輸電線路強(qiáng)風(fēng)化軟巖挖孔基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)研究

(1. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2. 國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230022；3. 中國能源建設(shè)集團(tuán) 安徽省電力設(shè)計(jì)院，合肥 230601)

隨著特高壓工程快速建設(shè)，輸電線路途徑的山地地形占比越來越多，輸電線路基礎(chǔ)承受的桿塔荷載越來越大[1-3]。山區(qū)中遇到硬巖或微風(fēng)化軟巖時(shí)，常選用承臺(tái)嵌入式巖石錨桿群錨基礎(chǔ)[4]；遇到全風(fēng)化硬巖或強(qiáng)風(fēng)化～中等風(fēng)化軟巖且?guī)r石裸露或覆蓋層較薄時(shí)，常采用挖孔基礎(chǔ)[5-7]。

山區(qū)挖孔基礎(chǔ)可充分利用原狀巖石地基的承載性能，有效避免施工過程中的大開挖，且?guī)r石強(qiáng)度允許時(shí)可機(jī)械化施工，有效提高施工效率。山區(qū)挖孔基礎(chǔ)包括直柱挖孔樁模型、壇子嵌固模型、擴(kuò)底掏挖模型等3種結(jié)構(gòu)型式。在進(jìn)行上拔承載性能分析時(shí)，直柱挖孔樁模型采用柱狀滑動(dòng)面破壞，壇子嵌固模型采用倒錐體破裂面的直線型滑動(dòng)面，擴(kuò)底掏挖模型采用圓弧滑動(dòng)面破壞進(jìn)行設(shè)計(jì)，3種模型在使用條件、設(shè)計(jì)邊界、設(shè)計(jì)參數(shù)取值等方面均不同，導(dǎo)致不同型式挖孔基礎(chǔ)工程造價(jià)差異較大。

不同于一般建筑結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)，輸電線路工程中基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定是設(shè)計(jì)計(jì)算的控制荷載[8]，而山區(qū)巖體抗壓強(qiáng)度較高，可抵抗較大的水平力，因此,巖體挖孔基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮傾覆穩(wěn)定。

學(xué)者們針對(duì)土體中挖孔基礎(chǔ)的抗拔承載特性開展了大量研究[9-15]，然而針對(duì)巖石挖孔基礎(chǔ)的抗拔承載性能的研究工作較少[16]。選擇典型強(qiáng)風(fēng)化軟巖地質(zhì)條件，開展17組巖石挖孔基礎(chǔ)的上拔承載力現(xiàn)場試驗(yàn)，分析其承載性能與破壞機(jī)理，探討不同模型的應(yīng)用原則及參數(shù)取值，實(shí)現(xiàn)山區(qū)輸電線路巖石挖孔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)位于安徽太湖某220 kV變電站附近，場地宏觀地貌屬大別山區(qū)、微地貌為丘陵。場區(qū)內(nèi)地層自上而下為:

1)泥質(zhì)砂巖：淺棕褐色，砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，風(fēng)化強(qiáng)烈，孔隙發(fā)育，硬度低。由70%～75%的碎屑與25%～30%的填充物組成，碎屑主要為石英、長石等，填充物主要為泥質(zhì)高嶺石及水云母等粘土礦物、繳粒狀方解石等鈣質(zhì)膠結(jié)物。該層厚約3.0～5.2 m。

2)砂礫巖：青灰色，中等風(fēng)化，巖屑顆粒較大，泥質(zhì)膠結(jié)，主要成分為石英砂巖、灰?guī)r等。巖體較破碎，裂隙較發(fā)育。巖芯呈長柱狀，敲擊聲脆，該層層厚10 m以上。

根據(jù)現(xiàn)場與室內(nèi)巖體試驗(yàn)，上部泥質(zhì)砂巖與下部砂礫巖的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸

強(qiáng)風(fēng)化軟巖現(xiàn)場共布置17組挖孔基礎(chǔ)，其中:直柱挖孔樁模型(ZZ)5個(gè)，壇子嵌固模型(TZ)7個(gè)，擴(kuò)底掏挖模型(TW)5個(gè)，外型示意如圖1所示，具體尺寸如表2所示。

表1 巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Mechanical properties of rock

圖1 輸電線路巖石挖孔基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock excavated foundation for transmission

基礎(chǔ)型式編號(hào)埋深H/m上部直徑d/m下部直徑D/m直柱挖孔樁模型ZZZZ?1．01．01．101．10ZZ?1．51．51．251．25ZZ?2．02．01．401．40ZZ?2．52．51．551．55ZZ?3．03．01．701．70

續(xù)表2

注：擴(kuò)底掏挖模型中擴(kuò)底處圓臺(tái)高0.4 m、擴(kuò)底處底板高0.1 m。

1.3 加載與測(cè)試系統(tǒng)

上拔加載裝置包括千斤頂、連接框架、反力鋼梁和反力基座等，加載裝置能力與反力基座滿足相關(guān)試驗(yàn)要求。針對(duì)巖石地質(zhì)，試驗(yàn)采用快速荷載法進(jìn)行分級(jí)加載，試驗(yàn)加荷等級(jí)由RS-JYC型樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)控制，具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見相關(guān)規(guī)程[17]。

測(cè)試系統(tǒng)包括壓力測(cè)試與位移測(cè)試，上拔荷載測(cè)試通過壓力表與壓力傳感器獲得，基頂位移通過布置在基頂?shù)奈灰苽鞲衅鳙@得，同時(shí),在地面距離基礎(chǔ)中心不同距離處布置位移傳感器測(cè)試地表豎向位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線

圖2分別為直柱挖孔樁模型、壇子嵌固模型、擴(kuò)底掏挖模型等挖孔基礎(chǔ)的上拔荷載與基頂豎向位移曲線。加載初期，曲線呈彈性直線段，位移量很??；隨著荷載增大，呈彈塑性曲線段，上拔位移隨荷載呈非線性變化，位移速率明顯增大；隨著上拔荷載持續(xù)增加，塑性區(qū)逐漸貫通直至基礎(chǔ)破壞，荷載位移曲線出現(xiàn)陡降段，地表微裂縫顯著。

圖2 挖孔基礎(chǔ)的上拔荷載位移曲線Fig.2 Curves of uplift loading-displacement to rock excavate

2.2 地表位移規(guī)律

圖3分別為埋深1、3、5 m的壇子嵌固模型挖孔基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的地表豎向位移變化曲線。從圖3可以看出，加載初期，地表基本無豎向位移；隨著上拔荷載加大，基礎(chǔ)周圍逐漸出現(xiàn)裂縫，地表豎向位移逐漸增大；當(dāng)基礎(chǔ)出現(xiàn)破壞時(shí)，地表豎向位移增加迅速。

圖3 壇子嵌固模型基礎(chǔ)的地表豎向位移曲線Fig.3 Curves of vertical surface displacement to jar shape embedded model

當(dāng)?shù)乇砦灰谱兓@著時(shí)，基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)明顯裂縫，表征著基礎(chǔ)即將整體破壞，最終基礎(chǔ)本體與周圍巖土體被整體拔出，基礎(chǔ)發(fā)生整體剪切破壞。隨著遠(yuǎn)離基礎(chǔ)中心，地表豎向位移迅速降低，如圖3(c)所示，5 m埋深基礎(chǔ)在遠(yuǎn)離基礎(chǔ)中心3.5 m位置處基本無豎向地表位移，表明隨著埋深增加，基礎(chǔ)地表裂縫開展范圍不一定發(fā)生在45°破裂面上。

2.3 地表裂縫規(guī)律

圖4為現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)的地表裂縫圖，圖5為現(xiàn)場測(cè)繪得到地面裂縫示意圖。由于強(qiáng)風(fēng)化軟巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地表裂縫呈不均勻狀，基礎(chǔ)立柱周圍巖體裂縫較大，呈發(fā)射狀向四周擴(kuò)散。

圖4 壇子嵌固模型挖孔基礎(chǔ)的地表裂縫圖Fig.4 Surface crack map to jar shape embedded model foundation

圖5 壇子嵌固模型挖孔基礎(chǔ)的地表裂縫測(cè)繪圖Fig.5 Measurement drawing map of surface crack to jar shape embedded model

圖6為壇子嵌固模型模型基礎(chǔ)的上拔破壞垂直剖面示意圖，以基礎(chǔ)底部為基準(zhǔn)，周圍巖體出現(xiàn)剪切拉伸破壞，裂縫從基礎(chǔ)底部逐漸擴(kuò)展至地表。

圖6 壇子嵌固模型挖孔基礎(chǔ)的上拔破壞垂直剖面示意圖Fig.6 Schematic diagram of uplift failure vertical profile to jar shape embedded model

2.4 基礎(chǔ)極限承載力

圖7 挖孔基礎(chǔ)的極限承載力、破裂角與埋深的關(guān)系Fig.7 Curves of depth-uplift capacity and depth-rupture angle to rock excavated

從圖7可以看出，基礎(chǔ)極限承載力隨著埋深逐漸增大，基本上呈線性狀態(tài)，進(jìn)一步得出基礎(chǔ)的上拔承載力與基礎(chǔ)埋深符合線性關(guān)系。對(duì)于直柱挖孔樁模式基礎(chǔ)承載力由1 m埋深的250 kN增加到3 m埋深的2 300 kN；對(duì)于壇子嵌固模型，基礎(chǔ)承載力由1 m埋深的220 kN增加到3 m埋深的1 600 kN，然后再增加到5 m埋深的3 800 kN；對(duì)于擴(kuò)底掏挖模型，基礎(chǔ)承載力由1 m埋深的290 kN增加到3 m埋深的1 700 kN。

2.5 基礎(chǔ)破裂角

以圖5地面外圍裂縫包圍的范圍作為基礎(chǔ)最終破壞面，進(jìn)行平均后得到破壞面半徑，再除以埋深得到基礎(chǔ)的破裂角。經(jīng)計(jì)算現(xiàn)場試驗(yàn)得到的破裂角與埋深的關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，基礎(chǔ)破裂角隨埋深增加而迅速減小，對(duì)于直柱挖孔樁模型基本呈線性狀態(tài)，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的32°；對(duì)于壇子嵌固模型，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的36°，然后迅速降低到5 m埋深的18°，進(jìn)一步說明破裂角在基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)上拔影響范圍較大，基礎(chǔ)埋深逐漸增加時(shí)上拔影響范圍逐漸縮小，并非一直呈現(xiàn)“45°倒錐體”破裂狀態(tài)；對(duì)于擴(kuò)底掏挖模型，破裂角由1 m埋深的52°降低到3 m埋深的37°。

2.6 設(shè)計(jì)參數(shù)反算

地表裂縫位置及破裂角均表明，淺埋狀態(tài)下，3類挖孔基礎(chǔ)的上拔破壞狀態(tài)均表現(xiàn)為倒錐體破裂面直線型滑動(dòng)面破壞，只是隨著埋深加深破裂面范圍不同而已。

如圖8所示，當(dāng)巖石發(fā)生倒錐體破裂面直線型滑動(dòng)面破壞時(shí)，根據(jù)力學(xué)平衡原理，基礎(chǔ)上拔承載力由基礎(chǔ)自身重量與均勻分布于倒圓錐體表面的等代極限剪切應(yīng)力的垂直分量之和來共同承擔(dān)。

圖8 巖石剪切破壞受力示意圖Fig.8 Schematic diagram of rock shear

(1)

R=Rτsy+Gf

(2)

(3)

(4)

將式(2)～(4)代入式(1)可得：

γfTE≤π·ht·(D+httanθ)·τs+Gf

(5)

式中：γf為基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)；TE為基礎(chǔ)上拔承載力設(shè)計(jì)值；R為巖石基礎(chǔ)本身承受的抗力；Rτsy為倒圓錐體上巖石抗剪強(qiáng)度垂直分量；Gf為基礎(chǔ)本身自重；τs為巖石等代極限剪切強(qiáng)度；θ為巖體等代剪切角，又稱破裂角，即潛在直線型滑動(dòng)面與基礎(chǔ)間的夾角；S為倒圓椎體的側(cè)向表面積；ht為基礎(chǔ)埋深；D為基礎(chǔ)底部直徑。

基礎(chǔ)上拔承載力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值至關(guān)重要，該設(shè)計(jì)參數(shù)并非真正的巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，也不屬于巖土工程常規(guī)勘察中的巖石力學(xué)參數(shù)，一般難以通過巖土勘察手段直接獲得，電力行業(yè)根據(jù)原位試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)給出了建議值。

根據(jù)式(5)，通過基礎(chǔ)極限上拔承載力進(jìn)行反算，得到強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)中巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值，如表3所示，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化修正后得到巖石等代極限剪切強(qiáng)度為32 kPa，顯著高于規(guī)程[18]取值。

表3 巖石等代極限剪切強(qiáng)度反算值Table 3 Inverse calculation values to rock equivalent ultimate shear strength

2.7 經(jīng)濟(jì)性分析

將基礎(chǔ)能承受的極限上拔承載力，除以基礎(chǔ)自身混凝土用量，得到單位體積混凝土能提供的承載力，分析各模型基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性，如表4所示，繪制如圖9所示。

表4 單位混凝土的極限承載力(kN/m3)Table 4 Ultimate uplift capacity of unit concrete volume

相比較而言，直柱挖孔樁模型單位體積混凝土能提供的承載力為260 kN/m3，經(jīng)濟(jì)性差，但施工最為便利，不需要擴(kuò)底掏挖；壇子嵌固模型單位體積混凝土能提供的承載力為320 kN/m3，經(jīng)濟(jì)性一般，但施工相對(duì)復(fù)雜，需要逐層加大開挖截面尺寸；而擴(kuò)底掏挖模型單位體積混凝土能提供的承載力為410 kN/m3，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，且隨著埋深增加其承載性能更優(yōu)，若巖石強(qiáng)度低時(shí)可采用機(jī)械化旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工，有效提高其施工效率，建議優(yōu)先選用擴(kuò)底掏挖模型挖孔基礎(chǔ)。

圖9 不同模型基礎(chǔ)的單位體積混凝土極限承載性能對(duì)比Fig.9 Curves of ultimate uplift capacity of unit concrete volume to rock excavated

3 結(jié)論

1)風(fēng)化程度高的輸電線路山區(qū)巖石多采用挖孔基礎(chǔ)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式包括直柱挖孔樁模型、壇子型嵌固模型、擴(kuò)底掏挖模型等。

2)強(qiáng)風(fēng)化軟巖挖孔基礎(chǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，基礎(chǔ)荷載位移曲線在埋深較淺時(shí)呈線性分布，隨著埋深增加呈緩變型分布；基礎(chǔ)極限上拔承載力隨埋深線性增長；基礎(chǔ)破裂角隨埋深迅速降低，但達(dá)到一定埋深后破裂角基本維持不變。

3)強(qiáng)風(fēng)化軟巖挖孔基礎(chǔ)均發(fā)生倒錐體破裂面的直線型滑動(dòng)面破壞。挖孔基礎(chǔ)上拔承載力計(jì)算時(shí)關(guān)鍵參數(shù)“巖石等代極限剪切強(qiáng)度”在強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)條件下建議取32 kPa，供設(shè)計(jì)參考。

4)以單位體積混凝土能承擔(dān)的上拔承載力為經(jīng)濟(jì)性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)底掏挖模型挖孔基礎(chǔ)有顯著優(yōu)勢(shì)。

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