摘 要:红黏土在云南省大部分地区广泛分布, 昆明地区红黏土最典型的特征是失水后收缩复浸水膨胀, 不能恢复到原位, 以收缩变形为主.由于昆明地区出现连续四年干旱的极端气候, 蒸发量远大于降水量, 导致大气影响深度和急剧层深度不同程度的加深.本文以某送电线路N12号塔、N24号塔基础沉降分析为例, 通过现场勘测和钻探揭露, 以及对不同深度红黏土含水率的测定, 表明在2013年雨季之前昆明地区的大气影响急剧层深度大于7.00 m.分析红黏土在正常的气候状况下其失水量很小, 收缩变形量也很小, 但受极端干旱气候影响, 使得基础底面以下的红黏土含水量大幅降低, 红黏土失水后收缩变形, 在大气影响急剧层深度范围内, 土岩组合地基基础底面以下红黏土厚度相差较大, 铁塔基础易产生不均匀沉降, 红黏土收缩变形量与基底以下红黏土厚度成正相关关系.并对地基处理提出了建议.
关键词:干旱气候; 红黏土; 收缩变形; 地基处理;
作者简介: 杨逢春 (1963-) , 男, 云南武定人, 高级工程师, 主要从事岩土工程勘察工作.;
Influence on Stability of Wire Tower of Shrinkage of Red Clay Caused by Persistent Drought
Abstract:The red clay is widely distributed in most parts of Yunnan Province. Typical characteristics of red clay in Kunming are the shrinkage after losing moisture, expansion after water soaking, not restoring and shrinkage deformation mostly important. Due to extreme climate of four consecutive years of drought in Kunming, evaporation is much greater than precipitation resulting deepening the atmosphere influenced depth and the sharp layer depth. In the paper, firstly the foundation settlement analysis of transmission lines of the NO.12 wire tower and the NO.24 wire tower as an example, through field surveying and drilling as well as measuring the moisture content different depth of red clay, it indicates the depth of the atmosphere influenced and sharp layer in Kunming is more than 7 m in 2013. Secondly, it analyses that the loss of moisture content and shrinkage deformation are small under normal climate conditions, as affected by extreme drought climate, which makes the moisture content of red clay under the foundation significantly reduce and red clay' shrinkage deformation. In the range of the depth of the atmosphere influenced and sharp layer, the thickness of red clay under the foundation of soil-rock composite subgrade differ bigger, prone to cause uneven settlement of wire tower foundation, the level of shrinkage deformation depends on the thickness of red clay under the foundation and the two are proportional. Finally, the foundation treatment is proposed in the paper.
Keyword:drought climate; red clay; shrinkage deformation; foundation treatment;
1 概况
某送电线路N12号塔、N24号塔在2013年雨季前接连出现基础沉降、塔材变形、塔身倾斜严重的现象, 随时可能倾倒.两塔基均分布于昆明红黏土地区, 昆明红黏土属于Ⅱ类红黏土, 具收缩后复浸水膨胀, 不能恢复到原位[1], 以收缩变形为主, 故对土岩组合不均匀塔基产生影响.针对我省受极端干旱气候的影响下红黏土的工程特性, 提出相应地基处理建议及措施, 对今后电力行业工程建设具有重要意义.
2 工程地质条件
2.1 塔基地形地貌
N12号塔基位于缓坡上, 地形坡度5°~8°, C、D外侧约20°的下坡;N24号塔基位于近山脚斜坡上, 塔位附近地形坡度10~13°.两塔基周围植被发育, 为人工种植的"圣诞树", 较为茂密.
2.2 地基岩土构成及特征
N12号塔基覆盖层为黏土, 顶部为棕红、褐红色, 下部为黄棕、灰棕色, 稍湿, 硬塑-坚硬状态, 切面光滑, 韧性中等, 局部混有铁锰质结核, 裂隙发育, 其面上有黑色铁锰质浸染, 为原生红黏土.厚度变化较大, 在2.00~8.00 m之间.基岩为白云质灰岩, 浅灰、灰白色, 隐晶质结构, 层状构造, 单层为中厚-厚层状, 节理裂隙较发育, 中等-微风化.岩石较破碎, 呈块石、碎石状.岩溶较发育, 地表岩溶形态为石芽、溶沟或溶槽, 石芽高度1.00~4.00 m不等.
N24号塔基由硬塑状态黏土及灰岩构成, 黏土为棕红色, 稍湿-湿, 硬塑状态, 土质均匀, 切面光滑, 韧性强, 为原生红黏土.基岩为灰、浅灰色灰岩, 隐晶质结构, 层状构造, 单层为厚-巨厚层状, 夹较多白云质斑块, 部分地段为白云质灰岩.质坚性脆, 微-中等风化, 岩石呈块石状.岩溶较发育, 岩溶形态主要为石芽、溶沟或溶槽, 石芽高度0.50~3.50 m不等.
2.3 红黏土的特性
结构为碎块状, 复浸水特征为Ⅱ类, 地基为土岩组合不均匀地基.
2.4 基础底面岩土构成
N12号塔位基础埋深为3.00 m, 现场将基础拔出 (由于C腿靠近公路, 未能拔出) .A腿基础底面外侧对角约40%的面积为白云质灰岩, 内侧对角约60%的面积为红黏土.B腿基础底面全部由红黏土组成, 收缩裂缝发育 (见图1) , 基坑内侧边缘有白云质灰岩出露.D腿基础底面全部由红黏土组成, 基坑周边未发现白云质灰岩出露的迹象.N24号塔A、B、C、D塔腿基础底面均为红黏土.
3 塔基变形状态成因分析
3.1 塔基变形概况
N12号塔:经现场测量 (以D腿立柱顶端为原点) , A腿立柱顶端高差为 123 mm;B腿立柱顶端高差为 233 mm;C腿立柱顶端高差为 76 mm;A腿立柱向铁塔中心倾斜, 立柱顶端内外高差为85 mm, 位移量为210 mm.塔身整体向C、D腿一侧倾斜, 塔材变形, A腿最为明显, 腿部主材、斜材、辅助材和第一层隔面材等变形严重.
N24号塔:经现场测量, 发现四个塔基均有不同程度的沉降, 其中C、D腿基础沉降尤为明显, 在C腿附近出现一条裂缝.测量结果表明C腿基础下沉量较B腿基础多100 mm, D腿基础下沉量较A腿基础多90 mm, C腿腿部辅材变形明显.塔身整体向C、D腿一侧倾斜, 塔头偏移量达550 mm.
在该塔位周围及上坡方向的山坡坡面上, 红黏土失水收缩变形裂缝随处可见, 裂缝宽度约50~100 mm, 最大可达250 mm, 延展长度几米到十几米不等 (见图2) , 靠近冲沟边缘、陡坎边缘地段, 裂缝发育较多且密集.
3.2 大气影响急剧层深度分析
根据N12号塔D腿和N24号塔A腿附近不同深度所取原状土样进行室内土工试验得出含水率参数 (见表1、表2) , 在不同深度下红黏土的含水率变化见图3.
由图4知, N12、N24号塔基及基底以下在1.00~7.00 m深度范围内, 红黏土的含水率变化值为34.5%~37.0%, 变化很小, 正常气候下昆明红黏土含水率40%~65%, 当深度增至8.10 m时, 红黏土含水率增至45%以上, 符合正常气候下红黏土含水率.表明大气影响急剧层深度接近7.00 m.
3.3 铁塔基础底面红黏土厚度对塔基变形的影响
3.3.1 N12、N24号塔基底红黏土厚度
N12号塔:B腿基础底面以下红黏土厚度为1.40 m;C腿基础底面以下红黏土厚度为3.20 m;D腿基础底面以下红黏土厚度为4.90m.N24号塔:A腿基础底面以下红黏土厚度为2.20 m;B腿基础底面以下红黏土厚度为2.10 m;C腿基础底面以下红黏土厚度为5.10 m;D腿基础底面以下红黏土厚度为3.60 m.
3.3.2 塔基沉降和基底红黏土厚度关系
N12号塔和N24号塔基底以下红黏土厚度和塔腿沉降量见表3, 借助数值分析方法, 由塔基沉降量和基底红黏土厚度两者拟合曲线得出 (见图4) :对于土岩组合的不均匀地基, 当基岩顶面起伏较大, 基岩上覆红黏土的厚度相差较大, 红黏土失水收缩使铁塔基础产生不均匀沉降, 红黏土收缩变形量的大小与基础底面以下红黏土的厚度成正相关关系.
3.4 塔基变形状态成因分析
基础底面以下的红黏土, 在正常的气候下其失水量很小, 由于昆明地区出现连续四年的极端干旱气候, 蒸发量远大于降水量, 使得基础底面以下的红黏土含水量大幅降低, 收缩变形量变大.两塔基灰岩中石芽、溶沟或溶槽发育, 基岩顶面起伏剧烈, 地基均属土岩组合的不均匀地基, 塔基基础埋置深度为3.00 m, 基底以下红黏土厚度相差较大, 红黏土收缩变形量的大小与基础底面以下红黏土的厚度成正相关关系, 故铁塔基础产生不均匀沉降.
从所取土样试验结果得出:红黏土的含水率在1.00~7.00 m深度范围内减小且变化不大, 深度为8.10 m时, 含水率符合正常气候下的红黏土含水率.说明在2013年雨季之前昆明地区的大气影响深度和急剧层深度存在不同程度的加深, 大气影响急剧层深度接近7.00 m (昆明地区正常年份的大气影响深度为4.00~4.50 m, 急剧层深度为1.80~2.00 m) , 故塔基不均匀沉降量也增大.
N12号塔:D腿基础地面以下红黏土层最厚, 沉降量最大;C腿基础底面以下红黏土层厚度居中, 沉降量也居中;B腿基础底面以下红黏土层最薄, 沉降量最小;A腿地基由白云质灰岩与红黏土组成, 基础对角外侧约40%的面积为白云质灰岩, 对脚内侧约60%的面积为红黏土, 由于白云质灰岩不会收缩变形, 因此, 红黏土收缩变形后, 导致基础向塔基内侧倾斜, 腿部塔材严重变形, 立柱顶端中心高度相对降低.A、D腿基础的沉降差为-123 mm, B、C腿基础的沉降差为-157 mm, 因此, 塔身整体向C、D腿一侧倾斜及塔头的偏移.
N24号塔:C、D腿一侧灰岩顶面埋藏较深, 基础底面以下上覆红黏土层较厚, 为3.60~3.90 m, 故红黏土的收缩变形量较大, 基础的沉降量也较大;A、B腿一侧灰岩顶面埋藏较浅, 基础底面以下上覆红黏土层较薄, 为2.10~2.20 m, 故红黏土的收缩变形量较小, 基础的沉降量也较小, 从而导致了塔身向C、D腿一侧倾斜及塔头的偏移.
4 连续干旱地区红黏土地基处理措施
对红黏土地区的地基, 一般均需查清下伏基岩埋藏及岩溶发育状况, 对于不均匀的土岩组合地基, 重点应查明基础底面以下红黏土的厚度, 如果厚度相差较大, 应进行地基换填处理或结构加固处理, 尽量使基础底面以下红黏土厚度相等或接近, 使基础沉降均匀.地基处理的措施一般如下:
对单个塔腿基础而言, 基坑开挖至基础底面标高后, 如发现石芽出露, 应将石芽部位超挖0.50 m, 然后用碎石混砂换填并夯实 (褥垫层) ;如遇溶沟 (或溶槽) , 应将其中的黏土清理干净, 用毛石混凝土回填.
对整个铁塔基础而言, 应尽量提高地基的均匀性.具体到不同的塔基, 应根据基坑开挖揭露的土岩组合情况, 提出有针对性处理措施.如地基以红黏土为主, 则对灰岩进行处理, 用"褥垫层的方法";如地基以灰岩为主, 则对红黏土进行处理, 用"超挖换填的方法".
5 结论
结合塔基变形状态, 通过对大气影响急剧层深度及铁塔基础底面红黏土厚度对塔基变形的影响分析, 得出:
(1) 塔基不均匀沉降主要原因是:特殊的土岩组合不均匀地基在极端的连续干旱气候条件下, 红黏土失水收缩变形所致.
(2) 测定红黏土的含水率在深度1.00~7.00 m内变化范围为34.5%~37.0%, 含水率减小且变化不大, 深度为8.10 m时含水率大于45%, 为正常气候下的红黏土含水率, 说明极端干旱气候下大气影响急剧层深已经超过7 m.
(3) 土岩组合的不均匀地基, 在大气影响急剧层深度范围内, 基底下覆红黏土厚度相差较大时, 红黏土的收缩变形量也相差较大, 使塔基不均匀沉降量与红黏土的厚度成正相关关系.
(4) 红黏土地区, 对于土岩组合不均匀地基, 需查明基底以下红粘土厚度, 并采取相应地基处理措施.
参考文献
[1]GB50021-2001, 岩土工程勘察规范[S].
[2] 云南省城乡建设委员会.云南省膨胀土地区建筑技术规定[S].
[3]工程地质手册编委会.工程地质手册第4版[K].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[4]DL/T 5024-2005, 电力工程地基处理技术规程[S].