低含水率下风积沙地基的抗拔承载特性

张飞阳

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009）

1 概述

我国是一个多沙漠的国家，沙漠总面积约168.7 万平方公里[1]。随着我国“一带一路”等大型工程的实施，越来越多的关系国家民生和经济的输变电线路杆塔工程穿越或经过沙漠地带。

由于沙漠风积沙含水率较低，结构松散，黏聚力低，承载性能较差，这对在沙漠中建设以承受上拔荷载为主的杆塔基础是十分不利的，因此国内外对于风积沙地基的上拔承载力主要从两方面展开，一方面是采用特殊的基础[2-3]，用基础重量及上覆风积沙自重抵抗杆塔的上拔荷载，另一方面是采用水泥等固化材料[4]与风积沙混合，起到固化地基的作用，用基础自重、上覆固化土自重以及固化土的抗剪强度抵抗杆塔的上拔荷载。

本文主要通过从含水率及基础尺寸两个方面，对风积沙地基的抗拔承载特性进行研究。

2 风积沙试样特性

本次试样取自塔克拉玛干沙漠腹地，根据相关文献，塔克拉玛干沙漠的风积沙含水率在2%～4%，故在实验室中将风积沙再塑成3%和5%的试验用风积沙，研究风积沙的相关特性。

2.1 风积沙的物理特性

根据相关规范[5]，通过在实验室中进行比重试验得出试验用风积沙的比重Gs 为2.7，通过颗粒分析试验得出试验用风积沙为级配不良细沙。

2.2 风积沙的力学特性

为研究不同含水率下风积沙的力学特性，将从塔克拉玛干沙漠取回的风积沙分别再塑成含水率为3%和5%的试验用风积沙，并进行直剪试验，仪器采用四联应变控制式直剪仪。

通过摩尔库伦公式，从直剪试验得出的数据进行分析，可以得出试验用风积沙的黏聚力和内摩擦角，如表1 所示。

表1 试验风积沙剪切强度

从表1 可以得出，随着含水率的提高，风积沙试样的黏聚力是在逐渐增大的，这是由于水的掺入导致风积沙有一定假黏聚力，而内摩擦角随着含水率的增加而减小，这是由于风积沙颗粒间的水分起到了润滑作用。

3 风积沙室内模型试验

3.1 地基基础形式及试验安排

本次试验的基础采用锚板基础，呈正方形，边长D 分别为200mm 和400mm，厚度为10mm，上拔钢筋采用螺纹钢，截面为圆形，直径d=20mm，锚板与上拔钢筋的连接处采用焊接连接。地基为深度550mm（基础埋深500mm，垫层50mm）、边长L 为1200mm 的正方形地基，具体见图1。

风积沙地基的试验安排如表2。

图1 地基基础及安装示意图

表2 风积沙地基的试验安排

3.2 地基基础施工及试验前准备

3.2.1 地基施工。所有试验的地基均采用相同的流程制作。首先在场地内开挖相应大小的基坑，然后将已风干一定时间的风积沙重塑成相应含水率的风积沙，形成风积沙回填土。之后将回填土放入基坑中，夯实至标高。夯实完成后所有地基基础自然状态下放置1 天，之后开展相应的试验。

每个风积沙地基均采用人工方法分层夯实，先对0.05m 的垫层进行夯实，之后进行分层夯实，分层厚度为0.25m，分层夯实至相应风积沙的标高，所有试样夯实的人员和工具都保持一致，以减少差异。

3.2.2 加载装置与量测装置。试验加载装置有锚板、钢筋立柱、钢梁、反力墩、连接螺丝、上拔螺杆、千斤顶等组成，如图1 所示。试验采用应力控制的快速荷载法进行加载，荷载由油压千斤顶施加，由拉力传感器显示荷载值。试验的位移利用位移传感器测量，位移传感器量程50mm，精度为0.01mm，位移传感器放置在固定于基础锚杆上的平板，用于测试基础上拔位移。

4 试验数据及分析

4.1 荷载- 位移曲线

图2 为含水率时不同时风积沙地基的抗拔荷载～位移曲线。通过这些荷载位移曲线，得到风积沙基地在低含水率时不同水泥含量下的抗拔承载特性。

从这4 个试验样本中可以看出，风积沙地基的荷载～位移曲线的变化特征为直线- 曲线- 直线，其主要包括初始弹性阶段、曲线过度段及破坏阶段。初始弹性阶段位移随着荷载的增大表现为线性增大，表现为弹性变形，初始弹性阶段结束后，到达曲线过度段，风积沙地基出现了弹塑性变形，位移随着荷载的增大表现为曲线增大，且斜率小于弹性阶段，最后破坏阶段，地基完全塑性变形，荷载下降，位移随着时间增加而大幅度增加。

图2 荷载位移曲线

4.2 上拔承载力分析

地基上拔承载力Tu是指地基在失效前承受的最大荷载，是在工程设计中的关键参数，本次试验的上拔承载力Tu是根据地基在上拔过程中的最大荷载来确定的，具体的水泥固化风积沙地基的上拔承载力如表3。

表3 上拔承载力统计表

从表3 可以看出，在底板尺寸一致的情况下，随着含水率的增加，上拔承载力和上拔位移均表现出增加的趋势，同时上拔承载力随着底板尺寸的增加而增加。在含水率为3%时。

4.3 破坏机制分析

试验结束后，利用白灰描绘出地表形成的破裂面，如图3 和图4 所示。图中白色标识为地基裂缝，红色线段为地基域边框。

从图3 和图4 可以看出，对于底板尺寸为200mm 的风积沙地基，加载前期，地基表面先出现了微小的径向裂缝，随着上拔荷载的增加，基础中心开始产生明显的径向裂缝，并逐渐向外延申，最后在径向裂缝的外围生成环向裂缝，地基基础体系发生整体失稳；对于底板尺寸为400mm 的风积沙地基，加载前期与含水率为3%的风积沙地基基本一致，在出现明显的径向裂缝之后，由于基础底板尺寸较大，会顺着基础的边缘出现环向裂缝，之后随着荷载的增加，径向裂缝从之前的环向裂缝出发，并向外延申，最后在径向裂缝的外围生成环向裂缝。

径向裂缝由基础周围土体张拉破坏形成，环向裂缝由基础周围土体剪切破坏形成。由此可以表明：风积沙地基开始是受到张拉破坏，最后由于张拉破坏和剪切破坏联合作用导致地基彻底破坏。

图3 D=200mm 的3%含水率风积沙地基

图4 D=400mm 的3%含水率风积沙地基

5 结论

本文通过对不同含水率及底板尺寸的风积沙地基模型基础上拔试验的分析，得出如下结论：

（1）风积沙地基的荷载～位移曲线的变化特征为直线- 曲线- 直线，其主要包括初始弹性阶段、曲线过度段及破坏阶段。

（2）风积沙地基的抗拔承载力随着含水率的增加而增加，同时随着底板尺寸的增加而增加。

（3）风积沙地基的破坏机制是：风积沙地基加载前中期开始是受到张拉破坏，最后的破坏是由于张拉破坏和剪切破坏联合作用导致的。