青藏输电工程回填细粒冻土性质和铁塔基础载荷试验研究

丁士君，程永峰，李镜培，鲁先龙，杨文智，杨与平

（1.中国电力科学研究院，北京100192；2.同济大学 土木工程学院，上海200000；3.四川电力送变电建设公司，成都610000）

冻土是一种对温度十分敏感且力学性质极不稳定的特殊土类，其在反复冻融作用下，可导致地基土产生冻胀和融沉等危害，进而影响地基基础的稳定性。处于冻结状态的地基既能够防止水渗透，也可以为上部结构提供强度保证［1－2］，且冻融作用可使松散扰动土的孔隙比降低、密实度和力学强度增加［3－4］。青藏高原是中国多年冻土的主要分布地区［5］，为促进这一地区的经济和社会发展，需要在该地区建设输电线路工程［6］。

为确保冻土地基与基础的安全，进行工程建设时需要解决冻融作用及开挖回填等因素可能导致的工程问题［7－9］。多年来，工程人员结合青藏公路和铁路工程，对冻土及路基工程的性质进行了试验研究，在融沉系数与干密度和含水量的关系、细粒冻土的变形特性和强度预报、含水率对砂土强度的影响、块石护坡新型路基等方面取得了大量进展［10－14］。除地温、含水率等性质外，目前针对冻土的物理性质、抗压，剪切和蠕变等力学性能的试验研究主要集中在室内模型试验和土工实验方面［15－16］。王旭等研究了青藏高原多年冻土区灌注桩的承载力和变形性质，并开展了桩基现场抗压载荷试验［17］，程永锋等针对输电线路工程开展了室内桩基模型载荷试验［18］。而针对冻土地基输电杆塔基础的受力状态及三向联合加载冻土基础的静载荷试验研究，特别是在多工况和大荷载条件下的情况却未见报道。受荷载装置、现场环境和工程要求等限制，载荷试验往往并未加载至地基失稳的理想破坏状态，因此多位学者采用双曲线模型进行了承载力预测和承载特性研究［19］，输电杆塔基础试验标准采纳了基于该模型的承载力确定方法［20］。

青藏直流联网工程是被誉为穿越“世界屋脊”的“电力天路”，同样无法回避工程建设中的一系列冻土难题，其中既有其他工程普遍面临的冻胀问题，又有因输电线路工程而突出的问题。采用开挖回填施工方式对冻土地基扰动较大，处理不当则使冻融危害更加突出。抗拔和抗倾覆稳定一般是受可变荷载影响的铁塔基础设计的主控条件［6］，其所关注的重点冻害问题与以抗压承载为主的基础工程存在一定差别，而目前冻土地基的杆塔基础的上拔工况稳定性分析方法、计算参数等仍然套用常规地基和其他行业基础工程［21］，亟待通过相关研究加以改进。

本文通过土工试验和原型基础载荷试验，分析冻融作用后的冻土性质和基础承载性能，研究上拔工况下基础稳定性的计算方法和参数取值，为评价工程基础稳定性提供依据，也为类似工程积累技术经验。

1 试验概况

1.1 试验地基与基础条件

试验场地在青藏直流输电工程编号为640的铁塔附近，位于109国道青藏公路K3007km处路西，距该公路约400m处。基础埋深范围内场地条件如表1所示。试验原型为现浇钢筋混凝土锥柱扩展基础，地基由原状冻土开挖就地回填而成。

表1 试验场地条件

场地中试验基础与反力基础线状排列，其中试验基础3个（编号：ZZ1、ZZ2和ZZ3），竖向反力基础和水平反力地锚各4个，基坑开挖呈长方体（长44m×宽6.5m×深4.8m），试验基础尺寸和场地布置见图1，试验基础形式和尺寸与距离场地最近的青藏直流工程转角塔基础一致，混凝土强度等级为C20，上部结构对基础作用力设计值和预估极限承载力见表2。

表2 作用力与试验基础预估极限承载力

图1 试验基础尺寸与布置

1.2 试验项目与加载系统

考虑到冻土地基会随环境因素变化，其工程性质往往会发生突变，冻土地基在冻结与融化状态的承载性能存在差异，因此，分别在2011年3－4月（以下简称“冻结期”）和8－9月（以下简称“融化期”）对同一基础完成回填冻土的物理力学性质试验和输电杆塔基础的载荷试验，该时期地基上部土层分别处于冻结和融化状态，试验项目如表3所示。

对于载荷试验，由于同一基础在不同时期进行2次试验，为确保融化期试验顺利进行，在冻结期试验仅加载至满足设计要求即可。

表3 试验项目列表

试验采取X、Y、Z三向联合加载，加载系统包括竖向上拔或下压、水平向（X和Y）2个子系统，载荷试验测试系统主要为荷载和位移测试。竖向上拔或下压荷载由12m长钢梁和钢筋混凝土反力基础组成的系统提供，水平加载装置由连接件、钢丝绳、滑轮组手拉葫芦等构成，试验中水平加卸载通过人工手拉葫芦调节钢丝绳的紧松来实现，水平荷载值由振弦式拉力传感器监测。

2 静载试验结果

2.1 基础破坏形态

基础的破坏形态是基础承载力等参数取值的依据之一，也是基础承载特性的外在表现。处于冻结期的地基上部季节活动层的基础载荷试验均未加载至破坏，其极限承载力可取最大试验荷载。处于融化期的活动层的试验基础因基础上部结构混凝土开裂、荷载无法维持而破坏（如图2所示），但地基未出现隆起、开裂等地基破坏特征，此时基础极限承载力取基础混凝土开裂破坏前一级荷载。

图2 试验基础混凝土开裂

试验中基础结构早于地基出现破坏特征，从加载过程中各种现象综合分析，主要成因如下：

1）试验中基顶所施加的荷载超过上部结构对基础承载力的要求，破坏时基顶所施加的荷载超过了铁塔对基础作用力标准值的3倍。

2）连接设备和加载方式加速了基础混凝土结构开裂。为试验验证青藏直流工程冻土基础承载力，要求试验基础地脚螺栓尺寸、配筋、混凝土等均与工程基础一致，地脚螺栓直径为52mm，由于预留设备安装间隙，试验荷载作用点与基础混凝土顶面的距离约为12mm，地脚螺栓在水平荷载作用下类似悬臂梁，虽然竖向荷载有利于提高地脚螺栓的整体刚度，但基顶受较大荷载的作用地脚螺栓出现明显的弯曲变形，加速了基础顶部混凝土的撕裂，受此影响试验中破坏特征出现在基础立柱顶部。

3）地基与基础作为一个承载体系，由地基、基础结构等构件串联组成，该体系的承载能力由最先达到破坏状态的构件决定，试验环境下地基承载能力优于基础混凝土结构。

2.2 试验基础承载性状

2.1.1 ZZ1和ZZ3试验基础荷载与位移关系 两基础试验的加载工况均为竖向上拔与X、Y向水平荷载共同作用，融化和冻结期试验荷载与位移关系曲线如图3所示。

2.1.2 ZZ2试验基础荷载与位移关系 该基础试验加载工况为竖向下压与X、Y向水平荷载共同作用，融化和冻结期试验荷载与位移关系曲线如图4所示。

图3 上拔工况下试验荷载 位移曲线

图4 下压工况试验荷载 位移曲线

融化期试验加载时发生了基础顶部混凝土的开裂，引起位于基础顶部的监测点所采集的位移数据产生偏差，进而导致加载后期试验荷载与位移关系曲线局部表现异常。

2.1.3 基础承载性状分析 冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，虽然输电线路基础也主要采用保持冻结状态的设计原则，但铁塔开挖回填基础施工作用面不可避免地延伸到多年冻土天然上限深度以下，并采取了开挖、回填、暴露、碾碎等剧烈扰动，易对基础的承载能力造成不利影响。基础的承载性状是冻土和输电铁塔基础相互作用的综合反映，从试验荷载与位移关系分析，可以看出：

1）试验基础的竖向和水平向的荷载与位移变化基本呈非线性变化关系，试验基础在上拔工况加载过程中未出现明显的陡降拐点。与其他文献［22］中上拔工况下扩展基础的典型荷载位移关系曲线因发生地基剪切破坏而表现为陡降型的特点存在差异，一方面由于本次未加载至地基剪切破坏；另一方面是试验的冻土地基相对混凝土结构具有更优的上拔承载能力。

2）同一试验，X和Y向的荷载与位移关系曲线一致性较好，尤其ZZ1和ZZ3基础。但由于回填冻土及基础的差异性较大导致不同基础、不同试验之间的荷载与位移关系曲线一致性较差。

3）上拔工况时，同一基础融化期试验加载过程中各方向位移均大于冻结期，表明冻结期地基基础抗拔性能优于融化期。同一试验中基础顶部作用荷载相同时水平位移大于竖向位移，说明基础具有足够的抗倾覆能力是其保持稳定的关键。

4）下压工况时，各方向不同时期的荷载与位移关系曲线交错，承载性状较上拔工况复杂，虽然融化期载荷试验也出现了基础混凝土开裂，但各方向基础位移较小，表明基底地基土处于冻结状态。

2.2 试验基础承载力

根据图3～4中的荷载与位移关系曲线特点，及地基与基础在加载过程中的表现等，可确定基础极限承载力如表4所示。

表4 试验基础极限承载力

表4与表2对比分析表明：无论冻结期还是融化期，基础极限承载能力均不小于预估值。

3 土工试验结果分析

3.1 实测指标

在浅部活动层处于冻结和融化状态时，对回填地基土分别进行了灌砂法原位密度、含水率和原位直剪试验，如图5所示。

图5 地基土性质原位试验

试验所获得的冻结期和融化期地基土的含水率和原位密度见表5。图6为原位直剪试验抗剪强度峰值与垂直压力关系。

图6 试验抗剪强度峰值与垂直压力关系

利用图6中抗剪强度峰值和法向压力的实测结果，线性拟合得到季节活动层深度范围内地基土处于冻结和融化状态时的抗剪强度指标（如表5所示）。

表5 地基冻土性质试验结果

在季节活动层土体处于融化状态时，试验场地浅部土体呈软塑状。从表5分析可以看出：

1）土体冻结与否对回填细粒地基土的抗剪强度指标有较大影响，含水率较高处于融化状态时，其抗剪力学特性接近淤泥质软土。

2）处于融化期的土体的平均含水率高于冻结状态，回填土的高孔隙率及土中水呈液态时有利于水分的下渗。

回填地基土的物理力学性质试验及基础载荷试验表明地基是否处于冻结状态不仅决定了土体的性质指标，而且对基础承载力存在一定影响。

3.2 回填土性质分析

根据原位密度、含水率等土工试验结果，计算冻结期和融化期回填地基土的孔隙比e、饱和度Sr指标（如表6所示）。

表6 物理性质指标列表

由于施工开挖基坑为长方体，依据季节活动层冻结期和融化期地基土的孔隙率，可按式（1）计算相对于冻结期浅部活动层的地表，融化期浅部活动层因冻土融化密实产生的地表沉降：

式中：ΔS为季节活动层因冻土融化产生的地表沉降；HD为活动层冻土厚度，可取为冻结期试验时冻土层融化深度；e1和e2分别为冻结期和融化期活动层冻土孔隙比。

图7 冻结期和融化期地表位置对比图

图7中同一基础作为参照，相对于冻结期，融化期的地表沉降理论计算值与实际沉降值相当。试验所得融化期密度已接近原状冻土密度，具有较好的密实性。虽然融化期季节融土含水率较高、抗剪指标较低，但在不影响基础安全承载的情况下，有利于此后形成阻水渗透层及隔热层。

4 基础抗拔稳定性计算分析

在铁塔开挖回填类基础抗拔稳定性计算中，有关地基的主要设计参数为“上拔角”［23］。试验过程中虽然发生了基础混凝土开裂的结构破坏状态，但未发生地基与基础相互作用而产生的刺入、剪切等地基破坏形式。因此，为取得回填地基的上拔角，首先需要基于试验数据来分析地基发生倒锥形整体剪切破坏时的试验基础抗拔极限承载力。

4.1 基础抗拔极限承载力的预测

上拔工况下基础与地基相互作用发生地基剪切破坏时，可采用式（2）表征上拔荷载与位移关系。

式中：T为上拔荷载；S为基顶竖向上拔位移；a和k曲线性状参数，其中，基础抗拔极限承载力Tz可取为上拔荷载极限值，即

图8为基础上拔荷载与位移关系的实测和拟合对比，所显示的拟合与试验数据具有较好的一致性。线性拟合得到活动层处于融化期和冻结期的a、k分别为：融化期a＝；冻结期a＝5.17×

因此，融化期和冻结期的基础抗拔极限承载力 （Tz＝1／k）分别为2 364kN、2 558kN。

图8 荷载与位移关系的实测和拟合对比图

4.2 基础极限平衡状态方程

对于铁塔基础，上拔工况是指竖向上拔与水平荷载联合作用条件下的工况，该工况下地基与基础相互作用并不一定发生地基整体剪切破坏，一般发生底板上部土体局部剪切破坏。在进行抗拔稳定性分析时需考虑地基与底板上下表面作用力的大小和方向不均匀的特点，因此，上拔工况下锥柱式扩展基础稳定性分析模型见图9（a），其中假设极限状态时基础倾覆转动轴固定，位于图9（a）所示位置，极限稳定状态方程由确定转动中心的弯矩平衡确定，对应关系按下式（3）计算。

式中：Tz和TH分别为极限状态时基础顶部竖向上拔和水平荷载，根据按表2设计荷载比例关系TH＝0.263Tz；PH和z分别为地基与基础间水平抗力合力大小和作用点距转动中心竖直距离；B为基础底板边长；d为底板边缘厚度；h为水平力与基底垂直距离；Qf为基础重量；x和y为以底板中心为原点的水平坐标系内积分变量；Sa和Sb为积分区域，对应于图9（a）中底板表面阴影和非阴影区域；w为底板上表面与地基间竖向极限压力。

地基土的水平抗力与土的性质、基础水平位移方向、埋深等因素有关，一般来说水平抗力最大处位于基础中部。因此，为简化计算，水平抗力合力大小PH等于TH，作用点位置z取0.5zt，zt为图9（a）所示抗拔土体深度。对式（3）进行积分、求解及化简得：

竖向极限压力w由轴心上拔荷载作用下基础抗拔极限承载力计算，当地基土全部处于冻结状态时，抗拔极限承载力按倒锥台体内土重法计算，计算模型见如图9（b）所示；在融化期，融化深度以下地基土处于冻结状态，由该段倒锥台体内土重计算其抗拔能力，对处于融化状态的上部土体，抗拔能力由方柱体土重

构成，计算模型见图9（c），因此，w 按式（5）计算：

式中，W和Wn分别为za取HD和 （HR－zn） 时倒锥台形抗拔土体重量，按式（6）计算，其中，zn为地基土融化深度，ΔS＝ （HD－HR） 为融化期相对冻结期地表沉降量；WD为融化深度以上方柱形融化抗拔土体重量，按式（7）计算。

图9 计算模型示意图

底板以上冻土厚度为za时，“土重法”计算倒锥台形抗拔土体重量W （za） 如下：

式中：vf1为抗拔体内基础部分体积；γs1为抗拔体内冻土平均密度；B为基础底板边长；α为冻结状态地基土的上拔角。

方柱形融化抗拔土体重量WD按下式计算：

式中：νf2为方柱形抗拔体内基础部分体积；γs2为融土层内土体平均密度。

4.3 地基抗拔参数计算与分析

对于上节所提出的稳定性分析方法，基础上拔稳定性计算的关键参数是冻结状态地基土的上拔角。在已知极限状态基础顶部作用荷载时，可由式（4）～（7）联合来求解季节活动层处于冻结或融化状态时冻结地基土的上拔角α，计算结果见表7，其中融化期地基土融化深度zn实测值为2.3m。

表7 上拔角计算值

根据表7中计算结果，该场地冻结状态细粒冻土上拔角取值为20.5°。综合分析如下：

1）土体冻结与否对地基土的上拔稳定性的理论计算力学指标（即：上拔角）的取值有显著影响，融化状态时该值可取为零。

2）保持深部回填地基冻结状态，不仅有利于基础下压承载的安全，而且有利于抗拔的安全。

3）依据研究所得上拔角计算，基础轴心抗拔极限承载力在冻结期和融化期分别为：3 568、3 324kN，试验加载条件下所得抗拔极限承载力约是该值的0.71倍，表明上拔工况下水平力作用显著削弱基础抗拔承载力，其影响程度大于文献［23］按水平力影响系数所考虑的程度。

5 结 论

通过土工试验和基础载荷试验，研究了冻土地基的工程性质和铁塔扩展基础的承载规律。主要结论如下：

1）土体冻结与否对地基的抗剪、上拔角等力学指标有显著影响，处于冻结状态时的浅部季节活动层的地基强度及基础承载性能优于融化状态。

2）冻土融化可减小细粒土的孔隙比、提高密实度，并增加含水率和饱和度，但保持深部回填地基冻结状态对基础安全承载至关重要。

3）细粒冻土地基的转角塔锥柱式扩展基础具有良好的抗拔、抗压和抗倾覆性能。

4）上拔工况下水平力作用显著削弱了基础抗拔承载能力，增加了冻土地基铁塔基础相互作用的不均匀性，因此抗拔稳定分析时需合理计算。

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