基礎(chǔ)尺寸對(duì)碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔承載力影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

崔強(qiáng)　童瑞銘　劉生奎　魯先龍

摘要：影響基礎(chǔ)上拔承載能力的因素包括地基土物理力學(xué)參數(shù)及基礎(chǔ)尺寸參數(shù)，而確定混凝土方量最小、基礎(chǔ)上拔承載力最大的基礎(chǔ)參數(shù)配比是基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以戈壁灘碎石土地基中的原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)為研究對(duì)象，采用正交設(shè)計(jì)方法，以立柱直徑、深寬比、擴(kuò)展角為影響因素，以基礎(chǔ)上拔承載力為分析指標(biāo)，設(shè)計(jì)出9組尺寸的足尺基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了各試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載一位移曲線和上拔承載力值，提出了采用漸變率的概念表征荷載一位移曲線的非線性變化特征，通過分析發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)荷載一位移曲線漸變率與承載能力呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合正交試驗(yàn)分析結(jié)果，得出立柱直徑、深寬比、擴(kuò)展角3個(gè)因素中對(duì)碎石土地基原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔承載能力的影響程度由大到小依次為深寬比、立柱直徑、擴(kuò)展角，表明在戈壁灘碎石土地基基礎(chǔ)的工程設(shè)計(jì)中增加深寬比能提高基礎(chǔ)抗拔承載能力。

關(guān)鍵詞：碎石土；原狀土；輸電線路；擴(kuò)底基礎(chǔ)；上拔承載力

中圖分類號(hào)：TU475

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-764（2016）06-0017-07

原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)（輸電線路工程中又稱“掏挖基礎(chǔ)”）是指利用人工或機(jī)械的方法在原狀土地基中鉆（挖）成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)外形的基坑，然后將鋼筋骨架和混凝土直接澆注于基坑而成的原狀土基礎(chǔ)，已廣泛應(yīng)用于輸電線路、高聳建筑物等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程中。此類基礎(chǔ)的上拔承載力主要受基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基礎(chǔ)幾何特征及其周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響。在高電壓等級(jí)輸電線路中，桿塔基礎(chǔ)往往承受幾百噸乃至上千噸的上拔荷載。在工程設(shè)計(jì)中，為了提高基礎(chǔ)承載力，往往通過增加樁徑、埋深及擴(kuò)大頭的尺寸等一系列技術(shù)手段來提高基礎(chǔ)的上拔承載力。然而，如何確定最優(yōu)的基礎(chǔ)尺寸、使基礎(chǔ)上拔承載力最大是基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心問題。

針對(duì)碎石土地基基礎(chǔ)抗拔承載特性方面的研究較多。Chen等對(duì)粗粒土和細(xì)粒土2種地基鉆孔灌注樁的上拔荷載一位移特性進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比分析了不同失效準(zhǔn)則獲取基礎(chǔ)上拔承載力的差異；Qian等、魯先龍等在新疆和甘肅開展了輸電線路桿塔真型基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)上拔試驗(yàn)，分析了荷載一位移變化特征，并采用雙曲線模型對(duì)46個(gè)基礎(chǔ)樣本的荷載一位移曲線進(jìn)行了擬合，分析了模型擬合參數(shù)的不確定性；張振華等采用有限差分法對(duì)某碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)在上拔和水平組合荷載作用下的變形破壞過程進(jìn)行了數(shù)值分析，概化出上拔土體破裂面形態(tài)的幾何模型。郝冬梅等根據(jù)塑性極限平衡原理，建立了抗拔土體的極限平衡方程，采用變分法求得不同加載條件下基礎(chǔ)承載力的數(shù)值解，分析了抗剪強(qiáng)度參數(shù)、水平荷載對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響。上述研究工作均未涉及基礎(chǔ)尺寸參數(shù)對(duì)其抗拔承載特性影響的研究。

針對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載特性影響因素也有一些研究。Matsuo通過室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了砂土和黏土中擴(kuò)大頭形狀對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響，表明在底板混凝土方量一定條件下，圓形擴(kuò)大頭較方形擴(kuò)大頭承載能力高；Dickin等通過離心機(jī)試驗(yàn)分析了埋深、擴(kuò)底直徑、填土密度和基底擴(kuò)展角對(duì)砂土中擴(kuò)底樁上拔特性的影響；Hesham等通過模型試驗(yàn)分析了砂土中錐形樁的承載力隨圍壓增長(zhǎng)的變化規(guī)律，得出高圍壓下錐形樁的上拔承載力與等截面樁上拔承載力相差不大的結(jié)論；劉文白等應(yīng)用顆粒流理論研究了黃土中擴(kuò)底樁抗拔承載特性，發(fā)現(xiàn)增加擴(kuò)底樁擴(kuò)大段的高度對(duì)提高承載力有效；陳仁朋等通過大尺寸模型試驗(yàn)得出在非飽和及飽和粉土中，擴(kuò)底樁深寬比在1～3范圍內(nèi)變化時(shí)，上拔極限承載力對(duì)應(yīng)的上拔位移基本不變，當(dāng)深寬比達(dá)到5時(shí)，上拔位移有顯著增加；喻皓通過數(shù)值計(jì)算得出黏土地基條件下，短樁的擴(kuò)大頭對(duì)樁體的變形影響較大，而長(zhǎng)樁影響較小；李保中等研究了主柱和擴(kuò)底尺寸對(duì)中國(guó)500kV線路工程中粉土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔、下壓余度的影響規(guī)律。上述研究的對(duì)象均為細(xì)粒土中的抗拔基礎(chǔ)，而針對(duì)碎石土這類粗粒土中的基礎(chǔ)抗拔承載特性均未涉及。

綜上所述，目前針對(duì)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)對(duì)碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔承載特性的研究較少。筆者以戈壁灘碎石土地基中的擴(kuò)底基礎(chǔ)為研究對(duì)象，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，選取立柱直徑、基礎(chǔ)深寬比、基底擴(kuò)展角3個(gè)參數(shù)為影響因素，以基礎(chǔ)上拔承載力為分析指標(biāo)，通過現(xiàn)場(chǎng)上拔靜載試驗(yàn)，分析試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔承載特性以及上述各參數(shù)對(duì)承載力的影響程度，提出適用于戈壁灘碎石土地基原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)的工程優(yōu)化措施。

1.試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省張掖市高臺(tái)縣境內(nèi)原330kV張-嘉-回線173#塔位附近，如圖1所示。根據(jù)地勘資料，試驗(yàn)場(chǎng)地的地質(zhì)參數(shù)推薦值見表1。

1.2加載系統(tǒng)與加載方案

上拔加載裝置由千斤頂、加荷梁、連接框架和反力基座組成，其中，反力基座采用承壓樁，承壓樁具有足夠的剛度，以確保滿足地基強(qiáng)度和變形的要求，試驗(yàn)加載裝置見圖2。

試驗(yàn)采用分級(jí)加載，加載初期可根據(jù)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，以確保地基土的承載性能得以充分發(fā)揮。加載過程中通過布置在基頂表面的位移傳感器測(cè)定上拔位移。

2.試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔承載力受基礎(chǔ)幾何尺寸參數(shù)的影響，如立柱直徑d、擴(kuò)展角θ、深寬比h_t/D、擴(kuò)底直徑D等，見圖3。不同因素對(duì)基礎(chǔ)承載力影響程度不同，為了綜合分析上述各參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響，同時(shí)考慮各因素之問的相關(guān)性，分別選取立柱直徑d、深寬比_t/D、基底擴(kuò)展角θ為因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平進(jìn)行，如表2所示。同時(shí)將其他不控制基礎(chǔ)承載力的參數(shù)（見表3）設(shè)為定值。其中立柱直徑d以A表示，深寬比_t/D以B表示，基底擴(kuò)展角θ以C表示。

采用3因素4水平的L9（3⁴）標(biāo)準(zhǔn)的正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)，以基礎(chǔ)上拔承載力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案見表4。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1荷載一位移曲線分析

根據(jù)表4中所列的9個(gè)基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，得出1#～9#基礎(chǔ)的荷載一位移（Q-S）曲線，見圖4。從圖中可以看出，1#、2#基礎(chǔ)的Q-S曲線屬于陡降型，其中1#基礎(chǔ)最為典型。當(dāng)加荷值小于某個(gè)值時(shí)（1#基礎(chǔ)為390kN，2#基礎(chǔ)為840kN），Q-s曲線呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，當(dāng)加荷值大于該值時(shí)，曲線發(fā)生突然跌落?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該級(jí)荷載下，試驗(yàn)基礎(chǔ)上拔位移在24h內(nèi)無法穩(wěn)定，土體已達(dá)到承載能力極限。3#～9#基礎(chǔ)的Q-S曲線均呈緩變型，緩變型曲線與陡降型曲線之間的不同之處在于：Q-s曲線在經(jīng)歷一段線性變化后，陡降型曲線發(fā)生突然跌落，基礎(chǔ)發(fā)生破壞，而緩變型曲線則進(jìn)入非線性變化階段，直至基礎(chǔ)破壞。

土體屬于彈塑性變形體，其力學(xué)強(qiáng)度與自身的塑性密切相關(guān)。因此，采用Q-S曲線上非線性段（塑性變形區(qū)段）單位荷載的位移變化量表征基礎(chǔ)Q-S曲線的緩變率，用以說明地基基礎(chǔ)的塑性變形性狀。各基礎(chǔ)的緩變率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5（表中A點(diǎn)表示Q-S曲線線性區(qū)段終點(diǎn)，B點(diǎn)表示基礎(chǔ)破壞前一級(jí)荷載，其值對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)上拔極限承載力）。從表5可以看出，各基礎(chǔ)的緩變率與破壞荷載大體呈負(fù)相關(guān)（由于加載能力所限，9#基礎(chǔ)加至8000kN即停止加載，而該時(shí)刻基礎(chǔ)并未破壞），即緩變率越小，曲線的非線性區(qū)段軌跡越長(zhǎng)，破壞荷載越大。由此表明，戈壁灘碎石土地基原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)的抗拔承載能力大小與基礎(chǔ)抵抗塑性變形的能力密切相關(guān)。

3.2承載力影響因素分析

由上述分析可知，1#～9#試驗(yàn)基礎(chǔ)的Q-S曲線分為陡降型和緩變型兩種，考慮到數(shù)據(jù)分析的一致性，統(tǒng)一取破壞荷載前一級(jí)荷載為基礎(chǔ)的上拔極限承載力，表6列出了各試驗(yàn)基礎(chǔ)的上拔極限承載力Q_cu和相應(yīng)的位移值S_cu。

對(duì)各基礎(chǔ)上拔承載力進(jìn)行正交試驗(yàn)結(jié)果分析，表7列出了正交試驗(yàn)的直觀分析結(jié)果，其中，K₁、K₂、K_a分別為第1、2、3水平在3因素A、B、C中3次試驗(yàn)之和，K₁、K₂、K₃分別為各水平所對(duì)應(yīng)的平均值。由表7可以看出，在立柱直徑、深寬比、基底擴(kuò)展角3因素及不同水平組合下，各基礎(chǔ)的Q_cu差別較大，Q_cu隨深寬比的增大而最明顯地增加，基底擴(kuò)展角增加，Q_cu變化不大。在9組實(shí)驗(yàn)中，第7組試驗(yàn)Q_cu最大，值為7 200 kN，其對(duì)應(yīng)的組合水平為A₃B₃C₁，第1組試驗(yàn)基礎(chǔ)上拔承載力最小，Q_cu為

同一列中，最大值與最小值之差為極差，即表7中的R_oR越大，該列對(duì)應(yīng)的因素對(duì)指標(biāo)Q_cu影響最明顯。由表7可知，各列的極差R差異較大，表明各因素的水平改變時(shí)對(duì)指標(biāo)Q_cu的影響程度不同。從表中各列極差大小可知，在立柱直徑、深寬比、基底擴(kuò)展角3個(gè)因素中，對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響最為敏感的因素是深寬比，其次是立柱直徑，最不敏感的是基底擴(kuò)展角。

為直觀比較，通過Q_cu與各水平之問的變化趨勢(shì)來分析各因素對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力的影響程度，分析結(jié)果見圖5。從圖中可以看出，因素B對(duì)Q_cu影響顯著，當(dāng)深寬比從1.5增加到3.5時(shí)，Q_cu指標(biāo)增加4倍左右；因素A次之，Q_cu隨立柱直徑的增加而增加，當(dāng)立柱直徑從800mm增加到1600mm時(shí)，Q_cu指標(biāo)增加2倍左右，增加幅度較因素B要小很多；因素C對(duì)Q_cu影響最不顯著，當(dāng)擴(kuò)展角從10°增加到30°時(shí)，Q_cu指標(biāo)變化很小，接近1.2倍，趨勢(shì)線近乎一條平行于X軸的直線，表明工程中增加基礎(chǔ)深寬比對(duì)于提高基礎(chǔ)上拔承載力最為有效，可作為一種基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的推薦做法；而增加擴(kuò)展角，一方面對(duì)于提高基礎(chǔ)承載能力效果不明顯，同時(shí)，施工中宜引起塌孔和掉石現(xiàn)象，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)中建議取

4.結(jié)論

基于正交試驗(yàn)分析方法，對(duì)戈壁灘碎石土地基中不同幾何尺寸參數(shù)的9個(gè)擴(kuò)底基礎(chǔ)進(jìn)行了承載力特性試驗(yàn)，并分析得出影響基礎(chǔ)上拔承載力最敏感的幾何尺寸參數(shù)，獲得的主要結(jié)論和建議如下：

1）通過分析1#～9#試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載一位移曲線，得出1#和2#基礎(chǔ)屬于陡降型，3#～9#屬于緩變型。提出緩變率的概念（Q-s曲線非線性區(qū)段單位荷載的位移變化量）來表征Q-s曲線塑性變形性狀，各基礎(chǔ)緩變率與破壞荷載呈反比例關(guān)系，即緩變率越大，基礎(chǔ)承載能力越低。

2）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，戈壁灘碎石土地基中擴(kuò)底基礎(chǔ)尺寸參數(shù)深寬比、立柱直徑、基底擴(kuò)展角的取值對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響程度由大到小依次為：深寬比、立柱直徑、基底擴(kuò)展角。

3）在戈壁灘碎石土地基中進(jìn)行原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程中，建議優(yōu)先考慮通過增加深寬比來提高基礎(chǔ)上拔承載力。由于擴(kuò)展角的增加對(duì)基礎(chǔ)承載力影響不明顯，且易導(dǎo)致施工過程中的塌孔和掉石現(xiàn)象，建議擴(kuò)展角不大于15°。埋深和擴(kuò)展角一定條件下，立柱直徑的增加勢(shì)必導(dǎo)致深寬比減小，同時(shí)基礎(chǔ)本體混凝土方量也大幅度提高，建議立柱直徑以滿足施工安全和踏腳板大小即可，而不建議采用提高立柱直徑來增加基礎(chǔ)上拔承載力的做法。