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冻融循环下粉砂中螺旋锚抗拔稳定模型试验研究

郝冬雪, 王磊, 陈榕, 莫凯强, 孔纲强, 高宇聪

郝冬雪, 王磊, 陈榕, 莫凯强, 孔纲强, 高宇聪. 冻融循环下粉砂中螺旋锚抗拔稳定模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(1): 57-65. DOI: 10.11779/CJGE20211293
引用本文: 郝冬雪, 王磊, 陈榕, 莫凯强, 孔纲强, 高宇聪. 冻融循环下粉砂中螺旋锚抗拔稳定模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(1): 57-65. DOI: 10.11779/CJGE20211293
HAO Dongxue, WANG Lei, CHEN Rong, MO Kaiqiang, KONG Gangqiang, GAO Yucong. Experimental investigation on uplift stability of helical anchors in silty sand under freeze-thaw cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(1): 57-65. DOI: 10.11779/CJGE20211293
Citation: HAO Dongxue, WANG Lei, CHEN Rong, MO Kaiqiang, KONG Gangqiang, GAO Yucong. Experimental investigation on uplift stability of helical anchors in silty sand under freeze-thaw cycles[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2023, 45(1): 57-65. DOI: 10.11779/CJGE20211293

冻融循环下粉砂中螺旋锚抗拔稳定模型试验研究  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金项目 52078108

吉林省科技厅中青年科技创新领军人才及团队项目 20210509058RQ

吉林省教育厅科学研究项目 JJKH20210103KJ

详细信息
    作者简介:

    郝冬雪(1981—),女,博士,教授,主要从事输电线路基础承载特性及原位测试机理研究工作。E-mail: haodongxue2005@126.com

    通讯作者:

    陈榕, E-mail: lg1316cih@126.com

  • 中图分类号: TU445

Experimental investigation on uplift stability of helical anchors in silty sand under freeze-thaw cycles

  • 摘要: 目前螺旋锚基础在寒区电力工程中得到初步应用,然而季冻区螺旋锚的冻拔稳定性研究有限,尤其缺少针对输电线路基础受力工况的冻融循环试验研究。因此,针对粉砂中螺旋锚冻拔性能进行了室内封闭系统单向冻融循环模型试验,探讨锚几何尺寸、锚顶约束条件、冻融循环次数及冻结边界温度对螺旋锚冻拔位移发展规律的影响。结果表明,锚盘埋于冻深线以下时,冻拔位移量与锚的抗拔承载力基本相关,未冻土中锚的上拔承载力越大,其冻拔位移越小;承载力相近时,锚盘间距小对抗冻拔有利。锚顶自由时,升温锚顶位移部分恢复;而锚顶作用上拔荷载时,升温过程中上拔位移仍持续发展。大盘径锚和小间距多盘锚抗冻拔效果好,在第3次冻融循环后位移增量趋于稳定。在封闭系统下,相同的冻结时间,冻结边界温度降低会增大锚杆切向冻拔力,从而加剧冻拔位移的发展。所得结论可为季冻区螺旋锚基础设计提供一定参考。
    Abstract: At present, the helical anchor has been gradually adopted in electric power projects in cold areas. However, the experimental investigation on its freeze-thaw stability in seasonal frozen soil is limited, especially considering the uplift load simultaneously for transmission line foundation. Therefore, the unidirectional freeze-thaw cycle model tests on the helical anchors in silty sand are carried out to investigate the effects of anchor geometry, top constraint conditions, freeze-thaw cycle times and freezing temperature on the development of frost-jacking displacement. It is concluded that when the helical plate is buried below the frozen depth line, the frost-jacking displacement is basically related to the uplift capacity of the anchor, that is, the anchors with larger uplift capacity in non-frozen soil have relatively small frost-jacking displacement. And when the uplift capacities of both are anchors similar, the anchor with small helix-spacing is more beneficial to resisting frost jacking than that with large spacing. The frost-jacking displacement of the anchors partially recovers after the soil melts for the case of the anchors without top constraint, while the upward displacement of the anchors continues to develop during soil melting process for the case of the anchors subjected to uplift force. The single-helix anchor with large diameter and multi-helix anchor with small spacing have good anti-frost-jacking behavior, and their displacement increments at the end of each freeze and thaw become stable after suffering the third freeze-thaw cycle. In the closed system, the decrease of freezing temperature at the same freezing period will increase the tangential frost-heave force of the anchor rod, which will aggravate the development of the frost-jacking displacement. The study results may provide reference for the design of the helical anchors in seasonal freezing areas.
  • 输电线路作为重要的生命线工程,其基础的稳定性至关重要。在冻土地区架空输电线路基础设计中[1],考虑柔性塔身结构对地表浅层土体变形不敏感,放宽对土体变形的要求,认为基础在满足上拔和下压稳定性的前提下,埋深范围内土体的冻胀和融沉变形不影响基础的稳定性。而实际上,由于地基冻胀融沉导致杆塔出现过大冻拔位移或沉降、塔位倾斜、塔材变形而使铁塔丧失使用功能的现象时有发生[2],甚至出现倒塔、倒杆等工程事故[3-4]。为减轻冻害的影响,一些新型基础被采用,其中螺旋锚基础因安装快、抗拔能力强而在寒区电力工程得到初步应用[5],并且,随着电网工程在西北和东北地区的加快建设,螺旋锚基础将有更广阔的应用前景。因此,开展季冻区架空输电线路螺旋锚基础冻拔变形及稳定性的研究十分必要。

    目前,针对寒区输电线路基础及螺旋锚/桩等特性开展了一定的现场试验、模型试验及数值模拟研究。Johnston等[6-7]在多年冻土场地进行了注浆锚杆和螺旋锚的现场试验,评估锚的蠕变行为和承载力,揭示锚的时变特性与冻土基本蠕变参数的关系;建议螺旋锚的极限承载力由位移控制,并基于二次蠕变率提出了位移预测公式。Aldaeef等[8-9]同样发现富冰土中桩的蠕变位移控制其极限承载力。Guo等[10]根据位移监测结果分析了高原多年冻土区铁塔基础的位移特征和机理。Wen等[11]分析了塔基底部应力与气温、地温的关系。Aldaeef等[12]在冻结富冰粉土中进行了螺旋桩及注浆杆螺旋桩的现场蠕变和上拔试验,基于加拿大地区螺旋桩修正公式预测了冻土中螺旋桩的上拔承载力,并分析了恒定荷载条件下蠕变速率和地表温度的关系。上述研究均针对多年冻土,相关结论未考虑冻融循环的影响。

    针对季节冻土地区螺旋锚的稳定性及承载特性,陈然[13]利用有限元法分析了螺旋桩几何参数对冻拔位移和桩周土破坏模式的影响。Wang等[14-15]对季冻区光伏螺旋桩基础抗冻拔性能进行了数值模拟,在已有螺旋桩抗拔承载力公式中引入冻土强度修正系数估算抗冻拔承载力。田彦德[16]结合传统等直径桩的冻拔受力分析和非冻土中螺旋桩的抗拔承载力计算方法,提出了螺旋桩的冻拔受力模型及半螺旋桩的承载力计算公式。王腾飞等[17]、Wang等[18]进行了螺旋桩的冻拔模型试验,建议了螺旋盘的布设方式;通过轴向上拔力与冻深关系确定了冻深阈值,并提出了一种采用土体剪切模量预测螺旋桩冻拔响应的方法。Fernandez等[19]通过数值模拟研究了冻土融化对细粒土中螺旋桩抗拔承载力的影响。

    综上所述,目前考虑冻融作用对基础承载及变形特性的研究颇少,尤其缺少考虑输电基础服役时上拔工况下的冻融变形规律研究。对反复冻融效应的认识不足,可能会导致实际工程中螺旋锚抗冻拔设计不当,引发工程问题。因此,本文通过室内模型试验,探讨粉砂中多次冻融循环条件下螺旋锚几何尺寸、锚顶受上拔力、冻融循环次数及边界冻结温度对螺旋锚冻拔位移发展规律的影响,为季冻区输电线路螺旋锚基础设计提供参考。

    为分析季冻区输电线路螺旋锚基础的稳定性,考虑螺旋锚几何型式、受力工况,冻融循环次数及边界冻结温度变化对基础位移发展的影响设计试验,试验方案如表 1

    表  1  试验方案
    Table  1.  Test programme
    锚编号 几何尺寸 试验项目
    D/mm d/mm n/个 h/mm s/mm 拉拔试验 锚顶自由冻融循环(-20℃) 锚顶受拉多次冻融循环(-20℃) 锚顶受拉冻融循环(-30℃)
    1 50 12.5 3 400 150 干砂中位移控制拉拔试验 冻融循环第1次;锚顶自由; 冻融循环第2~5次; Q=Qt/3; 冻融循环第6次;Q=Qt/3;
    2 50 12.5 2 550 150
    3 50 12.5 1 700
    4 80 20.0 1 700
    5 50 12.5 2 400 300
    注:D为盘径;d为杆径;n为锚盘数;h为顶锚埋深;s为盘间距。
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    为比较盘数、盘间距、盘径等几何尺寸的影响,共设计了5根螺旋锚,其中,锚的埋深比、盘径比、杆径比参考中国规范[20]和螺旋锚制造商提供的产品说明[21]确定。中国输电线路工程应用的螺旋锚盘径D一般在300~800 mm,顶锚埋深h大于5D可认为是深埋锚,而对于盘径小的现场或模型试验,深埋模式的埋深比会达到8以上[22]。因此,本文模型试验顶锚埋深比h/D均不小于8,各锚底盘埋深H相同,为700 mm,有H/D=8.75和14两种;杆径与盘径比d/D=0.25,锚盘螺距比p/D=0.3。多盘锚的盘间距通常为3D[21]。为研究盘间距影响,同时进行了间距为6D的双盘锚试验。锚杆采用壁厚3 mm的钢管,锚片厚度1 mm,与锚杆焊接,具体如图 1所示。

    图  1  螺旋锚模型
    Figure  1.  Models for helical anchors

    冻融循环试验中设计了无荷载(锚顶自由)与施加上拔荷载的对比,锚顶上拔荷载Q按安全系数3取值[20, 23],即Q=Qt/3,Qt为未冻土中锚的极限上拔承载力。假设相同密实度的饱和粉砂与干砂强度相同,忽略二者重度不同对抗拔承载力的影响,Qt由密实度相同的干砂中螺旋锚拉拔试验确定。按标准冻深z0=2 m,实际工程螺旋锚盘径在0.3~0.8 m,H/D=14时,冻深比z0/H在0.17~0.48变化。本试验将冻结温度设置为-20℃和-30℃两种,土体冻结50 h左右,冻深比可保证在上述实际冻深比范围内,并且-20℃冻结温度下最后2 h内温度基本保持不变;第1~4次融化时将边界温度设置为15℃,升温至初始温度即开始下一循环,第5~6次融化采用室内温度自然升温。

    干砂中螺旋锚拉拔试验的模型槽为Φ1 m×1 m圆桶。拉拔试验采用MTS液压作动器,由位移控制进行加载,加载速率为0.1 mm/s,数据采集频率设为10 Hz。

    冻融循环试验采用自行设计加工的冻融循环箱,内壁尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m,顶盖内部冷却管与冷却循环机相连,使箱中形成稳定的一维冻结温度场;顶板预留孔洞,锚杆可穿过各孔与外部加载系统和位移传感器相连(冻融开始前封堵孔口),如图 2所示,边缘孔洞与相邻侧壁距离为300 mm。

    图  2  冻融循环试验设备
    Figure  2.  Freeze-thaw test system

    冻融循环时锚顶上拔荷载通过定滑轮由砝码重力施加,如图 3(a)。使用精度为±0.1℃的PT-100温度传感器测量温度,传感器从土表开始间隔10 cm粘贴在3号锚杆上,编号依次为温测点1~4,如图 3(b)。锚顶位移采用WY-10位移传感器测量,精度为±0.0025 mm,量程为10 mm。锚顶自由时,位移传感器直接布设于锚顶部;锚顶施加荷载时,传感器布设于加载盘底部。由于连接装置均为钢材,忽略加载系统自身变形量,加载盘位移即为螺旋锚位移。

    图  3  加载方式及传感器布设
    Figure  3.  Loading mode and layout of sensors

    试验用土为粉砂,最大干密度为1.82 g/cm3,最小干密度为1.47 g/cm3,相对质量密度为2.70。制备相对密实度为0.84的土样,冻融循环试验饱和土样含水率为20%,土样内摩擦角为30°,冻结温度为-0.2℃。试验中土样制备均采用分层铺设法,压实后每层厚度为20 cm,土样总高度为1 m。其中,冻融循环土样需在逐层铺设后均匀喷洒相应重量的水以达到所需含水率。

    自主研发螺旋锚安装旋入装置,人工转动手柄以80 mm/min(20 rpm)的转速将锚扭入土中。干砂中螺旋锚的拉拔试验中,桶壁与锚杆距离为6.25D;冻融循环试验中,各锚间距以及锚杆与箱壁距离均大于等于6D,可满足边界要求[22]

    首先进行干砂中螺旋锚拉拔试验,获得荷载-位移曲线,确定每根锚极限上拔承载力Qt。随后进行冻融循环试验,设置-20℃低温进行第1次冻融循环不加载试验,试验中每隔2 h记录#1~#4温测点温度,当各温测点温度不再变化,停止降温;调整温度为15℃开始升温,当底部传感器温度接近初始温度时,关掉冷却机,完成锚顶自由冻融循环试验。在第2~6次冻融循环中,在每根锚顶施加Qt/3的上拔力,其中,第2~4次冻融循环温度施加方法与第1次相同,第5次冻融循环的融化过程采用自然升温,第6次冻融循环的冻结温度采用-30℃,降温51 h后,采用自然升温。两次自然升温过程中室温在11~13℃。第2~6次冻融循环过程中仅对土表下10和20 cm处温度进行记录。各循环过程中锚顶位移数据采集间隔为1 h。

    对5根不同几何尺寸的螺旋锚在干砂中进行拉拔试验,各锚进行两次平行试验,其荷载-位移曲线如图 4所示。由荷载-位移曲线的斜率可见,#1锚的刚度最大,其它锚的刚度相近;5根锚的破坏位移比up/D介于0.12~0.27。

    图  4  螺旋锚拉拔试验荷载-位移曲线
    Figure  4.  Curves of uplift resistance and displacement for different helical anchors

    各锚两次平行试验的极限承载力比较接近,最大极差为7.4%。#1~#5锚两次试验的极限上拔承载力平均值分别为1.503,0.893,0.616,1.386,0.995 kN。在随后进行的锚顶受拉冻融循环试验中,在#1~#5锚顶施加1/3的极限上拔承载力,分别为0.50,0.30,0.20,0.46,0.33 kN。

    由试验结果可见,相同盘径,底盘埋深相同时,随着盘数增加上拔承载力增加,三盘#1锚承载力最大,单盘#3锚承载力最低。底盘埋深和盘径相同的双盘锚#2和#5锚,两者承载力相近,从两次平行试验的平均值看,间距大的#5锚承载力略高于#2锚11.4%,这表明#2锚的盘间相互作用影响了各盘承载力的独立发挥。对比盘径及顶、底盘埋深相同的#1和#5锚,中间增加一个盘的#1锚抗拔承载力明显得到了提高,提高了为51%。对比相同埋深不同盘径的#3和#4锚,盘径增大,上拔承载力提高显著,#4锚极限上拔力比#3锚提高了125%。

    图 5(a)为第1次冻融循环过程中(锚顶自由)温测点#1~#4的温度变化,图 5(b)为第2~6次冻融循环测点#1和#2的温度变化。其中,第5次和6次循环融化速率较慢,这是由于融化时采用室内温度自然融化。

    图  5  各测点温度随时间变化
    Figure  5.  Variation of temperature at each measurement point

    各测点的温度变化相似,温度在初始阶段下降较快,当边界温度为-20℃时(第1~5次循环),历时40 h后,温度变化趋于平缓;在第1~5次冻结过程中测点#1最低温度分别-1.2,-1.2,-1.2,-0.7和-1.2℃,测点#2的最低温度基本为0.1或0℃,将-0.2℃定为冻结深度线,则边界温度为-20℃时冻深线在10~20 cm。边界温度为-30℃时(第6次循环),近土表10 cm处的测点#1初始温度下降速率明显高于边界温度为-20℃的情况,并且在时间超过50 h后温度未达平稳,但考虑与其它冻融循环的时间相当,在冻结51 h后开始升温;而更深位置的温测点#2的温度下降速率受边界温度的影响不如测点#1明显。边界温度为-30℃时,测点#1和#2的最低温度分别为-2.2和-0.4℃,对应的冻深则超过20 cm。

    对第1次冻融循环,选择测点#1、#2和#3的温度数据采用拉格朗日插值法确定冻结深度[17];而第2~6次循环,由于仅有两个位置点的温度,故采用线性插值,除第6次循环在47~51 h的数据由线性外插确定,其它均为线性内插确定。冻深与时间关系曲线如图 6所示,边界温度-20℃时,最大冻深dmax=16.3~18.3 cm =(0.23~0.26)H;边界温度-30℃时,dmax=21.1 cm= 0.30H。各锚顶盘埋深均在冻深线以下。

    图  6  冻深随时间变化
    Figure  6.  Relationship between frozen depth and time

    (1)锚顶自由

    锚顶自由时冻融循环期内各锚顶位移变化情况如图 7所示。由图 7可见,降温8 h后(冻深0.2 cm)各锚陆续开始出现冻拔位移;随着冻深的增加,冻拔位移逐渐增大,冻拔位移发展呈三阶段:8~23 h线性快速增加阶段,23~31 h曲线增速放缓阶段,31~50 h缓慢平稳阶段。小直径锚最终冻拔位移量在2.85%D~4.52%D,大直径锚为1.89%D。土体升温融化阶段,升温3~5 h后各锚冻拔位移才开始回落;冻拔位移近似呈线性减小至稳定值。当土体全部融化后,各锚仍存在残余位移ur;小直径锚的ur=1.8%D~2.4%D,大直径锚ur=1.3%D

    图  7  锚顶自由时冻融循环期间各锚位移
    Figure  7.  Displacements of each anchor during freeze-thaw cycles (free top boundary)

    (2)锚顶加载

    为分析上拔工况下螺旋锚基础的冻拔特性,1次自由冻融后在各锚顶施加Qt/3的上拔力,随后进行第2~6次冻融循环,各冻融循环过程中锚顶位移如图 8所示。其中,#3锚的位移在第5次融化过程中超过量程未及时调整,致使未能测到后续变形。与锚顶自由时相同,锚的变形滞后于升温和降温的开始时间,降温时变形滞后时长基本大于升温滞后时长。

    图  8  锚顶加载后冻融循环产生的累积竖向位移
    Figure  8.  Upward displacements of each helical anchor during freezing-thaw cycles under uplift loading

    试验结束后,卸掉锚顶荷载,打开冻融循环箱顶盖,进一步观测土表高度、箱壁处残余土痕及锚土相对位移情况。在经历6次冻融后,土表升高约10 mm;根据箱壁残余土痕可判断冻胀时土表最高冻胀量约20 mm;同时,可观测各锚在经历6次冻融循环后均呈现不同程度的拔出现象,如图 9所示。各锚相对于现土表面的拔出量约为1~3 mm,#3锚拔出量最大。

    图  9  试验结束后土表和锚变形情况
    Figure  9.  Deformations of soil surface and anchors after tests

    冻融循环试验中未对土表变形进行过程监测,但从试验结束后土体表面提升现象可判断土体变松,这种现象在徐韩宝等[24]、严晗等[25]砂土室内冻融循环试验中亦被发现。土体融沉性受含水率、土体干密度及土粒成分等影响,实际上,存在许多融沉量大于冻胀量的工程[26],锚土相对位移(锚体拔出量)会大于锚的绝对位移。

    图 4显示拉拔试验中各锚上拔承载力大小关系为#1 > #4 > #5≈#2 > #3,图 78显示冻融循环试验中锚顶自由和加载时各锚冻拔位移大小关系均为#1 < #4 < #2 < #5 < #3。#3和#5锚加载后的4次冻融循环累积上拔位移(不包括第1次未加载冻拔位移和外部加载产生的位移)超过10%D#1、#2和#4锚累积位移分别为2.95%D,5.23%D和1.99%D。由此可见,冻拔位移量与未冻土中锚的抗拔承载力基本相关,未冻土中单调加载承载力越大的锚,冻拔位移越小;承载力相近时,盘间距小对抗冻拔有利,这与文献[17]的试验结果一致。

    将锚顶自由冻融循环过程中各锚位移随冻结深度发展关系绘于图 10。由图 10可见,冻深小于0.2 cm时,各锚均未出现冻拔位移;冻深在0.2~8.0 cm,冻拔位移量随冻深呈非线性快速增加,之后随着冻深增加增速放缓,并在接近最终冻深时趋于平稳。小直径小间距三盘#1锚冻拔位移最小,大盘径单盘#4锚次之,小直径单盘#3锚冻拔位移最大,达到4.5%D。融化过程中,各锚冻拔位移随冻深减小以不同速率呈线性回落,当土体全部融化后,各锚仍有少量位移回落。冻拔位移较大的#3锚和#5锚冻拔恢复率(恢复位移与冻拔位移比值)较高,接近50%;抗冻拔效果较好#1和#4锚冻拔恢复率较低,约38%,但残余位移仍较其它锚小,冻融期间表现更稳定。

    图  10  冻融循环过程中冻结深度与位移关系(锚顶自由)
    Figure  10.  Relationship between frost depth and displacement during freeze-thaw cycles (free boundary)

    图 11为锚顶自由冻融循环(第一次冻融)和受上拔荷载后冻融循环(第二次冻融)各锚的竖向位移。明显可见,锚顶加载时冻融循环过程中各锚竖向位移与锚顶自由情况表现不同:锚顶自由时,升温融沉;而锚顶作用上拔荷载时,升温过程中上拔位移仍持续发展。这可能与锚-土界面剪切蠕变特性和反复冻融作用劣化土体性质有关。锚-土剪切蠕变特性会加大受荷锚的位移;冻融循环使得粉砂模量和抗剪强度降低[27],引起锚荷载-位移曲线的斜率(锚上拔刚度)和抗拔承载能力降低,使得相同荷载对应的位移增加;位移增量与土性劣化程度及锚受荷水平有关。当融土冻拔力消失引起的锚变形恢复量小于由于土性劣化和剪切蠕变引起的锚上拔位移量时,锚最终表现为持续上拔。

    图  11  锚顶自由冻融循环与加载后冻融循环锚顶位移
    Figure  11.  Top displacements of helical anchors under free boundary and uplift loading

    图 12为两种边界温度下冻融循环期间各锚竖向位移对比结果(#3锚传感器失效),其中第5次循环的边界冻结温度为-20℃,第6次循环边界温度降低为-30℃。对比可见,边界温度下降加剧了冻拔位移的发展,-30℃的冻结温度造成的冻拔位移明显大于-20℃;冻深发展速率较-20℃时快,但在水源补给有限的情况下,降温速率对水分迁移和冻胀的影响不大,因此未发现温度下降梯度对冻拔位移的影响。-30℃边界温度时冻结41 h达到了-20℃冻结50 h的冻深18.3 cm。由第6次冻结位移发展曲线可见,冻深达到18.3 cm后的冻拔位移基本保持不变。故-30℃时的冻拔位移更大,并非冻深增加引起。杆侧切向冻胀力受温度影响,-30℃边界冷却温度时,冻深范围内锚土接触温度更低,随着温度降低,单位切向冻胀力增加[28],而同时冻结强度亦增加[29],温度降低可能并未改变锚-土相对位移,仅导致切向冻拔力增加,从而增大了上拔位移量。

    图  12  不同边界温度冻融循环锚顶位移对比
    Figure  12.  Comparison of displacements of helical anchors during freeze-thaw cycles at different boundary temperatures

    表 2列出第1次冻结(锚顶自由)和第2次冻结(加载后)产生的冻拔位移。第2次冻结产生的冻拔位移明显小于第1次冻结的冻拔位移;除#3外,其它锚第2次冻拔位移为第1次的30%~50%;小径单盘3#锚冻拔位移为第1次的78%。

    表  2  第1次和第2次冻结各锚的冻拔位移
    Table  2.  Frost-jacking displacements of each helical anchor during first and second freezing processes  单位: mm
    编号 #1 #2 #3 #4 #5
    第1次冻(锚顶自由) 1.425 1.925 2.2575 1.512 2.05
    第2次冻(锚顶加载) 0.5135 0.5788 1.768 0.409 1.0288
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    图 8显示,加载后除第一次降温外,其它升温和降温过程中,均表现为前期位移快速发展,后期增速逐渐放缓或趋于稳定;并且随着冻融次数的增加,位移快速发展的时长缩短。图 13为加载后冻融循环(第2~6次)中的每次冻和融结束时产生的竖向位移增量比Δu2/D,图中黑线表示所有锚的位移增量上限和下限。由图 13可见,相同冻结边界温度(-20℃)下,加载后第一次冻融循环各锚产生位移量最大,冻拔位移量为(0.005~0.0354)D,融拔位移量为(0.0038~0.02)D,之后相同条件下的冻融循环位移增量逐渐减小;加载后第3次冻融循环,#1、#2和#4锚的变形增量基本平稳且较小;而小直径单盘的#3锚和小直径双盘大间距的#5锚上拔位移增量较第1次循环时小,但并不稳定。第5次融化过程中#3锚位移传感器超量程失效,其它各锚的上拔位移量基本较前两次大,可能由于该次融化时间更长,即上拔荷载持续时间更长引起。锚加载后经历2次冻融循环(即土体经历3次冻融循环)变形趋于稳定或增速放缓与土体受冻融循环性质变化有关,两者随冻融次数发展规律一致。对粉砂的冻融循环试验表明[27],3次冻融循环内土体内摩擦角和变形模量快速降低,之后缓慢下降,7次冻融循环模量和强度降至最低。

    图  13  加载后每次冻和融结束时竖向位移增量比
    Figure  13.  Upward displacement ratios at end of each freeze and thaw after loading

    图 14为冻融循环次数n与单次冻融循环上拔位移率$ \xi $的关系,$ \xi $为单次冻融循环锚顶位移增量与盘径之比。与自由冻拔几何尺寸影响相似,在上拔荷载作用下经过3次冻融循环后大直径#4锚、小直径小间距三盘#1锚的拔出位移较小;小直径小间距双盘#2锚次之,尽管#2锚的抗拔承载力小于相同盘径大间距的#5锚,但其冻融拔出位移小于#5锚,这种锚片间距小抗冻拔效果好的现象及机理仍需要进一步研究。

    图  14  冻融循环次数与上拔位移率的关系
    Figure  14.  Relationship between freeze-thaw cycle times and uplift displacement rate

    针对季冻区粉砂地基架空输电线路螺旋锚基础冻拔特性问题,重点考虑线路基础受荷工况和多次冻融循环作用下锚的冻拔变形特征,探讨了锚几何尺寸、锚受上拔力、冻融循环次数及冻结边界温度对螺旋锚冻拔位移发展规律的影响,得到以下5点结论。

    (1)锚盘埋于冻深线以下时,冻拔位移量与锚的抗拔承载力基本相关,未冻土单调加载承载力越大,冻拔位移越小;承载力相近的双盘锚,锚盘间距小对抗冻拔有利。

    (2)锚顶自由时,升温土体融化,锚顶位移部分恢复;抗冻拔效果较好的锚冻拔恢复率较低,但残余位移仍较小,冻融期间表现更稳定。而锚顶作用上拔荷载时,升温过程中上拔位移仍持续发展,设计中应重视受荷工况对冻拔位移的不利影响。

    (3)第2次冻结(加载后第1次冻结)产生的冻拔位移明显小于第1次冻结(锚顶自由)的冻拔位移,为第1次冻拔位移的30%~78%。

    (4)边界冷却温度下降加剧了冻拔位移的发展,-30℃的边界温度引起的冻拔位移明显大于-20℃,主要是由于土中温度降低使得切向冻拔力增大。

    (5)随着冻融循环次数增加,各锚每次冻和融循环结束时锚顶位移增加量基本呈逐渐减小的趋势。大盘径和间距比相对小的小盘锚抗冻拔效果好,且在第3次冻融循环后位移增量变小趋于稳定。

    本研究为螺旋锚多次冻融循环变形规律和影响因素的探讨与分析,所得结论可为季冻区输电线路螺旋锚基础设计提供一定参考。但有关多次冻融循环冻拔发展规律的机理解释和环境、埋深及加载水平变化等对基础冻拔位移发展的影响仍需更多的试验和理论研究。

  • 图  1   螺旋锚模型

    Figure  1.   Models for helical anchors

    图  2   冻融循环试验设备

    Figure  2.   Freeze-thaw test system

    图  3   加载方式及传感器布设

    Figure  3.   Loading mode and layout of sensors

    图  4   螺旋锚拉拔试验荷载-位移曲线

    Figure  4.   Curves of uplift resistance and displacement for different helical anchors

    图  5   各测点温度随时间变化

    Figure  5.   Variation of temperature at each measurement point

    图  6   冻深随时间变化

    Figure  6.   Relationship between frozen depth and time

    图  7   锚顶自由时冻融循环期间各锚位移

    Figure  7.   Displacements of each anchor during freeze-thaw cycles (free top boundary)

    图  8   锚顶加载后冻融循环产生的累积竖向位移

    Figure  8.   Upward displacements of each helical anchor during freezing-thaw cycles under uplift loading

    图  9   试验结束后土表和锚变形情况

    Figure  9.   Deformations of soil surface and anchors after tests

    图  10   冻融循环过程中冻结深度与位移关系(锚顶自由)

    Figure  10.   Relationship between frost depth and displacement during freeze-thaw cycles (free boundary)

    图  11   锚顶自由冻融循环与加载后冻融循环锚顶位移

    Figure  11.   Top displacements of helical anchors under free boundary and uplift loading

    图  12   不同边界温度冻融循环锚顶位移对比

    Figure  12.   Comparison of displacements of helical anchors during freeze-thaw cycles at different boundary temperatures

    图  13   加载后每次冻和融结束时竖向位移增量比

    Figure  13.   Upward displacement ratios at end of each freeze and thaw after loading

    图  14   冻融循环次数与上拔位移率的关系

    Figure  14.   Relationship between freeze-thaw cycle times and uplift displacement rate

    表  1   试验方案

    Table  1   Test programme

    锚编号 几何尺寸 试验项目
    D/mm d/mm n/个 h/mm s/mm 拉拔试验 锚顶自由冻融循环(-20℃) 锚顶受拉多次冻融循环(-20℃) 锚顶受拉冻融循环(-30℃)
    1 50 12.5 3 400 150 干砂中位移控制拉拔试验 冻融循环第1次;锚顶自由; 冻融循环第2~5次; Q=Qt/3; 冻融循环第6次;Q=Qt/3;
    2 50 12.5 2 550 150
    3 50 12.5 1 700
    4 80 20.0 1 700
    5 50 12.5 2 400 300
    注:D为盘径;d为杆径;n为锚盘数;h为顶锚埋深;s为盘间距。
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    表  2   第1次和第2次冻结各锚的冻拔位移

    Table  2   Frost-jacking displacements of each helical anchor during first and second freezing processes  单位: mm

    编号 #1 #2 #3 #4 #5
    第1次冻(锚顶自由) 1.425 1.925 2.2575 1.512 2.05
    第2次冻(锚顶加载) 0.5135 0.5788 1.768 0.409 1.0288
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 网络出版日期:  2023-02-03
  • 发布日期:  2021-11-02
  • 刊出日期:  2022-12-31

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