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，結構松散，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[2-3]，用基礎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，研究風積沙的相關特性。

2.1 風積沙的物理特性

根據(jù)相關規(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 地基基礎形式及試驗安排

本次試驗的基礎采用錨板基礎，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 地基基礎及安裝示意圖

表2 風積沙地基的試驗安排

3.2 地基基礎施工及試驗前準備

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錨桿上的平板，用于測試基礎上拔位移。

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，由于基礎底板尺寸較大，會順著基礎的邊緣出現(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。

徑向裂縫由基礎周圍土體張拉破壞形成，環(huán)向裂縫由基礎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上拔試驗的分析，得出如下結論：

（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。