聯(lián)合板索基礎(chǔ)抗拔機(jī)理及容許上拔力

雒億平，鄧驍，言志信,3

(1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050；3. 河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

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聯(lián)合板索基礎(chǔ)抗拔機(jī)理及容許上拔力

雒億平1，2，鄧驍1，言志信1,3

(1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050；3. 河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

針對(duì)目前使用的既抗壓又抗拔基礎(chǔ)存在的缺陷和不足，構(gòu)建了聯(lián)合板索基礎(chǔ)并獲得了發(fā)明專利授權(quán)。在研究聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理基礎(chǔ)上，研究了聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)所能承受的極限上拔力，通過聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的對(duì)比研究，揭示了聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理，并借助擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的上拔力容許設(shè)計(jì)值和穩(wěn)定驗(yàn)算公式，解決了聯(lián)合板索基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定驗(yàn)算問題。

板索基礎(chǔ)；聯(lián)合基礎(chǔ)；抗拔機(jī)理；上拔力

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，上部結(jié)構(gòu)的理論已較為成熟，設(shè)計(jì)思想和理念已較為先進(jìn)，工程施工也已積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)并不斷得到發(fā)展。然而，地基基礎(chǔ)的研究相對(duì)滯后，以致于工程建設(shè)中時(shí)常出現(xiàn)基礎(chǔ)尺寸大，費(fèi)用高昂，且造成材料浪費(fèi)和環(huán)境破壞的情況，開發(fā)新型基礎(chǔ)型式已成為滿足工程建設(shè)需要的緊迫問題。近年來很多研究人員圍繞探索造價(jià)低、可靠度高、施工簡(jiǎn)便可行的基礎(chǔ)型式而不懈努力[1]。

“大開挖”基礎(chǔ)、“掏挖擴(kuò)底”基礎(chǔ)為現(xiàn)今主要使用的既抗壓又抗拔的基礎(chǔ)型式?！按箝_挖”基礎(chǔ)以擾動(dòng)的回填土構(gòu)成抗拔土體保持基礎(chǔ)的上拔穩(wěn)定，由于是回填土，雖經(jīng)夯實(shí)亦難以恢復(fù)其原有土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主要靠擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸來滿足抗拔穩(wěn)定性，但是加大基礎(chǔ)尺寸會(huì)提高基礎(chǔ)造價(jià)和工程成本，同時(shí)，由于棄土較多，也對(duì)環(huán)境造成較大破壞。“掏挖擴(kuò)底”基礎(chǔ)利用天然土抗拔保持基礎(chǔ)和地基上拔穩(wěn)定，具有良好的抗拔穩(wěn)定性，但只適用于在施工中掏挖和澆注混凝土?xí)r無水滲入的粘性土地基。

鑒于“大開挖”基礎(chǔ)、“掏挖擴(kuò)底”基礎(chǔ)存在的缺陷和不足[2-3]，構(gòu)建了聯(lián)合板索基礎(chǔ)，并已獲發(fā)明專利授權(quán)[4]，聯(lián)合板索基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)，其可行性及優(yōu)越性需要被認(rèn)知，因此，聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理、所能承受的極限上拔力的探討必不可少[4]，筆者針對(duì)該基礎(chǔ)型式，通過理論與數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行深入研究。

1 聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理

1.1 抗拔機(jī)理對(duì)比的理論研究

抗拔基礎(chǔ)所能承受的極限上拔力，可按“剪切法”或“土重法”計(jì)算。一般情況下，機(jī)擴(kuò)型和掏挖型基礎(chǔ)適用“剪切法”計(jì)算極限上拔力；“土重法”針對(duì)回填抗拔土體，適用于裝配式基礎(chǔ)、澆制基礎(chǔ)和拉線基礎(chǔ)計(jì)算極限上拔力[5]。

圖1所示的聯(lián)合板索基礎(chǔ)，是具有一定厚度的鑲嵌于地面中的上板與埋設(shè)于地下一定深度的基礎(chǔ)下板，即錨板通過預(yù)應(yīng)力錨索連接到一起的結(jié)構(gòu)，由該基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工所決定，應(yīng)用“剪切法”計(jì)算其極限上拔力，主要原因有以下4點(diǎn)。

1)聯(lián)合板索基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)決定。前已述及聯(lián)合板索基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合板索基礎(chǔ)所受上拔力Fig.1 Pull force of joint plates by cable foundation

圖2 底板開展角θFig. 2 Development angle of

圖2為擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，其底板的開展角θ對(duì)土體抗拔有一定的影響[6]。開展角θ的影響以基型系數(shù)ηθ表示，當(dāng)θ>45°時(shí)，取ηθ=1.0；θ=30°～45°時(shí)，ηθ=0.7～0.95，可近似取ηθ=0.8。

對(duì)比圖1與圖2可知，聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極其相似，即聯(lián)合板索基礎(chǔ)的下板(錨板)+錨索相當(dāng)于θ=90°(此時(shí)ηθ=1.0)，且樁徑極小的擴(kuò)底樁。

2)聯(lián)合板索基礎(chǔ)施工方法所決定。聯(lián)合板索基礎(chǔ)的錨板和錨索，即該基礎(chǔ)埋于土體中的部分，不論其施工方法、工作原理、受力分析、破壞形式等都與普通的掏挖擴(kuò)底樁基礎(chǔ)極其相似[4]。具體地說，聯(lián)合板索基礎(chǔ)的錨索可看作是極小的樁，而其錨板相當(dāng)于樁底的擴(kuò)大頭，即可以說聯(lián)合板索基礎(chǔ)的錨索和錨板一起構(gòu)成一種特殊的擴(kuò)底樁。因此，錨板的極限上拔力和上拔穩(wěn)定性計(jì)算也應(yīng)該與擴(kuò)底樁一樣，按照“剪切法”進(jìn)行計(jì)算。

3)聯(lián)合板索基礎(chǔ)剪切破裂面決定。聯(lián)合板索基礎(chǔ)主要由原狀抗拔土體抵抗極限上拔力。相對(duì)于原狀抗拔土體所能提供的極限上拔力，錨板之上土體的土重相對(duì)較小，而且聯(lián)合板索基礎(chǔ)下板，即錨板之上與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)底部擴(kuò)大頭之上的土體重量差別則更小，聯(lián)合板索基礎(chǔ)拉拔破壞，必須克服其所能提供的極限上拔力，在原狀土體中形成連續(xù)貫通的剪切破裂面，聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔是靠原狀土體的抗剪強(qiáng)度提供抵抗破壞的抗拔力，擴(kuò)底樁也如此，且兩種情況下均是在上方的原狀土體中形成幾乎完全相同的曲面破裂和破裂面[7-8]，因而，均應(yīng)采用“剪切法”進(jìn)行極限上拔力和上拔穩(wěn)定計(jì)算，而且二者幾乎相同。

4)聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁的上拔力。圖1也是聯(lián)合板索基礎(chǔ)受上拔力作用的力學(xué)模型，從圖可見，聯(lián)合板索基礎(chǔ)下板，即錨板所受的向上拉力僅為上部錨索的上拔力，該力的平衡力來自錨板上表面土體壓力和錨板重力；同樣，擴(kuò)底樁基礎(chǔ)上拔時(shí)，需要克服來自樁底擴(kuò)大頭上表面土體壓力和樁體重力，且還需克服樁周土的阻力。

1.2 聯(lián)合板索基礎(chǔ)抗拔機(jī)理數(shù)值模擬分析

聯(lián)合板索基礎(chǔ)的錨板+錨索即為錨板基礎(chǔ)，已有學(xué)者研究了錨板上拔問題，但一般通過監(jiān)測(cè)錨板位移的方法確定極限上拔力，少有監(jiān)測(cè)錨板上部土體位移與剪應(yīng)變。

為了探討聯(lián)合板索基礎(chǔ)下板，即錨板的極限抗拔承載力，通過對(duì)埋設(shè)在土體中的聯(lián)合板索基礎(chǔ)和擴(kuò)底樁基礎(chǔ)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究。為了開展對(duì)比研究，在數(shù)值模擬建模中設(shè)錨板基礎(chǔ)下板(錨板)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)底部的擴(kuò)大頭完全相同，即均為圓板，且處于地基土體的相同埋深，亦即錨板基礎(chǔ)下板(錨板)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)底部的底面處于地面之下同一深度，他們的上表面也處于同一深度和高程。另外，聯(lián)合板索基礎(chǔ)和擴(kuò)底樁基礎(chǔ)所處的地基也相同，亦即二者均處于具有相同物理力學(xué)性能和參數(shù)的地基土體之中。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著錨板受到的上拔力增大，錨板周圍的土體最先發(fā)生破壞，土體中的塑性區(qū)以一定角度外傾并向上發(fā)展，逐漸發(fā)展直至貫通至地表，即形成完整的破裂面，達(dá)到剪切破壞；同時(shí)，在水平方向上向上逐層擴(kuò)展，在地表向兩側(cè)擴(kuò)至最大。破壞面整體形狀為曲面，如圖3所示，這與規(guī)范中推薦的擴(kuò)底樁土體上拔破壞面極其相似[9]，說明數(shù)值模擬和工程實(shí)際一致，僅略有不同[10-11]。

圖3 錨板基礎(chǔ)上拔破壞Fig. 3 Damage of anchor plate foundation by pull

擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的上拔阻力主要來自樁體重力、樁身摩阻力以及擴(kuò)大端受到的土體阻力，由于剪切破裂面形成于土體之中，因而極限上拔力基本上由破裂面上土體的抗剪強(qiáng)度決定，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，擴(kuò)底樁開始發(fā)生上拔破壞時(shí)，也會(huì)沿底板向上形成一條較為明顯且有一定寬度的剪切帶，當(dāng)擴(kuò)底樁發(fā)生最終的完全破壞時(shí)，土體中形成一個(gè)曲面破壞面，圖4所示為通過數(shù)值模擬獲得了擴(kuò)底樁上拔時(shí)的塑性變形區(qū)，與圖3很相似?？梢?，擴(kuò)底樁基礎(chǔ)與錨板基礎(chǔ)的上拔破壞模式相近，可相互借鑒。

圖4 擴(kuò)底樁基礎(chǔ)上拔破壞Fig. 4 Damage of expanded base pile foundation

2 聯(lián)合板索基礎(chǔ)極限上拔力

2.1 極限上拔力對(duì)比研究

由前述可知，聯(lián)合板索基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、施工、破裂面、抗拔原理與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)極其相似。為了驗(yàn)證聯(lián)合板索基礎(chǔ)錨板的極限上拔力能否按照擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的抗拔驗(yàn)算公式進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，通過數(shù)值模擬分析探討聯(lián)合板索基礎(chǔ)運(yùn)用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的極限上拔力驗(yàn)算公式驗(yàn)算的可行性與合理性，解決聯(lián)合板索基礎(chǔ)極限上拔力驗(yàn)算問題。

為了研究聯(lián)合板索基礎(chǔ)錨板是否能夠采用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的淺埋抗拔驗(yàn)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)比相同參數(shù)下的兩種不同基礎(chǔ)的極限上拔力數(shù)值模擬結(jié)果，表1為數(shù)值模擬得到的淺埋情況下擴(kuò)底樁基礎(chǔ)和聯(lián)合板索基礎(chǔ)極限上拔力，基于表1可繪制聯(lián)合板索基礎(chǔ)和擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的極限上拔力對(duì)比圖，如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)基礎(chǔ)淺埋時(shí)，聯(lián)合板索基礎(chǔ)的極限上拔力曲線與圓形擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的極限上拔力曲線具有一致的趨勢(shì)，且吻合很好，但是，聯(lián)合板索基礎(chǔ)扣除基礎(chǔ)自重的極限上拔力比擴(kuò)底樁基礎(chǔ)略大，這是因?yàn)閿U(kuò)底樁基礎(chǔ)在上拔時(shí)，樁周土?xí)S著基礎(chǔ)上移，從而造成原狀土體一定程度的破壞，使得部分土體側(cè)壓減小，導(dǎo)致土體滑動(dòng)面上的剪切阻力下降。在淺埋情況下，相同參數(shù)的聯(lián)合板索基礎(chǔ)要比擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的極限上拔力稍大?？梢姡?lián)合板索基礎(chǔ)圓形錨板情況下，其能承受的極限上拔力套用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的理論計(jì)算式是可行、合理和安全的。

表1 擴(kuò)底樁基礎(chǔ)極限上拔力Table 1 Ultimate pullout force of enlarged bottom pile foundation

圖5 兩種基礎(chǔ)極限上拔力對(duì)比圖Fig.5 Comparison of ultimate pulling force of two kinds of

2.2 極限上拔力設(shè)計(jì)驗(yàn)算公式

規(guī)范基于大量實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定了擴(kuò)底樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)用極限上拔力和穩(wěn)定驗(yàn)算公式(不考慮基礎(chǔ)自重)[9]，見式(1)。

(1)

計(jì)算參數(shù)取由實(shí)驗(yàn)得到的原狀黃土的強(qiáng)度指標(biāo)(γs=14.5kN/m3，cw=40.9kPa，φ=29.2°)，基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)γf取1.1，根據(jù)上述驗(yàn)算公式，亦即式(1)可計(jì)算出不考慮自重的極限上拔力的設(shè)計(jì)驗(yàn)算值，如表2所示。

表2 極限上拔力理論值與設(shè)計(jì)驗(yàn)算值對(duì)比Table 2 Comparison between theoretical value and design calculation of the ultimate pullout force

根據(jù)表2繪出極限上拔力理論值[6]與設(shè)計(jì)驗(yàn)算值的對(duì)比曲線，如圖6所示。由表2及圖6可以看出，擴(kuò)底樁進(jìn)行上拔穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)所采用的設(shè)計(jì)最大剪切上拔力，即容許設(shè)計(jì)值以及理論極限上拔力，都是隨著埋深比的增大而增加的，而且呈相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是擴(kuò)底樁進(jìn)行上拔穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)所采用的設(shè)計(jì)容許最大剪切上拔力，即容許設(shè)計(jì)值在數(shù)值上遠(yuǎn)小于極限上拔力的理論值。考慮到工程的安全性和穩(wěn)定性以及理論計(jì)算的絕對(duì)理想狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行驗(yàn)算所用到的容許設(shè)計(jì)值需要具有一定的保守性，應(yīng)該在理論值的基礎(chǔ)上有一定的折減，亦即除以安全系數(shù)。由此可見，規(guī)范中給出擴(kuò)底樁的抗拔驗(yàn)算公式，即式(1)是合理、可行和相對(duì)安全的。

圖6 擴(kuò)底樁上拔力對(duì)比曲線Fig.6 Comparison curve of pullout force of enlarged bottom pile

通過以上理論公式以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的全面對(duì)比分析，可得出的聯(lián)合板索基礎(chǔ)錨板圓形錨板的抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算式

(2)

式中：T′為作用于錨索上的上拔力的設(shè)計(jì)驗(yàn)算值，kN；ht為從基礎(chǔ)上板底面開始計(jì)算的基礎(chǔ)錨板的埋置深度，m；hc為從基礎(chǔ)上板底面開始計(jì)算的基礎(chǔ)錨板的臨界埋深，可按照表3確定，m；cw為計(jì)算凝聚力，kN/m2，可通過實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)資料獲得；γs為基礎(chǔ)錨板上部土體的加權(quán)平均重度，kN/m3；Qf下為基礎(chǔ)自重，kN；B為基礎(chǔ)上板的邊長(zhǎng)，m；A1、A2為土的內(nèi)摩擦角φ和相對(duì)埋深比ht/B的函數(shù)，可借用擴(kuò)底樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[9]確定；γf為基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)，可從擴(kuò)底樁規(guī)范獲得[9]。

表3 不同土體的臨界深度Table 3 The critical depth of different soils

3 結(jié) 論

針對(duì)目前使用的既抗壓又抗拔基礎(chǔ)存在的缺陷和不足[12-15]構(gòu)建了聯(lián)合板索基礎(chǔ)，它是一種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，即由一個(gè)具有一定厚度的鑲嵌在地表的上板和埋設(shè)在地下的下板，由預(yù)應(yīng)力錨索(桿)連接起來構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。通過理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合，探討了聯(lián)合板索基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理，研究了該基礎(chǔ)所能承受的極限上拔力，獲得了其上拔力的容許設(shè)計(jì)值，即容許上拔力和抗拔穩(wěn)定驗(yàn)算公式。得到如下結(jié)論：

1)聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的抗拔機(jī)理極為相似，均適用“剪切法”計(jì)算。

2)聯(lián)合板索基礎(chǔ)與擴(kuò)底樁基礎(chǔ)的抗拔上拔破裂面極為相似，極限上拔力極為相似。

3)聯(lián)合板索基礎(chǔ)錨板淺埋條件下，理論計(jì)算值與數(shù)值模擬相互吻合。

4)獲得了聯(lián)合板索基礎(chǔ)錨板設(shè)計(jì)用極限上拔力，即容許設(shè)計(jì)值和穩(wěn)定驗(yàn)算公式。

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(編輯 胡英奎)

Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(No. KJ(2013)12，SGGSJYOOGHJS1400055)

Anti-tensile mechanism and allowable uplift force of joint plate cable foundation

Luo Yiping1,2, Deng Xiao1, Yan Zhixin1,3

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, P. R. China;2. The Research Institute of Economics and Technology of Gansu Province Electric Power Company,State Grid Corporation of China, Lanzhou 730050,P. R. China; 3. School of Civil Engineering, Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036, Henan, P. R. China)

A joint plate cable foundation is established and offered patent of invention to improve the deficiencies of present widely used compression and pulling resistant foundation. Based on the study of anti-tensile mechanism of joint plate cable foundation and belled pile foundation, the ultimate uplift force that the joint plate cable foundation and belled pile foundation can bear is further analyzed. The anti-tensile mechanism of the joint plate cable foundation is revealed through comparatively studying the joint plate cable foundation and belled pile foundation. The issue of designing and verifying the joint plate cable foundation is solved by using the allowable uplift force and the stability verification equation of the belled pile foundation, which provides theoretical and technical support to the promotion of such kind of foundation.

plate cable foundation; joint foundation; anti-tensile mechanism; uplift force

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.05.011

2015-11-03

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(KJ〔2013〕12、SGGSJYOOGHJS1400055)

雒億平(1984- )，男，博士生，高級(jí)工程師，主要從事巖土體工程研究，(E-mail)luoyipingxy@163.com。

言志信(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yzx10@163.com。

TU470.3

A

1674-4764(2016)05-0085-05

Received:2015-11-03

Author brief：Luo Yiping (1984- ), main research interest:rock and soil engineering(E-mail) luoyipingxy@163.com.

Yan Zhixin (corresponding author), professor, doctoral supervisor, (E-mail) yzx10@163.com.