塔克拉玛干沙漠输电线塔装配式基础试验研究

第32卷第8期岩土力学Vol.32No.82011年8月RockandSoilMechanicsAug.2011收稿日期：2010-05-11第一作者简介：乾增珍，女，1975年生，博士，讲师，主要从事岩土工程领域的教学与科研工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2011)08－2359－06塔克拉玛干沙漠输电线塔装配式基础试验研究乾增珍1，鲁先龙1,2，丁士君2（1.中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083；2.中国电力科学研究院输变电工程力学研究所，北京100192）摘要：为研究新疆塔克拉玛干沙漠地区输电线路工程中的组合装配式杆塔基础承载特性，开展了2种尺寸规格共4个基础在上拔与水平力组合作用下的现场试验，得到了基础顶部和基础底板的荷载-位移曲线、基础底板土压力变化规律。结果表明：上拔与水平力组合作用下，基础顶部上拔荷载-位移曲线为缓变型、水平荷载-位移曲线近似为直线；由混凝土底板和角钢支架所构成的组合装配式基础因自重轻、基础底板上覆沙体结构松散，使得基础的抗倾覆承载能力低。由混凝土底板和角钢支架组成的装配式基础各部件具有良好的协同工作性能，但水平荷载对装配式基础的承载性能影响大。根据基础上拔极限承载力试验值，采用柱式破裂面力学计算模型得到风加沙柱面平均摩擦阻力为2.6kPa。关键词：塔克拉玛干沙漠；装配式基础；输电线路基础；风积沙；上拔承载力中图分类号：TU476+9文献标识码：AExperimentalstudyofassemblyfoundationfortransmissionlinetowerinTaklimakandesertQIANZeng-zhen1,LUXian-long1,2,DINGShi-jun2(1.SchoolofEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.TransmissionandTransformationEngineeringMechanicsResearchDepartment,ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192,China)Abstract:Inordertoobtaintheperformanceofassemblyfoundationscomposedbytheconcretefootingslabandsteelanglecolumn,whichareusedforthetransmissionlineengineeringinTaklimakandesert,thefourin-sitefull-scaleoftwosizestestsonthebearingcapacityofassemblyfoundationscombinedupliftwithhorizontalloadingsarecarriedout.Thecurvesofload-displacementbothoffootingslabandfoundationtopplane,andthesoilpressureonthefootingslabareallobtained.Forthefoundationtopplane,combinedtheupliftwithhorizontalloadings,thecurveofupliftloading-displacementdevelopsslowly;andthecurveofhorizontalloading-displacementincreaseslinearly.Theanti-overturningbearingcapacityofassemblyfoundationisweakbecauseoflightdeadweightofthesteelsupportframeandtheloosepropertyofaeoliansand.Theassemblyfoundationcomposedbyconcretefootingslabandsteelanglecolumnhasagoodpropertyofcoordinatedperformance.Influenceofhorizontalloadingonbearingcapacityofassemblyfoundationisobvious.Accordingtothetestdataofultimateupliftbearingcapacity,theaveragefrictionalresistanceofaeoliansandis2.6kPa,whichiscalculatedbymechanicalmodelofprismaticfractureplane.Keywords:Taklimakandesert;assemblyfoundation;transmissionlinefoundation;aeoliansand;upliftbearingcapacity1引言为实现大电网向油田和大型矿业供电，充分开发塔克拉玛干沙漠中的油气资源，解决新疆南部地区电力供应保障，建设的220kV轮台－塔中－且末输变电工程需途经塔克拉玛干沙漠腹地。塔克拉玛干沙漠位于北半球中纬度欧亚大陆腹地，平均海拔1000m以上，面积33.76×104km2，是世界第二大流动性沙漠，干燥少雨、日照强、温差大、大风频繁，环境恶劣[1]，不具备混凝土现场施工浇筑条件。为保证输电线路杆塔基础工程质量、加快施工进度，220kV轮台－塔中－且末输电线路工程决定选用装配式基础。该基础型式由工厂预制加工、现场拼装，施工基本上不受季节和环境影响，能够满足塔克拉玛干沙漠腹地输电线路工程要求。在国外，自20世纪60年代开始，已有学者采岩土力学2011年用室内模型试验、数值分析和现场试验的方法研究风积沙地基的承载机制并推导了极限承载力理论计算公式[2－7]。国内，刘文白等[8]根据现场试验研究了风积沙地基直柱扩底基础在上拔荷载作用下的承载机制。笔者[9]也曾对风积沙地基斜柱扩展基础在上拔水平力组合荷载作用下展开了现场试验研究。目前，装配式杆塔基础已应用于我国冻土地区输电线路工程中[10]，文献[11]对黏土地区的装配式杆塔基础在上拔下压荷载作用下展开了现场试验研究，并给出了黏土地基条件下型钢装配式基础的竖向极限承载力设计计算参数值。但对于塔克拉玛干沙漠地区装配式杆塔基础承载特性的研究尚未见相关文献报道。2试验方案2.1场地概况试验场地在塔克拉玛干沙漠公路旁，位于塔克拉玛干沙漠腹地约300km处，试验现场分布有移动式或半移动式沙丘（见图1）。风积沙层厚度均超过5m。试验回填风积沙地基的重度为14.3kN/m3。图1试验现场的沙漠地貌Fig.1Topographicalfeaturesoffieldtestingsiteindesert2.2试验基础设计为降低装配式基础单件运输重量，充分利用混凝土和角钢的力学性能，装配式基础采用混凝土预制板条底板和金属角钢支架立柱的组合结构型式，其组装结构和现场实景如图2所示。其中：基础底板由10块混凝土板条通过2根混凝土横梁连接形成，基础支架由角钢主材和角钢斜材组成。基础通过顶板连接结构与上部杆塔进行连接。根据不同的荷载条件，试验基础规格设计为A、B两种型式，每种基础规格完成2个样本量的试验。表1为装配式试验基础的主要技术参数。2.3加载系统及加载方法输电线路杆塔基础在承受拉、压交变竖向荷载的同时，也承受着较大的水平荷载作用[12]。为真实模拟试验基础的荷载工况，试验荷载分为竖直上拔力以及X、Y方向的水平力。试验中水平力由人工用手拉葫芦（导链）通过反力地锚、滑轮组和钢丝绳施加，拉力传感器显示荷载值。竖向上拔力通过预浇混凝土反力基础和钢梁提供，且反力基础布置在上拔影响范围土体之外，图3为上拔加载系统。①—底板混凝土板条②—底板混凝土横梁③—支架角钢主材④—支架角钢斜材⑤—顶板连接结构(a)结构组装(b)1－1剖面(c)组装后实景图图2装配式基础结构及现场实景Fig.2Structuresanditsassembledsceneoffoundations表1装配式试验基础主要技术参数Table1Basicparametersofassembledtestfoundations底板尺寸/m长×宽×高/m×m×m基础型式露头高度e/m基础埋深H/mB1B2混凝土板条混凝土横梁A0.23.43.0453.03.00×0.30×0.163.045×0.300×0.200B0.24.23.5503.53.50×0.35×0.173.550×0.400×0.220图3上拔装置加载系统图Fig.3Loadingsystemofupliftdevice试验前按各方向设计荷载值的1/10为增量进行荷载分级，确定每一级荷载工况的荷载值。试验中第1次加载量为分级荷载增量的2倍，以后按分连接装置工字钢钢梁千斤顶装配式试验基础反力基础HB1①eB1B2地面②③④①⑤②112360第8期乾增珍等：塔克拉玛干沙漠输电线塔装配式基础试验研究级荷载增量逐级等量加载。试验时3个方向荷载按照同一分级荷载所对应的荷载值施加，并自动加载、补载与恒载。加载时采用慢速荷载维持法[13]，且所有试验基础都做到极限破坏状态。2.4试验测点布置为反映地基与基础底板接触处土压力的变化，在基础底板不同位置埋设了4个土压力传感器。为测量基础底板在上拔水平力组合作用下的变形及其协同工作特性，在基础底板混凝土板条上焊接了4根钢筋并内穿于PVC管中，风积沙回填后其另一端延伸出地面，如图2(c)中4根白色竖杆所示。基础底板位移测点和土压力测点布置如图4所示。图4基底土压力和位移测点布置(单位:mm)Fig.4Layoutofmeasuringpointsforsoilpressureanddisplacementoffootingslab(unit:mm)图4中1#～4#为土压力测点，其中1#土压力测点位于基础底板下表面，而2#～4#测点位于基础底板上表面。A～D为竖向位移测点，位于底板的对称轴上，距其临近外边缘距离等于底板边长的1/5。此外，试验过程中，在基础连接顶板3个加载方向均布置了位移传感器。3试验结果与分析3.1基顶荷载位移特性上拔与水平力组合作用下，A、B两种装配式基础型式具有相似的荷载-位移特性，基顶上拔荷载-位移曲线为缓变型，而基顶水平荷载-位移曲线近似为直线。不同基础顶部的荷载-位移曲线如图5所示。图5表明，在加载初期，由于装配式基础自重轻，容易被上拔荷载所克服，荷载-位移曲线无明显的弹性变形阶段。极限荷载时，水平方向位移与上拔位移之比约等于1，表明装配式基础抗水平承载力小。与其他基础相比，A-1和B-1基础在终止加载前一级荷载后，各加载方向位移量骤然增大，其原因是基础角钢支架与基础混凝土板条连接螺杆在该级荷载作用下达到屈服。1020304050030060090012001500上拔位移量/mmA-1A-2B-1B-2上拔荷载/kN0(a)上拔荷载-上拔位移量5101520253035020406080100120140160X向水平位移量/mmA-1A-2B-1B-2X向荷载/kN0(b)X向荷载-水平位移量51015202530020406080100120140160Y向水平位移量/mmA-1A-2B-1B-2Y向水平荷载/kN0(c)Y向水平荷载-水平位移量图5基顶荷载-位移曲线Fig.5Loadvs.displacementcurvesoffoundationtopplane根据文献[13]，基础顶部位移超过25mm，或基础位移骤然增大时对应的前一级荷载为基础的极限承载力，表2列出了各试验基础的极限承载力uT、uX、uY以及对应的位移值uS、uxS、uyS。表2基础极限承载力及对应的位移Table2