輸電線路新型復(fù)合式基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

丁士君，魯先龍，鄭衛(wèi)鋒

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)和諧發(fā)展的迫切要求，輸電線路工程建設(shè)中環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到重視[1]，我國(guó)相關(guān)法規(guī)和技術(shù)規(guī)程都對(duì)電力工程建設(shè)中的環(huán)保提出了明確要求[2-3]。從輸電線路基礎(chǔ)工程的角度來(lái)說(shuō)，需因地制宜、合理選擇基礎(chǔ)型式對(duì)減少環(huán)境破壞、節(jié)約材料至關(guān)重要[4]。

對(duì)于地表由薄粘土層覆蓋，其下部為風(fēng)化巖層，或者原狀粘土層-全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化巖層連續(xù)分布的場(chǎng)地，若輸電線路桿塔基礎(chǔ)還采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型式，如大開(kāi)挖基礎(chǔ)、原狀土掏挖基礎(chǔ)或巖石嵌固式基礎(chǔ)，均不符合經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求。如采用大開(kāi)挖基礎(chǔ)，易造成環(huán)境破壞面積廣，基礎(chǔ)工程耗材量大，且運(yùn)輸?shù)瘸杀靖?；如采用原狀土掏挖基礎(chǔ)，一般原狀土層厚度不夠，無(wú)法滿足桿塔荷載要求；如采用巖石嵌固式基礎(chǔ)[2-5]，需將表層粘土換填，造成表層原狀土浪費(fèi)，且開(kāi)挖量增大，不利于環(huán)境保護(hù)。因此，對(duì)于表層由薄原狀土粘層覆蓋的風(fēng)化巖體地基，選擇新型環(huán)保型復(fù)合式基礎(chǔ)型式，在上部原狀粘土層中進(jìn)行掏挖，在下部巖體中進(jìn)行巖石嵌固式基礎(chǔ)，不僅能有效滿足桿塔荷載的要求，且安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，符合輸電線路“兩型三新”建設(shè)的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地的巖土層分布如下：

1）黏性土、殘積土構(gòu)成的原狀土層，厚度為1.8耀2.5 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)[6-7]，得到其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，上部黏性土灰黑色，土質(zhì)較均勻，弱凍脹；下部殘積土灰黃色，含風(fēng)化成的細(xì)砂。

表1 原狀土層基本物理力學(xué)性質(zhì)

2）原狀土層下部至7.0 m范圍內(nèi)為強(qiáng)耀中風(fēng)化硬質(zhì)砂巖，灰黃色，夾泥巖，該巖層抗剪強(qiáng)度取為30 kPa[2]。

1.2 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工

掏挖與嵌固復(fù)合式試驗(yàn)基礎(chǔ)樣式如圖1所示，設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表2。

圖1 掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)

表2 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸與數(shù)量

掏挖與嵌固復(fù)合式試驗(yàn)基礎(chǔ)坑主要采用人工掏挖，并輔助小型機(jī)械的施工方式，先完成掏挖構(gòu)件坑，再掏挖嵌固構(gòu)件坑，成孔過(guò)程順利，坑壁穩(wěn)定。

1.3 試驗(yàn)加載和承載力確定方法

載荷試驗(yàn)采用慢速荷載維持法，具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見(jiàn)相關(guān)規(guī)范[2,8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載位移曲線

圖2為復(fù)合式基礎(chǔ)荷載-位移關(guān)系曲線，其中，TW1、TQ3進(jìn)行上拔荷載與水平荷載聯(lián)合加載，其余基礎(chǔ)單純進(jìn)行上拔加載。

2.2 基礎(chǔ)極限承載力確定

根據(jù)圖2的試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系，及地基的裂縫開(kāi)裂、基頂位移、最大穩(wěn)定加載情況，得到基礎(chǔ)極限承載力，如表3所示。

圖2 載荷試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系曲線圖

表3 試驗(yàn)基礎(chǔ)極限承載力及取值依據(jù)

2.3 基礎(chǔ)承載破壞形態(tài)

試驗(yàn)基礎(chǔ)破壞時(shí)，主要表現(xiàn)如下。

1）原狀土掏挖基礎(chǔ)：破壞狀態(tài)表現(xiàn)形式主要以基頂位移過(guò)大為主，在上拔原水平作用工況下水平位移過(guò)大，伴隨地表裂縫出現(xiàn)。

2）復(fù)合式基礎(chǔ)：試驗(yàn)未加載至地基與基礎(chǔ)破壞狀態(tài)，但水平位移達(dá)到極限位移狀態(tài)。

3 復(fù)合式基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法

3.1 抗拔承載力計(jì)算

復(fù)合式基礎(chǔ)極限抗拔承載力理論計(jì)算如下：

式中，Tu、Tu1和Tu2分別為復(fù)合式基礎(chǔ)、全掏挖和嵌固構(gòu)件的極限抗拔承載力，kN；kD和kQ分別為掏挖和嵌固構(gòu)件的抗拔發(fā)揮程度系數(shù)；Qf為基礎(chǔ)自重，kN。

全掏挖構(gòu)件抗拔承載力Tu1按“剪切法”[2，9]計(jì)算，嵌固構(gòu)件Tu3由錐角為琢越90毅的倒錐體側(cè)壁破裂面剪切應(yīng)力豎向分量計(jì)算[2]，即：

式中，γs為巖土體等代抗剪強(qiáng)度，kPa；D0為嵌固基礎(chǔ)構(gòu)件基底直徑，m；h和h0分別為嵌固和掏挖構(gòu)件抗拔承載力計(jì)算深度，m。

由于巖石嵌固基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算不考慮巖體重量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，即巖體剪切破裂面上抗剪強(qiáng)度為定值，掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)也同樣處理，另外，掏挖與嵌固構(gòu)件破裂面不重疊（如圖3所示），因此，h=h0+h1，其中，h1為嵌固構(gòu)件長(zhǎng)度（如圖1所示），巖土體等代抗剪強(qiáng)度γs由土層與巖層的抗剪強(qiáng)度按厚度加權(quán)平均取值。

圖3 復(fù)合式基礎(chǔ)上拔破裂面

3.2 抗傾覆穩(wěn)定分析計(jì)算

以掏挖構(gòu)件和嵌固構(gòu)件的交界處正截面為分析對(duì)象，則掏挖垣嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)的極限狀態(tài)彎矩平衡方程如下：

式中，Mh為掏挖基底作用彎矩，kN·m；Mt為掏挖基底土壓力引起的抵抗彎矩，kN·m；MQ為嵌固構(gòu)件抵抗彎矩，kN·m。

1）Mh的計(jì)算。Mh是外荷載對(duì)掏挖構(gòu)件基底彎矩作用減去基礎(chǔ)側(cè)壁水平抗力對(duì)掏挖構(gòu)件基底彎矩作用，復(fù)合基礎(chǔ)中掏挖構(gòu)件按剛性考慮，側(cè)壁土壓力計(jì)算采用“m法”[2,10]，基底彎矩Mh按下式計(jì)算：

式中，d為掏挖構(gòu)件立柱計(jì)算直徑，m，當(dāng)立柱實(shí)際直徑d0臆1 m時(shí)，取d=0.9（1.5d0+0.5）；當(dāng)d0躍1 m時(shí)，取d=0.9（d0+1）[2]；H為基頂水平荷載，kN；h0為掏挖構(gòu)件埋深，m；△h為水平荷載距地表高度，m；棕為基礎(chǔ)傾覆極限狀態(tài)時(shí)立柱旋轉(zhuǎn)角，rad；zA為基礎(chǔ)立柱豎向傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心，m；m為水平抗力地基系數(shù)，kN/m4。

TW1和TQ3基礎(chǔ)在上拔與水平荷載復(fù)合作用下，傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài)主要以水平極限位移為控制條件，TW1基礎(chǔ)側(cè)壁與地基土間壓力測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)圖4）表明，轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)位于擴(kuò)大端埋深范圍內(nèi)，這里取為zA=h0-0.2，代入式（4）變換如下：

式中，剛性基礎(chǔ)傾覆轉(zhuǎn)角為棕=s0/（h0-0.2）；s0為地表處基礎(chǔ)水平位移，m。

圖4 試驗(yàn)基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

2）Mt的計(jì)算。根據(jù)相關(guān)研究成果[2]，同一土層豎向抗壓地基系數(shù)是水平抗力地基系數(shù)的10倍，且按彈性地基考慮，則基底土抗力抵抗彎矩為：

式中，D為掏挖構(gòu)件擴(kuò)底直徑，m；W為擴(kuò)底截面抵抗矩，m3。

3）MQ的計(jì)算。由于巖石嵌固基礎(chǔ)不計(jì)算巖體的抗傾覆作用，認(rèn)為其抗傾覆能力滿足一般上部桿塔結(jié)構(gòu)荷載要求，復(fù)合式基礎(chǔ)嵌固構(gòu)件同樣如此，則其抗傾覆能力由基礎(chǔ)混凝土立柱正截面抗彎能力控制。因此，根據(jù)文獻(xiàn)2，考慮彎矩較小和截面處于彈性狀態(tài)，MQ由嵌固構(gòu)件頂部截面抗彎承載能力計(jì)算如下：

式中，As為正截面全部縱向鋼筋面積，m2；rs為截面中心與縱向鋼筋截面中心距離，m；△滓y為鋼筋最大拉應(yīng)力與中性軸鋼筋拉應(yīng)力差值，MPa，即有△滓y=△著·Es，△著為對(duì)應(yīng)應(yīng)變差，Es為鋼筋彈性模量[11]。

當(dāng)掏挖構(gòu)件按剛性考慮，則嵌固構(gòu)件頂面的轉(zhuǎn)角為棕（計(jì)算示意見(jiàn)圖5），構(gòu)件彎曲半徑籽=h1/棕，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)[12]，得到△著=rg·棕/h1，即有：

圖5 嵌固構(gòu)件彎曲示意圖

式中參數(shù)意義同前。

對(duì)于全掏挖基礎(chǔ)，傾覆平衡方程Mh=Mt，得：

對(duì)于復(fù)合式基礎(chǔ)，由式（3）和式（4）聯(lián)立變換得到：

4 理論計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比分析

4.1 抗拔極限承載力對(duì)比

掏挖和嵌固構(gòu)件承載力發(fā)揮程度系數(shù)均取1.0。參照巖土體物理力學(xué)指標(biāo)和基礎(chǔ)尺寸參數(shù)，復(fù)合式基礎(chǔ)極限承載力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。其中，不考慮土重對(duì)嵌固構(gòu)件破裂面原狀土層段抗剪強(qiáng)度的影響，其豎向分量為sin45毅·c=19.0 kPa，因此，嵌固構(gòu)件計(jì)算深度內(nèi)巖土體等代抗剪強(qiáng)度為24.0 kPa。

從抗拔承載力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表明：

1）兩者較接近，考慮單向上拔荷載作用下試驗(yàn)基礎(chǔ)未加載至破壞狀態(tài)，因此，關(guān)于掏挖垣嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算方法可行。

2）考慮加載中復(fù)合式基礎(chǔ)的表現(xiàn)情況，嵌固構(gòu)件計(jì)算錨固深度可取為基底埋深，掏挖構(gòu)件和嵌固構(gòu)件發(fā)揮程度系數(shù)均可取為1.0。

表4 基礎(chǔ)抗拔極限承載力計(jì)算表

4.2 傾覆穩(wěn)定實(shí)例分析

根據(jù)TW1全掏挖基礎(chǔ)和TQ3復(fù)合式基礎(chǔ)的載荷試驗(yàn)結(jié)果，按式（9）和式（10）計(jì)算地基土彈性抗力系數(shù)值，如表5所示，其中，TQ3基礎(chǔ)主筋采用HRB 335，As為123.2 cm2，rg為0.433 m。

表5 “m”值計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可得到地基巖土對(duì)基礎(chǔ)側(cè)壁水平土壓力沿深度的分布如下。

TW1基礎(chǔ)：pz=10.4伊1 000伊0.004 0伊（2.1z-z2）

TQ3基礎(chǔ)：pz=9.2伊1 000伊0.004 2伊（2.1z-z2）

試驗(yàn)基礎(chǔ)側(cè)壁水平土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖4。

由表5得該試驗(yàn)場(chǎng)地原狀土地基土彈性抗力系數(shù)平均值為9.8 MN/m4，按水平極限位移取10 mm控制，其他參數(shù)取值同前，已知“m”值時(shí)由式（9）和式（10）變換計(jì)算TW1和TQ3基礎(chǔ)水平承載力值如表6所示。

傾覆穩(wěn)定實(shí)例分析表明：

1）試驗(yàn)場(chǎng)地地表原狀土層的彈性抗力系數(shù)值為9.8 MN/m4。

2）當(dāng)掏挖基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)，基礎(chǔ)傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心豎向位置可通過(guò)實(shí)測(cè)確定，一般位于其擴(kuò)大端埋深范圍內(nèi)。

3）復(fù)合式基礎(chǔ)采用“m法”分析傾覆穩(wěn)定性是可行和可靠的，水平承載力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近，滿足工程設(shè)計(jì)計(jì)算需要。

表6 基礎(chǔ)水平承載力理論計(jì)算表

5 結(jié)論

1）復(fù)合式基礎(chǔ)可充分發(fā)揮原狀土基礎(chǔ)和巖石基礎(chǔ)的承載能力，在上拔承載力計(jì)算分析時(shí)，可取掏挖基礎(chǔ)與巖石嵌固式基礎(chǔ)的承載力之和。

2）復(fù)合式基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定分析采用“m法”是合理可靠的，能體現(xiàn)地基原狀土與基礎(chǔ)間相互作用規(guī)律。

綜合上述，針對(duì)地表由薄粘土層覆蓋，其下為風(fēng)化巖層的場(chǎng)地，采用掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)是較為安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的新型環(huán)保型基礎(chǔ)，符合建設(shè)“兩型三新”輸電線路建設(shè)要求，可在輸電線路工程桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

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