戈壁灘地基掏挖基礎(chǔ)抗拔承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)★

段輝順 劉生奎 李 波

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)公司甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

戈壁灘地基掏挖基礎(chǔ)抗拔承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)★

段輝順 劉生奎 李 波

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)公司甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

以甘肅境內(nèi)戈壁灘碎石土地基中的直柱、擴(kuò)底兩種結(jié)構(gòu)型式的掏挖基礎(chǔ)為研究對(duì)象，通過開展全尺寸試驗(yàn)基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)上拔試驗(yàn)，獲得了試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載位移曲線及地基土體的破壞模式，并分析得到基礎(chǔ)抗拔承載力和側(cè)摩阻力。

輸電線路，戈壁灘碎石土，掏挖基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，抗拔承載力

戈壁灘是廣泛分布于我國(guó)西北地區(qū)的一種特殊土地基，一般為沖洪積物，多分布在盆地邊緣地帶、沖積～洪積扇地段[1]。戈壁灘地區(qū)的主要地基類型為碎石土，由于獨(dú)特的氣候特征，與常規(guī)碎石土相比，戈壁灘碎石土顆粒間的膠結(jié)效應(yīng)明顯，抗剪強(qiáng)度較高，是一種優(yōu)良的天然地基。

隨著我國(guó)“疆電外送”能源戰(zhàn)略的推進(jìn)，多條特(超)高壓輸電線路工程穿越戈壁灘碎石土地基。掏挖基礎(chǔ)作為輸電線路工程中常采用的一種基礎(chǔ)型式，由于其優(yōu)良的承載性能和良好的環(huán)保效應(yīng)，因此在生態(tài)環(huán)境脆弱的戈壁灘地區(qū)中被經(jīng)常采用。

輸電線路桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要受上拔穩(wěn)定性控制[2]。地基土體的粘聚力是掏挖基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一，以往工程中針對(duì)碎石土地基，常常認(rèn)為粘聚力很小甚至為零。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明[3-5]：碎石土地基是一種粘聚強(qiáng)度大的優(yōu)良地基，具有較強(qiáng)的抗拔承載性能。針對(duì)這一問題，本文選擇甘肅境內(nèi)典型戈壁灘碎石土地基，根據(jù)750 kV輸電線路工程的荷載條件設(shè)計(jì)出4個(gè)全尺寸的試驗(yàn)基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)的上拔試驗(yàn)，獲得了基礎(chǔ)的變形承載特征以及工程設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，為該地區(qū)輸電線路工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省金昌市金川區(qū)境內(nèi)，擬建750 kV金昌變附近的戈壁荒灘，該試驗(yàn)點(diǎn)地貌單元屬山前沖洪積平原，地形平坦、開闊，地勢(shì)由西南向東北微傾，地面坡降約10‰，地面海拔約1 720 m，如圖1所示。

采用灌水法分別在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)層深0 m，-0.4 m，-1 m處測(cè)試了土體的重度，試驗(yàn)結(jié)果見圖2，從圖中可以看出，該場(chǎng)地的土體重度隨著深度呈增加趨勢(shì)，即深度處土體重于淺層處土體。

現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)表明，該場(chǎng)地的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ值分別為15.3 kPa和47°。

1.2試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

為了對(duì)比分析擴(kuò)底的設(shè)置對(duì)掏挖基礎(chǔ)抗拔承載性能的影響，本次試驗(yàn)以直柱、擴(kuò)底兩種結(jié)構(gòu)型式的掏挖基礎(chǔ)為研究對(duì)象，如圖3所示。為了試驗(yàn)研究成果便于工程應(yīng)用，根據(jù)750 kV輸電線路桿塔基礎(chǔ)的作用荷載設(shè)計(jì)出1∶1全尺寸的試驗(yàn)基礎(chǔ)，各試驗(yàn)基礎(chǔ)的尺寸參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸參數(shù) m

基礎(chǔ)編號(hào)d1d2hΔh1Δh2Z1號(hào)114——K1號(hào)11.540.50.2Z2號(hào)116——K2號(hào)11.560.50.2

1.3加載系統(tǒng)與方案

試驗(yàn)加載裝置由千斤頂、鋼梁、反力支座、連接件等構(gòu)件組成，其中作用于試驗(yàn)基礎(chǔ)的上拔荷載由千斤頂提供，試驗(yàn)加載系統(tǒng)見圖4。

根據(jù)輸電線路桿塔基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用維持荷載加載法[6]。加載初期可根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)采用快速荷載法，當(dāng)基礎(chǔ)變形較大時(shí)，采用慢速維持法。試驗(yàn)進(jìn)行中，通過預(yù)先布置在基礎(chǔ)頂部和地面處的位移傳感器測(cè)試地基基礎(chǔ)的上拔位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1荷載—位移曲線

試驗(yàn)過程中每個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)均加載到破壞狀態(tài)，即該級(jí)荷載值無法穩(wěn)定或變形不斷增大而荷載加不上的狀態(tài)，或者上拔位移超過25 mm的狀態(tài)[2]。通過記錄每一級(jí)上拔荷載對(duì)應(yīng)的上拔位移，獲得每個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載位移曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，Z1號(hào)基礎(chǔ)荷載位移曲線變化特征較好地符合緩變型曲線，而其他三個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載位移曲線變化趨勢(shì)均具有陡降型曲線的特征，即荷載位移曲線在經(jīng)歷一段線彈性變形階段后，突然發(fā)生跌落。

2.2承載力取值

由上述分析可知，4個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)荷載位移曲線類型分為陡降型和緩變型兩種，為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的對(duì)比，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)分析的一致性，本文統(tǒng)一取破壞荷載前一級(jí)荷載為基礎(chǔ)的抗拔承載力，表2列出了各試驗(yàn)基礎(chǔ)的破壞荷載及抗拔承載力。

表2 基礎(chǔ)抗拔承載力試驗(yàn)分析結(jié)果 kN

從表2中可以看出，相同截面尺寸、相同埋深的直柱、擴(kuò)底兩種不同結(jié)構(gòu)型式的掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力存在差異，并且這種差異與基礎(chǔ)的埋深有關(guān)。埋深為4 m的Z1號(hào)和K1號(hào)，其上拔破壞荷載相同，均為4 000 kN，而抗拔承載力Z1號(hào)略大于K1號(hào)，這主要由于兩個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載等級(jí)設(shè)置大小不同所致，可近似認(rèn)為兩個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)抗拔承載性能相當(dāng)；埋深為6 m的Z2號(hào)和K2號(hào)基礎(chǔ)，擴(kuò)底型基礎(chǔ)K2號(hào)的極限承載力較Z2號(hào)高33%，擴(kuò)底的承載性能優(yōu)勢(shì)很明顯。

相同結(jié)構(gòu)型式、截面尺寸，基礎(chǔ)的抗拔承載能力隨著埋深的增加而增強(qiáng)。對(duì)于直柱型基礎(chǔ)，埋深從4 m增加至6 m，基礎(chǔ)抗拔承載力增加50%，即單位深度抗拔承載力增加450 kN；對(duì)于擴(kuò)底型基礎(chǔ)，埋深從4 m增加至6 m，基礎(chǔ)抗拔承載力增加105%，單位深度抗拔承載力增加616 kN。由此可見，相同截面尺寸的擴(kuò)底基礎(chǔ)，單位深度承載力增加的幅度大于直柱型基礎(chǔ)，這也說明擴(kuò)底的設(shè)置對(duì)提高掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力的效果是顯著的。

2.3地基破壞模式

如圖6所示為試驗(yàn)結(jié)束后觀察到的地面裂紋分布圖。從圖中可以看出，地基發(fā)生破壞時(shí)，地基土體自基礎(chǔ)中心開始出現(xiàn)裂紋，后呈發(fā)散狀逐漸向外擴(kuò)散，最終形成一定范圍的隆起區(qū)域，該隆起區(qū)域的范圍與基礎(chǔ)的尺寸參數(shù)有關(guān)。

如表3所示為4個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)的地基隆起范圍，從表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，基礎(chǔ)埋深越大，隆起范圍越大，并且對(duì)于相同埋深的兩種結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)，擴(kuò)底型較直柱型隆起范圍要大，埋深為4 m時(shí)，擴(kuò)底型較直柱型隆起范圍大1.6 m，埋深為6 m時(shí)，擴(kuò)底型較直柱型隆起范圍大1.8 m。

表3 地基土體隆起范圍統(tǒng)計(jì)表 m

基礎(chǔ)編號(hào)埋深隆起范圍Z1號(hào)41.6K1號(hào)43.2Z2號(hào)61.8K2號(hào)63.6

2.4工程設(shè)計(jì)參數(shù)

直柱型掏挖基礎(chǔ)與短樁承載特性相似。根據(jù)樁基規(guī)范[7]，單樁抗拔承載力可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

T=q×u×h+G

(1)

其中，T為基礎(chǔ)抗拔承載力；G為基礎(chǔ)自重；u為基礎(chǔ)截面面積；h為基礎(chǔ)埋深；q為基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)平均側(cè)摩阻力，為工程設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一。

將式(1)進(jìn)行整理，可得出基礎(chǔ)平均側(cè)摩阻力q的計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

其中,T可由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析可以獲得，G,u,h分別為已知的基礎(chǔ)尺寸參數(shù)。將表2中所示Z1號(hào)和Z2號(hào)基礎(chǔ)抗拔承載力試驗(yàn)結(jié)果代入式(2)可以得出基礎(chǔ)平均側(cè)摩阻力q=286 kPa。

3 結(jié)論與建議

本文選取典型戈壁灘碎石土地基場(chǎng)地，開展了直柱、擴(kuò)底兩種結(jié)構(gòu)型式掏挖基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)上拔試驗(yàn)，通過試驗(yàn)分析獲得如下結(jié)論：

1)通過分析4個(gè)試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載位移曲線，得出為緩變型曲線，為陡降型曲線，荷載位移曲線的變化特征與基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式無明顯關(guān)聯(lián)；

2)試驗(yàn)分析表明：相同結(jié)構(gòu)型式、截面尺寸，基礎(chǔ)的抗拔承載能力隨著埋深的增加而增強(qiáng)，并且擴(kuò)底型掏挖基礎(chǔ)單位深度抗拔承載力增量大于直柱型，由此表明，戈壁灘碎石土地基中擴(kuò)底的設(shè)置對(duì)提高掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力的效果是顯著的；

3)試驗(yàn)分析表明：基礎(chǔ)破壞時(shí)，隨著基礎(chǔ)的上拔會(huì)帶動(dòng)基礎(chǔ)周圍一定范圍內(nèi)土體發(fā)生隆起最終形成一定范圍的破壞區(qū)域；基礎(chǔ)埋深越大，隆起范圍越大，并且對(duì)于相同埋深的兩種結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)，擴(kuò)底型較直柱型隆起范圍要大；

4)對(duì)于承載性能等同于抗拔樁的直柱型掏挖基礎(chǔ)，可采用樁基規(guī)范中推薦的側(cè)摩阻法計(jì)算其抗拔承載力，通過該方法反算出該戈壁灘碎石土地基場(chǎng)地的平均側(cè)摩阻力值為286 kPa，可作為工程設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

[1] 魯先龍,程永峰.戈壁抗拔基礎(chǔ)承載性能試驗(yàn)與計(jì)算[M].北京:中國(guó)電力出版社,2015.

[2] 崔 強(qiáng)，孟憲喬，楊少春.擴(kuò)徑率與入巖深度對(duì)巖基挖孔基礎(chǔ)抗拔承載特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2016,37(S2):195-202.

[3] RM Tong,XL Lu.Uplift load-movement response of bell pier foundations in Gobi gravel[J].Geotechnical Engineering,2014,167(4):380-389.

[4] 魯先龍，乾增珍，童瑞銘,等.戈壁地基擴(kuò)底掏挖基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)及其位移計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2014,35(7):1871-1877.

[5] 張振華，崔 強(qiáng)，安占禮.上拔與水平荷載綜合作用下某碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破裂面形態(tài)分析[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(專刊)：41-47.

[6] DL/T 5219—2014,架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[7] JGJ 94—2008,建筑樁基規(guī)范[S].

Experimentalstudyontheinfluenceoffoundationsizeparametersontheupliftbearingcapacityofthespreadfoundationingravelsoil★

DuanHuishunLiuShengkuiLiBo

(ChinaEnergyConstructionGroupCorporationGansuElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Lanzhou730050,China)

This paper selected the shaft and spread foundations in gravel soil located in Gansu province as the study objects. The 4 full-size test foundations under uplift load were tested, the load-displacement curves and the failure mode of test foundations were obtained. Through analysis the load-displacement curve variation characteristics, the uplift bearing capacity were achieved.

transmission line, gravel soil, digging foundation, field test, uplift bearing capacity

TU411

A

1009-6825(2017)27-0061-03

2017-07-15★：甘肅省電力設(shè)計(jì)院科技項(xiàng)目(2015KJ-XL-02)

段輝順(1972- )，男，高級(jí)工程師