碎石土-基巖斜坡樁基參數(shù)m值影響因素研究

李曉明，趙慶斌，楊祈敏，趙其華，陳繼彬，喻豪俊

（1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041；

2.成都理工大學(xué)，四川 成都　610059）

碎石土-基巖斜坡樁基參數(shù)m值影響因素研究

李曉明1，趙慶斌1，楊祈敏1，趙其華2，陳繼彬2，喻豪俊2

（1.四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041；

2.成都理工大學(xué)，四川 成都610059）

四川輸電線路經(jīng)過的山區(qū)斜坡場地中，碎石與破碎基巖分布普遍，斜坡樁基碎石土與破碎基巖水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值取值是陡峻邊坡輸電線鐵塔樁基設(shè)計中亟待解決的問題。根據(jù)輸電線路實際走線中常見的地形地貌和碎石土-破碎基巖等場地條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件建立斜坡樁基概化模型，探討斜坡坡度、樁徑、嵌巖深度對樁基抗力系數(shù)比例系數(shù)m值的影響，并對斜坡地基m值取值方法進行了建議。研究表明：樁頂位移較小時地基巖土m值隨坡度增大而減小，隨樁徑、嵌巖深度增大而增大。故對位于斜坡輸電線路鐵塔進行樁基設(shè)計時，m值取值應(yīng)考慮上述因素的影響，適當(dāng)折減或不折減。

碎石土斜坡；m值；影響因素；塔基。

1　概述

隨著四川電力建設(shè)的不斷發(fā)展，在崇山峻嶺中輸電線路越來越多，其塔位大多分布在碎石土與破碎基巖陡峻邊坡上。目前輸電線路鐵塔樁基設(shè)計中，地基巖土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值一般參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗及相關(guān)規(guī)范推薦值確定，但這些數(shù)值均來自于平坦場地單樁水平靜載試驗所積累的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較離散，取值困難，且直接使用在陡峻邊坡輸電鐵塔樁基設(shè)計中，其安全度、適宜性和經(jīng)濟性等并未得到全面論證，因此研究斜坡樁基碎石土與破碎基巖水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值變化規(guī)律是十分必要的。

研究中主要以輸電線路常見的地形地貌和碎石土與破碎基巖場地，選取深入破碎基巖的樁基建立概化模型，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值分析軟件，采用慢速維持荷載法進行單樁水平荷載試驗?zāi)M，探討斜坡坡度、樁徑、嵌巖深度對巖土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值的影響。

2　分析方法

FLAC3D是專門為巖土工程力學(xué)分析而開發(fā)的，它是Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件。該軟件內(nèi)置有豐富的彈、塑性材料的本構(gòu)模型，既能夠模擬出多種結(jié)構(gòu)形式，又能夠模擬人工結(jié)構(gòu)。本次數(shù)值模擬計算程序采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，根據(jù)場地、地基條件、樁基礎(chǔ)特征建立不同坡度斜坡的概化計算模型。

2.1模擬方案

概化模型地基為稍密狀態(tài)碎石土、中～強風(fēng)化基巖，考慮坡度為0°、15°、30°、45°時，不同樁徑、不同樁端嵌入基巖深度條件下樁身位移、樁身內(nèi)力、樁側(cè)地基土體抗力隨樁深的變化規(guī)律，并由此推定樁基礎(chǔ)地基巖土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值的變化規(guī)律，確定m值取值。模擬方案見表1。

表1　碎石土與基巖組合地基斜坡場地數(shù)值模擬方案

2.2模型建立及參數(shù)取值

2.2.1建立模型及巖土體參數(shù)

（1）考慮到理論模型的計算精度和計算用時，同時為了消除邊界效應(yīng)的影響，將模型邊界設(shè)定為：模型長為100 d（d為樁徑）、寬為40 d、高為30 d。即樁徑為1.4 m時，斜坡模型長140 m，寬56 m，高42 m。

（2）樁基按實際尺寸采用柱型網(wǎng)格建模。地面線下部的樁按照文獻7建立無厚度的樁-土接觸面單元。基準(zhǔn)模型見圖1。

根據(jù)四川地區(qū)崩坡積碎石土和破碎基巖（如變質(zhì)砂巖、板巖等）物理力學(xué)特征，巖土體物理力學(xué)指標(biāo)參見表2。

圖1　基準(zhǔn)模型圖

表2　主要模型計算參數(shù)取值

2.2.2 邊界條件

計算中模型邊界條件的處理遵循以下原則：

（1）底部邊界設(shè)定水平和豎直方向位移約束。

（2）側(cè)向邊界由于斜坡體存在自重應(yīng)力，且自重應(yīng)力對斜坡巖體穩(wěn)定性影響較大，因此側(cè)向邊界設(shè)定水平向位移約束。

（3）頂部邊界為自由邊界。

考慮到重力對巖土體力學(xué)狀態(tài)影響較大，故在進行分析之前，關(guān)閉數(shù)值分析中的時間積分效果的同時，通過一足夠小的時間步來實現(xiàn)靜力計算（即重力的施加）。

2.3水平荷載試驗

加載位置為樁頂下方50 cm處，加載方式采用慢速維持荷載法，加載分級采用逐級等量加載，分級荷載宜為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10，暫定每級荷載的增量為300 kN。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止試驗：

（1）樁身已斷裂。

（2）樁側(cè)地表出現(xiàn)裂縫或隆起。

（3）坡面處樁身位移超過40 mm。

2.4m值的計算

研究中需監(jiān)測的物理量為樁深z處樁側(cè)土體水平抗力、相應(yīng)深度的樁身位移和樁身彎矩。

本次m值計算參照規(guī)范中水平靜載試驗公式計算，當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時，m值按公式（1）確定。

式中：m為地基上水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（MN/m4）；Hcr為單樁水平臨界荷載（kN）；Xcr為單樁水平臨界荷載對應(yīng)的位移（mm）；vx為樁頂位移系數(shù)；b0為樁身計算寬度（m）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2）。

3　不同因素對m值的影響分析

下面以場地條件為碎石土-基巖組合地基為例，分析不同因素對m值的影響。

3.1坡度影響

樁長10 m，樁徑1.2 m，在不同坡度條件下水平荷載加載到預(yù)定荷載，分別計算在不同坡度條件下m值。不同樁頂位移1.5～3 mm、3～10 mm、10～40 mm樁基水平作用力參數(shù)m值隨坡度變化見圖2。

圖2　m值—位移—坡度曲線

不同坡度時不同位移區(qū)間綜合m值變化曲線見圖2，可知m值隨坡度增大而減小。當(dāng)樁頂位移1.5～3 mm時，m值的綜合取值在141～160 MN/m4；樁頂位移3～10 mm時，m值的綜合取值在64～80 MN/m4；樁頂位移10～40 mm時，m值的綜合取值在40～60 MN/m4。

3.2樁徑影響

在30°坡度條件下樁長10 m，在樁徑為1 m、1.2 m、1.4 m時水平加載到預(yù)定荷載分別計算m值。樁頂位移1.5～3 mm、3～10mm、10～40 mm時，m值隨坡度變化見圖3。

圖3　m值—位移—樁徑曲線

由圖3可知，隨著樁徑的增加，m值近似線性增大。當(dāng)樁頂位移1.5～3 mm時，m值的綜合取值在14～155 MN/m4；當(dāng)樁頂位移3～10 mm時，m值的綜合取值在65 ～81 MN/m4；當(dāng)樁頂位移為10～40 mm時，m值的綜合取值在50～55 MN/m4。

3.3樁端嵌巖深度影響

在30°坡度條件下樁徑1.2 m，嵌入基巖深度為3 m、5 m、7 m時水平荷載加載到預(yù)定荷載分別計算m值。樁頂位移1.5～3 mm、3～10 mm、10～40 mm時，m值隨坡度變化見圖4。

圖4　m值—位移—樁徑曲線

由圖4可知，隨嵌巖深度的增加，m值近似線性增大。當(dāng)樁頂位移為1.5～3 mm時，m值的綜合取值在135～157 MN/m4；當(dāng)樁頂位移3～10 mm時，m值的綜合取值在75～92 MN/m4；當(dāng)樁頂位移為10～40 mm時，m值的綜合取值在45～52 MN/m4。

4　討論

（1）樁徑—坡度—m值

當(dāng)場地為碎石土-基巖組合地基，坡度分別為0°、15°、30°、45°時，得出不同坡度和樁徑時在不同位移區(qū)間的m值曲線見圖5。曲線整體呈線性增大趨勢，但在樁頂位移較小時隨樁徑增加m值變化率較大，隨樁身位移增大m值變化逐漸減小。

圖5　不同坡度條件下樁徑-m值曲線

（2）嵌巖深度—坡度—m值

當(dāng)場地為碎石土-基巖組合地基，坡度分別為15°、30°、45°時，得到一定樁徑不同坡度條件下嵌巖深度—m值曲線見圖6。由圖6可知，隨著嵌巖深度的增加，m值整體呈線性增加的趨勢，并且m值在樁身位移較小時變化率較大，隨樁身位移的增加m值變化率逐漸減小。

圖6　不同坡度條件下嵌巖深度-m值曲線

（3）與現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范比較

現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范中，對斜坡樁基巖土m值取值并未說明，僅在《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTGD63-2007）附錄P的表P.0.2-1進行了簡單說明，即“當(dāng)基礎(chǔ)側(cè)面設(shè)有斜坡或臺階，且其坡度（橫：豎）或臺階總寬與深度之比大于1∶20時，表中m值應(yīng)減小50%取用”，該條件主要應(yīng)用于基坑內(nèi)基礎(chǔ)側(cè)面放坡或臺階，造成地基土對樁的作用力減小，因此m值應(yīng)減小。同理，在自然斜坡上的樁基，作用在樁基上的巖土較地面水平時作用力小，m值也宜查表減小取用。本次數(shù)值模擬也驗證了該結(jié)論。

5　結(jié)論及建議

本文采用數(shù)值模擬探討了斜坡上輸電線路鐵塔樁基碎石土-破碎基巖m值變化趨勢，對山區(qū)輸電線路工程設(shè)計時m值的取值提供一定的參考。總結(jié)如下：

（1）坡度增大，樁頂位移較小時地基巖土m值隨之減小。

（2）樁徑增大，樁頂位移較小時地基巖土m值隨之增大。

（3）適當(dāng)增大嵌巖深度，樁頂位移較小時地基巖土m值隨之增大。

（4）對位于斜坡輸電線路鐵塔進行樁基設(shè)計時，考慮斜坡坡度時，m值可進行適當(dāng)折減；考慮樁徑越大或嵌巖深度越深，當(dāng)樁頂位移較小時，m值折減越小，或不折減。

以上結(jié)論僅從數(shù)值模擬角度進行了分析，有條件時可進行斜坡單樁水平靜載試驗加以驗證，可以得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

［1］ JGJ94-2008 ，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ 彭社琴，趙其華.基礎(chǔ)工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］ BromsBB.Lateral resistance of Piles in cohesive soils［J］.Joumal of theSoilMeehanicsand Foundation Division，ASCE，1964，90（3）.

［4］ ZHANG Rong-jun，ZHENG Jun-jie，PU Hefu，etal.Response of adjacent singlepile due to tunneling based on p-y curve.Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010，32（12）.

［5］ 趙明華.傾斜荷載下基樁的受力研究 ［D］.湖南：湖南大學(xué)，2001.

［6］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［7］ 孫書偉，等.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

Study ofInfluential Factors of Pile Foundation Parameters m Value for Gravel Soil ～ bedrock Slope

LI Xiao- ming1，ZHAO Qing-bin1，YANG Qi-min1，ZHAO Qi-hua2，CHEN Ji-bin2，YU Hao-jun2
（1. Sichuan Electric Power Design Consulting Co.，Ltd.，Chengdu610041，China；
2. Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Sichuan transmission lines through the mountain slope area with a wide distribution rubble and broken rock and broken rock ，evaluating the proportional coefficient m of ground horizontal resistance coefficient is a problem to be solved in the design of transmission tower pile foundation of steep slope. According to the actual transmission line of landform and gravel soil～ broken rock site conditions， etc， establish the slope pile foundation generalized model by FLAC3D， effects of slope gradient， pile diameter， rock-socketed depth of pile resistance coefficient proportional coefficient m value is studied， and suggest that the evaluating method of m value of slope foundation. The researches show that， the m value decreases with the increase of slope gradient when displacement of the pile head is small， and increases with the increase of pile diameter， rock-socketed depth. Sotaken into account the above factors， m value should be appropriate reduce or no reduce when design pile foundation of transmission line tower that located the slope.

gravel soil steep； value of m； influence factors； tower foundation.

TU4

B

1671-9913（2016）03-0029-05

2015-08-05

李曉明（1972- ），男，四川人，高級工程師，注冊巖土工程師，主要從事巖土工程勘察工作。