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

鄭衛(wèi)鋒　洪天炘　葉超　王磊　羅義華　孟憲喬

摘要：

山區(qū)風(fēng)化程度高的巖基塔位采用挖孔基礎(chǔ)，包括直柱挖孔樁、壇子型嵌固、擴(kuò)底掏挖等3種模型。通過(guò)在強(qiáng)風(fēng)化軟巖中開(kāi)展17組不同模型的挖孔基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)，分析基礎(chǔ)承載性能與破壞機(jī)理。荷載位移曲線表明：淺埋時(shí)基礎(chǔ)呈線性狀態(tài)分布，深埋時(shí)呈緩變型分布；地表豎向位移變化規(guī)律表明，基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)顯著裂縫表征著基礎(chǔ)即將整體破壞，破壞狀態(tài)為基礎(chǔ)本體與周圍土體被整體拔出，基礎(chǔ)發(fā)生整體剪切破壞；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不變；強(qiáng)風(fēng)化軟巖的巖石等代極限剪切強(qiáng)度取32 kPa；以單位體積混凝土能承擔(dān)的上拔承載力為準(zhǔn)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，擴(kuò)底掏挖型模型的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：輸電線路；強(qiáng)風(fēng)化軟巖；挖孔基礎(chǔ)；抗拔試驗(yàn)；破壞模式

中圖分類號(hào)：TU475

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）03003107

Abstract：

Excavated foundation of transmission line have been used in mountain weathered soft rock， including column excavated pile model， jar shape embedded model and belled shaft digged model. Field prototype tests of 17 group different models have been carried out for highly weathered argillaceous sandstone. The foundation load bearing characteristics and failure pattern are analyzed based on test data. Load displacement curves show that the distributions are linear for shallow foundation， but the distributions are slowly varying for deep foundation. Based on the surface displacement variation rules， the characterization of foundation overall damaging reflect the significant surface fracture， and the foundation and its surrounding soil are pulled out. The foundation rupture angle reduces quickly with the increasing of foundation depth. But the rupture angle remains constant when the foundation reach a certain depth. By calculation of the test data， the rock equivalent ultimate shear strength of weathered soft rock is 32 kPa. According to the ultimate uplift capacity of unit concrete volume， the economical benefit of the belled shaft digged model foundation is remarkable.

Keywords：

transmission line； highly weathered soft rock； excavated foundation； uplift testing； failure mode

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(lái)越多，輸電線路基礎(chǔ)承受的桿塔荷載越來(lái)越大[13]。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)[57]。

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(guò)程中的大開(kāi)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(kāi)展了大量研究[915]，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(kāi)展17組巖石挖孔基礎(chǔ)的上拔承載力現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)地宏觀地貌屬大別山區(qū)、微地貌為丘陵。場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)柱狀，敲擊聲脆，該層層厚10 m以上。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)表1。

1.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸

強(qiáng)風(fēng)化軟巖現(xiàn)場(chǎng)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。

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RSJYC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(jiàn)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(guò)壓力表與壓力傳感器獲得，基頂位移通過(guò)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?。浑S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。

3類挖孔基礎(chǔ)的荷載位移曲線規(guī)律基本相同，淺埋時(shí)呈線性狀態(tài)分布；隨著埋深增加，塑性曲線段占比越大，呈緩變型分布。

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(wú)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。

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(wú)豎向地表位移，表明隨著埋深增加，基礎(chǔ)地表裂縫開(kāi)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(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)的地表裂縫圖，圖5為現(xiàn)場(chǎng)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。

2.4基礎(chǔ)極限承載力

以圖2中基礎(chǔ)上拔荷載位移曲線為基準(zhǔn)，根據(jù)規(guī)程[17]規(guī)定，取陡升起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值作為基礎(chǔ)豎向抗拔極限承載力，得到17組試驗(yàn)基礎(chǔ)的極限上拔承載力與埋深的規(guī)律，如圖7所示。

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(chǎng)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(shuō)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(lái)共同承擔(dān)。

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(guò)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(guò)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。

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。

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(kāi)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)。

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(chǎng)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(zhǎng)；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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（編輯胡玲）