設計

根據(jù)相關文獻[1]，塔克拉瑪干沙漠風積沙的平均含水率為2%左右，同時表1中的試驗結果為1.7%，由此，綜合確定本研究風積沙試樣的含水率2%。為研究摻入不同量水泥后風積沙地基承載性能的變化，本次試驗共設計出5個樣本，如表2所示。

表2 水泥加固風積沙地基的試驗樣本

2.2 地基基礎尺寸

本次水泥加固風積沙地基抗拔承載性能試驗的地基域大小為1.2 m×1.2 m×0.55 m，模型基礎采用鋼制的錨板基礎，其剛度遠大于地基的剛度，如圖2所示，其中模型基礎及地基域的尺寸參數(shù)如表3所示。

圖2 地基基礎示意

表3 地基基礎尺寸參數(shù)

2.3 地基施工過程

所有試驗的地基均采用相同的流程制作。首先在試驗場地開挖相應大小的基坑。其次在坑外將風干后的風積沙、普通硅酸鹽水泥干粉混合，摻入適量的水攪拌均勻，實時測試混合料的含水率，直至混合料的含水率接近2%，即完成水泥固化風積沙回填材料的制備。最后，在地基域中心位置處放置模型基礎，將填料倒入基坑中，采用人工方法分層夯實至標高(首先對50 mm的墊層進行夯實，之后自下而上分層回填并夯實，分層厚度為250 mm)。夯實完成后的所有水泥加固地基自然狀態(tài)下養(yǎng)護14 d，之后開展相應的試驗。

2.4 加卸載方案

試驗加載裝置由錨板、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3所示。

試驗采用應力控制的快速荷載法[20]進行加載和卸載。所有試驗均加載到破壞狀態(tài)，即該級地基荷載值無法穩(wěn)定或變形不斷增大而荷載加不上的狀態(tài)。

地基基礎體系的豎向位移采用量程50 mm、精度為0.01 mm的位移傳感器測量進行測量。位移傳感器分別布置于基礎及地面兩側，用于測試基礎與地基的上拔位移,如圖3所示。

圖3 試驗裝置示意

3 試驗結果及分析

3.1 荷載位移曲線分析

圖4為5個試驗樣本的上拔荷載-位移曲線。從圖中可以看出，5個試驗樣本中，荷載位移曲線的變化特征可分為兩種：陡降型(直線-直線)，緩變型(直線-曲線-直線)。

“陡降型”變化特征曲線主要包括初始彈性階段以及地基達到破壞荷載后的破壞階段，這以水泥含量較大的樣本2-8最為典型；“緩變型”變化特征曲線主要包括初始彈性階段、曲線過渡段以及破壞階段，這以純風積沙試樣2-0以及摻入水泥量較小的2-2、2-4、2-6樣本為代表。

由此可見，隨著摻入水泥量的不斷增加，風積沙地基的變形特性由最初的彈-塑性變形特性逐漸過渡至彈-脆性變形特性：即在初始彈性階段，基礎位移隨著荷載的增大而增大，荷載-位移曲線近似為直線，地基的變形為彈性變形；直線段結束后，當上拔荷載接近極限荷載時，由水泥和風積沙形成的膠凝體迅速破壞，地基體直接出現(xiàn)貫穿裂縫，達到極限抗拔荷載，地基位移迅速增大，地基基礎系統(tǒng)整體失穩(wěn)。

圖4 試驗基礎上拔荷載-位移曲線

3.2 破壞機制分析

試驗結束后，描繪出地表形成的破裂面，如圖5所示。圖5中白色標識為地基裂縫，紅色線段為地基域邊框。從圖5可以看出，對于樣本2-0(純風積沙地基)，加載初、中期，地表出現(xiàn)微小徑向裂縫；隨著上拔荷載的增加，首先是從基礎中心產(chǎn)生徑向裂縫，并逐漸向外延伸，最后在徑向裂縫的外圍生成環(huán)向裂縫，地基基礎體系發(fā)生整體失穩(wěn)。對于水泥加固風積沙地基(樣本2-2、2-4、2-6、2-8)，加載初、中期，地表裂縫不明顯；臨近極限荷載時，首先從基礎的中心產(chǎn)生十字徑向裂縫，并向外擴張。在裂縫擴張的過程中，裂縫會再次向地基薄弱的方向產(chǎn)生其余裂縫，最后達到地基邊緣，整個過程中基本不產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

已有研究表明[21]，徑向裂縫由基礎周圍土體張拉破壞形成，而環(huán)向裂縫由基礎周圍土體剪切破壞形成。由此可以表明：水泥加固風積沙地基的破壞是由整體張拉破壞導致的，基本沒有產(chǎn)生剪切破壞，純風積沙地基的破壞是由張拉破壞和剪切破壞聯(lián)合作用導致的。

圖5 地表裂縫

3.3 極限抗拔承載力分析

地基的極限抗拔荷載Tu是指地基在失效前承受的最大上拔荷載，是工程設計中的關鍵參數(shù)[22]，其值是根據(jù)地基的失效準則來判定。結合上文中對地基破壞機制的分析，本次試驗取風積沙地基表面出現(xiàn)貫通裂縫時對應的荷載作為地基基礎的極限抗拔承載力Tu。依據(jù)上述失效準則，確定出5個樣本地基基礎體系的極限抗拔承載力如表4所示。從表4可以看出，經(jīng)水泥加固后的風積沙地基的抗拔承載力較加固前提高明顯。這表明水泥的摻入能夠有效提高風積沙地基的抗拔承載性能。

表4 地基極限抗承載力及極限位移

圖6所示為基礎抗拔承載力與水泥量之間的關系曲線。從圖中可以看出，Tu隨著水泥量的增加呈非線性變化趨勢。對于5種水泥配比的復合地基，當水泥含量為6%時，Tu達到峰值，為11.99 kN，約為純風積沙地基承載力的2.5倍；水泥含量為4%時，Tu達到谷值，約為純風積沙地基的2.2倍。

圖6 地基抗拔承載力與水泥摻量的關系曲線

已有研究表明[11]：水泥固化作用對風積沙力學強度的改善主要是由于水泥、沙以及水之間發(fā)生一系列的物理化學作用，生成的具有膠結特征的凝膠體，這種凝膠體有效連接了風積沙中的散粒體，從而形成整體性能優(yōu)良的凝膠體。圖7所示為試驗結束后，開挖出地基碎塊，從圖中顯示經(jīng)水泥加固后的風積沙已從最初的散粒體轉變成可以成型的固體顆粒物。

圖7 水泥加固風積沙塊體實物

4 結論與建議

(1)水泥固化風積沙地基中基礎上拔荷載位移曲線特征可分為“陡降型”和“緩變型”兩種類型，除樣本2-8(8%水泥摻量)外，其余樣本的荷載位移曲線變化特征均接近“緩變型”特征曲線，這主要由于水泥的固化作用使得地基基礎體系由以“彈-塑性”變形為主轉變?yōu)橐浴皬?脆性”變形為主。

(2)水泥固化風積沙地基與純風積沙地基基礎體系的破壞模式存在差異，其中水泥固化風積沙地基的破壞是主要由整體張拉破壞所致；純風積沙地基體系的破壞是由張拉和剪切破壞聯(lián)合作用所致。

(3)水泥固化作用顯著提高了風積沙地基基礎抗拔承載力。隨著水泥含量的增加，地基基礎抗拔承載力呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律：對于2%含水率的風積沙地基，當水泥含量為6%時，其抗拔承載力的提高幅度最大，影響最顯著，因此可認為6%的水泥含量為該地區(qū)風積沙的最佳水泥配比。

(4)與其他膠合劑相比，水泥固化技術更適應于風積沙地基的加固。針對750kV巴楚—和田線路工程中風積沙地基的塔位，建議采用板柱基礎或偏心板柱基礎，回填材料采用天然狀態(tài)的風積沙與普通硅酸鹽水泥干粉混合均勻的固化填料，水泥含量易控制在6%左右。