沙漠地区风积沙地基输电线路装配式基础真型试验研究

程永锋，丁士君

（中国电力科学研究院 输变电工程力学研究所，北京 100055）

1 引 言

我国沙漠和沙漠化土地总面积约157×104km2，占国土面积的 16%，其中沙漠总面积为 80.89×104km2，主要分布在新疆（58.9%）、内蒙古（29.9%）等省[1]。随着我国电网建设的快速发展，穿越沙漠地区的架空输电线路越来越多。沙漠地区主要采用开挖回填式基础，在现行《架空送电线路基础设计技术规定》[2]中，上拔稳定性设计计算一般采用土重法。但由于有关研究和现场真型试验数据较少，以及各地风积沙的基本性质的差异，上拔角的选取难以把握，尤其对沙漠地区大载荷作用下的杆塔基础国内外相关规程中都没有明确规定[2]。国际著名设计咨询机构ABB公司在进行非洲苏丹MEROWE DAM 1300多公里的输电线路设计中，对穿越沙漠地区的各种线路基础，进行了基础试验，取得主要设计参数，并把试验成果作为基础设计的主要依据[3]。

在沙漠地区，为了减少基础施工中大量的沙石料运输以及解决用水困难等施工问题，采用装配式基础。但输电线路工程装配式基础应用较少，尤其缺少沙漠地区基础的设计依据[3－4]。刘文白等[5]通过模型和现场试验研究了沙漠地区铁塔基础的拉拔试验，但没有考虑到拉拔-水平组合荷载工况。笔者所在的科研团队也对风积沙地基斜柱基础进行了上拔与水平组合荷载作用的试验，但未考虑下压-水平组合荷载的作用，研究成果也不一定适用于装配式基础[6－8]。由于水平荷载和上拔、下压荷载的组合是沙漠地区输电线路基础设计的重要影响因素，有必要针对这个特点，开展垂直与水平荷载联合作用下的装配式基础试验研究，为沙漠地区输电线路装配式基础的设计和优化提供技术支持，从而保证线路的施工建设顺利开展和安全稳定运行。

2 工程概况[3]

线路工程自台远220 kV变电站出线至拟建的塔中220 kV变电站止，所经地域大部分为沙漠及沙丘，线路基本沿沙漠公路走线（见图 1），平行沙漠公路穿行沙漠地段约167 km。

图1 线路路径走向Fig.1 Direction of transmission line

工程沿线地貌单元主要为山前冲洪积平原、冲积平原、塔克拉玛干沙漠，地形起伏较大。所经沙漠的特点是：颗粒极细，极为干燥，质地松散、稳定性差。因颗粒细，该沙漠的漂浮物在空中移动距离最长。线路所经地区仅在沙漠低洼地段分布有少量植被，绝大部分为风积沙形成的移动沙丘。风积沙地基常年饱受频繁的风力搬运作用，沙体流动性大，因此，风积沙地区输电线路杆塔基础工程建设具有其特殊性和复杂性。

3 风积沙地基装配式基础真型试验

3.1 试验场地和试验内容

针对220 kV台远－塔中输电线路途径塔克拉玛干沙漠地区的特点，在该线路所经地段选取了代表性试验点（见图2）进行3个（编号分别为：ZX1、ZX2和ZX3）单腿装配式基础真型载荷试验，其中，2个开展上拔与水平荷载组合（加载条件以下简称：上拔工况）、选择1个开展下压-水平荷载组合工况试验（以下简称：下压工况）。

装配式基础结构与底板组装见及见图 3，其中底板上部支架采用角钢组装，底板由10根钢筋混凝土板条和2根钢筋混凝土横担组成。试验场地位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地，为风积沙地基，分布有移动式或半移动式沙丘，风积沙层厚超过5 m。

图2 基础试验场地Fig.2 Test site of transmission line foundation

图3 装配式基础结构与底板组装简图Fig.3 Assembly foundation structure and assembly of foundation plate

在加载过程中，现场采集的数据有：基础作用外荷载，包括各种工况下，对基础顶部作用的竖向荷载（上拔或下压）和 X、Y向水平荷载；基础顶部位移；基础钢支架的应力和底板与上部风积沙地基间压力测试。

针对ZX1和ZX2试验基础，钢支架应变测点和底板与地基接触面处土压力盒测点布置如图4所示。

3.2 载荷试验加载系统

通过试验加载设备、反力装置和反力基础提供试验基础的作用力，并进一步达到试验预定值，为了保证试验全过程中能够准确地模拟输电线路杆塔基础的实际工作性状，试验中首先采用竖向力和横、纵向水平力在每一个荷载工况中都按相同的荷载比例同时加、卸载。

基础竖向上拔加载系统如图5所示，其中，钢梁反力支座采用枕木和木板调节高度，支撑于风积沙地基，千斤顶和油路系统施行局部加载，反力支座净距应大于8 m。

图4 地基与基础内力测点布置图（单位：mm）Fig.4 Internal force measuring points of ground and foundation (unit: mm)

图5 基础试验竖向上拔加载系统Fig.5 Uplift load system of foundation test

基础试验竖向下压加载采用堆载法，其加载系统如图6所示。其中，钢梁支座与上拔加载装置相同，采用枕木和木板调节，堆载配重就地取材，利用风积沙袋堆积，千斤顶和油路系统实现试验逐步加载的控制。

基础试验中横向、纵向水平力均采用水平反力地锚地基作为反力基础，由手拉葫芦通过滑轮（组）施加，并由拉力传感器显示荷载值，从而实现对施加荷载大小的显示与控制，X、Y向加载方式相同，但相互独立，加载系统如图7所示。

图6 基础试验竖向下压加载系统Fig.6 Pushdown load system of foundation test

图7 水平加载系统示意图Fig.7 Horizontal load system of foundation test

本次试验中基顶荷载和位移的测试，不仅是试验分析数据的重要部分，又是试验基础加载的控制前提，根据测试结果和加卸载方案，来决定对加卸载的控制，包括竖向加载控制和水平加载控制。

4 真型试验结果

4.1 荷载试验

上拔工况下，ZX1和ZX3基础的上拔、X和Y向水平试验荷载与位移实测曲线见图 8。下压工况下，ZX2基础的下压、X和Y向水平试验荷载与位移关系曲线见图9。

从图上分析可以看出：①当上拔荷载较小时，外荷载逐步克服基础自重，基底逐渐与板下地基脱离，基顶位地基土位移曲线基本呈线性比例变化；②试验基础的上拔荷载与水平位移关系曲线表现为陡降型，存在明显的陡降拐点，而下压工况下竖向、水平向的荷载与位移关系近似线性；③无论下压工况还是水平工况，基础各向的临塑和临界荷载对应的位移均大于常规现浇钢筋混凝土基础，主要是由于基础结构的装配所造成。

试验中在 ZX1基础加载后期发生底板与钢支架连接螺栓断裂现象导致破坏。根据荷载与位移关系曲线，结合试验加载中地基与基础的表现特征，确定试验基础承载力如表1所示，其中，ZX1和ZX3基础承载力分别由荷载与位移关系曲线陡降点和极限位移25 mm对应取值，ZX2基础由最大稳定加载取值。

图8 基础上拔工况试验荷载与位移关系曲线Fig.8 Displacement vs. load under uplift condition

图9 基础下压工况荷载与位移关系曲线Fig.9 Displacement vs. load under pushdown condition

表1 试验基础极限承载力Table 1 Limited bearing capacity of test foundations

抗拔角为抗拔倒锥体表面与垂直面的夹角，其大小反映了地基土体抗拔承载性能，随土质条件不同而改变。目前风积沙地基的上拔角取值国内外相关规范还没给出明确的规定[7]。

根据土重法，地基土体破坏面可近似简化为倒锥体侧面，在基础达到破坏时，上拔荷载由抗拔土体和基础重量平衡（计算示意见图10），上拔极限承载力Rc可以表示为

式中：W 为抗拔土体重量（kN），该值由基础尺寸和上拔角决定；Qf为上拔部分的基础重量（kN）。具体计算公式可见文献[2]，此处不列出。

图10 抗拔计算示意图Fig.10 Schematic diagram of anti-pulling calculation

对于上拔工况应考虑水平荷载对上拔稳定性的不利影响，采用水平力影响系数反映该特征，水平合力与上拔力的比值为0.15，由于无立柱不考虑地基土对立柱的水平抗力，影响系数依据参考文献[2]按低值取为0.9，根据确定的基础极限承载力，通过式（1）计算可得到风积沙地基上拔角为19.5°。风积沙按常规颗粒进行分析可归类为细砂，据此按文献[2]取 26°，因此，按规范设计装配式基础，是偏于冒险的。

4.2 基础构件应变测试

输电线路基础在运行过程中，承受的水平荷载相对其他建筑物和构筑物是比较大，装配式基础的各角钢构件受力很复杂。考虑角钢在荷载作用下，处于弹性状态下，根据试验所测应变值按照式（2）计算钢筋应力：

式中：σ为钢筋应力（MPa）；E为钢筋弹性模量，取E=210 GPa；ε为钢筋应变值。

根据布置在基础角钢支架上的应变测试结果，基础上拔荷载和下压荷载条件下，试验角钢支架应力-荷载关系曲线分别见图11和图12，其中DJ为支架底板测点。

从图11和图12分析可以得出：①各测点的基础构件应变-荷载关系曲线表现出的规律基本一致。②基础角钢支架测点中部分点超过钢材抗拉强度对应应变（取10-3），在试验荷载小于基础极限荷载作用时，应变大于10-3的测点均位于与板条连接的支架脚板上，可采取加厚或加肋板的形式补强。同时，考虑在基础构件组装过程中，螺杆无法拧紧，可能导致脚板约束较小而造成强度不足，宜调整板条与支架连接螺杆的安装方式，并采用标准件螺杆。③角钢支撑各测点应变满足要求。

图11 基础上拔荷载试验角钢支架应力与荷载关系Fig.11 Relationships between stress of supporting frame and load under uplift load

图12 基础下压荷载试验角钢支架应力与荷载关系Fig.12 Relationships between stress of supporting frame and load under pushdown load

混凝土板条应变测点布置于基础底板上表面，其应变随荷载变化关系曲线见图13。

ZX1基础加载后期由于底板与钢支架连接螺栓断裂，导致混凝土局部应变异常。上图分析可以看出：部分混凝土应变测点在大荷载时，混凝土应变超过其开裂应变（一般取10-4），考虑板条可带裂缝工作，综合其他测试分析，混凝土板条满足要求。

图13 基础混凝土板条应变与荷载关系曲线Fig.13 Relationships between strain of concrete strip and load

4.3 基础底板与风积沙地基间压力测试

为反映加载过程中基础-风积沙接触面上的土压力分布以及变化情况，根据本次试验基础型式、加载工况、地基与基础间作用力等特点，土压力盒测点布置见图 4，实测土压力随荷载变化情况见图14。

因连接螺杆断开，ZX1基础与地基间局部压力异常。从图14分析可以看出，当外荷载较小时，基底压力基本上呈线性变化，随荷载增大表现出非线性变化关系。

综合基础构件内力和地基与基础间作用力测试结果，表明试验条件下基础混凝土板条满足下压承载要求。基础在承载过程中，无论是对上拔稳定，还是对倾覆稳定和下压稳定，基础底板均发挥了重要作用。

图14 基础竖向荷载与基底压力关系Fig.14 Foundation pressure vs. vertical load

5 结 论

（1）在上拔和水平组合荷载作用下，沙漠地区装配式基础的上拔极限承载力小于规范确定的承载力量值，若按规范设计装配式基础，是偏于冒险的。

（2）装配式基础最不利受荷工况为上拔-水平荷载复合作用，上拔稳定是基础设计的主要控制条件，应合理考虑水平荷载对上拔稳定的影响。

（3）沙漠风积沙地区输电线路装配式基础抗拔承载力的计算中，上拔角可取20°。

（4）试验结果表明，基础角钢支架脚板钢材和板条连接螺栓应加强，以增加角钢支架底部的约束，减少其不均匀受力，其他部分钢材和混凝土均满足强度要求。

[1]吴正. 风沙地貌学[M]. 北京: 科学出版社, 1987.

[2]东北电力设计院. DL/T5219－2005. 架空送电线路基础设计技术规定[S]. 北京: 中国电力出版社, 2005.

[3]丁士君, 鲁先龙. 台远-塔中220 kV送电线路沙漠风积沙地基杆塔基础试验[R]. 北京: 中国电力科学研究院,2009.

[4]国网北京电力建设研究院. ± 500kV 直流输电线路工程沙漠地区基础试验研究报告[R]. 北京: 国网北京电力建设研究院, 2008.

[5]刘文白, 刘占江. 沙漠地区输电线路铁塔基础抗拔试验[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(5): 564－568.LIU Wen-bai, LIU Zhan-jiang. Uplift test of foundation of electric power line tower in desert area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(5): 564－568.

[6]鲁先龙, 程永锋, 丁士君. 风积沙地基工程性质及其输电线路基础抗拔设计[J]. 电力建设, 2010, (7): 46－50.LU Xian-long, CHENG Yong-feng, DING Shi-jun.Property of aeolian sand and design of the uplift bearing capacity for the sand foundation of transmission line structures[J]. Electric Power Construction, 2010, (7): 46－50.

[7]乾增珍, 鲁先龙, 丁士君. 风积沙地基斜柱基础上拔水平力组合荷载试验[J]. 岩土力学, 2009, 30(1): 257－260.QIAN Zeng-zhen, LU Xian-long, DING Shi-jun.Full-scale tests on pad and chimney foundation subject to uplift combined with horizontal loads in aeolian sand[J].Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(1): 257－260.

[8]乾增珍, 鲁先龙, 丁士君. 上拔与水平力组合作用下加筋风积沙斜柱扩展基础试验[J]. 岩土工程学报, 2011,33(3): 373－379.QIAN Zeng-zhen, LU Xian-long, DING Shi-jun.Experiments on pad and chimney foundation in reinforced aeolian sand under uplift combined with horizontal loads[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(3): 373－379.