斜坡地基挖孔基礎(chǔ)水平承載特性現(xiàn)場試驗(yàn)研究

段輝順 楊文智 崔強(qiáng) 毛矛 劉生奎 戶世偉

摘 要：以輸電線路工程中常用的擴(kuò)底形和直柱形原狀土基礎(chǔ)為研究對象，通過開展斜坡地基條件下水平荷載工況的現(xiàn)場靜裁試驗(yàn)，對比分析了直柱形和擴(kuò)底形基礎(chǔ)在荷載一位移曲線、地基承裁力、界面土壓力分布以及地基土體破壞模式等方面的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)基礎(chǔ)水平承載一位移曲線、水平荷裁一轉(zhuǎn)角曲線整體呈緩變形即“直線一曲線一直線”三階段變化趨勢，而兩者之間的差異在于荷載一轉(zhuǎn)角曲線在臨近曲線段末尾處突然發(fā)生翹起；相較于直柱形基礎(chǔ)，擴(kuò)底的設(shè)置增加了基底的抵抗力矩，同時降低了基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心位置，使得擴(kuò)底形基礎(chǔ)承載力較直柱形得到了提高；兩種形式基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力均沿深度方向呈拋物線形分布；基礎(chǔ)發(fā)生破壞時，兩種形式基礎(chǔ)在臨近下坡側(cè)均出現(xiàn)大量羽狀裂縫，并伴有地基土隆起，擴(kuò)底的設(shè)置使得基礎(chǔ)對周圍土體的影響深度和范圍均增加。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；斜坡地形：擴(kuò)底形基礎(chǔ)；直柱形基礎(chǔ)；水平靜載試驗(yàn)

中圖分類號：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.023

黃土主要分布在我國甘肅、寧夏、陜西和河南等?。▍^(qū)），在河北、山東、內(nèi)蒙古、青海、新疆及東北等地也有零星分布[1-3]，其微觀結(jié)構(gòu)較為特殊，因此在工程中表現(xiàn)出特有的物理力學(xué)性質(zhì)[4-5]。目前在“西電東送”“疆電外送”的大背景下，輸電線路不可避免地需要經(jīng)過廣闊的黃土丘陵地區(qū)，為滿足輸電鐵塔修建的需要，部分桿塔基礎(chǔ)將修建在斜坡地基上。為充分利用山區(qū)原狀土地基的工程特性，在斜坡地面采用原狀土基礎(chǔ)是我國輸電線路基礎(chǔ)發(fā)展的一個重要趨勢。魯先龍等[6]提出了4種斜坡地形輸電線路基礎(chǔ)和桿塔結(jié)構(gòu)的配合方案，分別為鐵塔等長腿配等高基礎(chǔ)、鐵塔等長腿配深淺基礎(chǔ)、鐵塔長短腿配等高基礎(chǔ)、全方位鐵塔長短腿配高低主柱基礎(chǔ)，目前在多條線路工程中被廣泛采用。

桿塔基礎(chǔ)在承受拉/壓交變荷載作用時，還承受較大的水平荷載，通常情況下，桿塔基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性是其設(shè)計控制條件。與平地條件地基相比，斜坡地基低坡側(cè)臨空面減弱了對桿塔基礎(chǔ)的橫向約束，降低了桿塔基礎(chǔ)的水平承載力。

針對平地地基條件下基礎(chǔ)水平承載性能方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[7-12]，部分研究成果已形成相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相比而言，斜坡地基基礎(chǔ)水平承載性能方面的研究還處在試驗(yàn)階段，并且研究對象多為樁基礎(chǔ)。如：鄧凡[13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬，研究了水平荷載作用下斜坡樁的工作性狀及樁前場地土的位移變化等：乾增珍等[14]采用極限分析法，研究了水平荷載作用下斜坡地形高露頭挖孔樁基礎(chǔ)的樁土體系穩(wěn)定性及承載機(jī)理：李彰明等[15]對土質(zhì)邊坡進(jìn)行樁基水平荷載試驗(yàn)，研究水平力作用下樁體變形特征及承載力：郭永建等[l6]利用離心試驗(yàn)機(jī)對端承樁與摩擦樁的基礎(chǔ)施加水平荷載和豎向荷載，給出了邊坡樁基受力性能的研究方法，并進(jìn)行了受力機(jī)理分析。

上述研究工作涉及的對象多為等截面結(jié)構(gòu)形式的樁基礎(chǔ)，而輸電線路工程為提高基礎(chǔ)的抗拔和抗水平承載性能常常在柱底設(shè)置一定大小的擴(kuò)大頭。目前針對擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載特性以及擴(kuò)底的設(shè)置對地基基礎(chǔ)承載性能影響方面的研究尚顯缺乏，由此導(dǎo)致工程設(shè)計中關(guān)于斜坡地基擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載力的計算缺乏理論依據(jù)，依舊按照等截面樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計。

本文以輸電線路工程中常采用的直柱形與擴(kuò)底形原狀土基礎(chǔ)為研究對象，在斜坡傾角為200的黃土斜坡地基上開展現(xiàn)場水平承載性能試驗(yàn)，對比分析了兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)在荷載一位移曲線變化特征、水平承載力、土壓力分布以及地基破壞模式等方面的特點(diǎn)和差異。旨在通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為下一步研究斜坡地基擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載力的設(shè)計方法提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計與方法

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅榆中車道嶺，地處黃土高原丘陵區(qū)，斜坡傾角β= 20°。地表黃土為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土（Q ），淡黃色，土質(zhì)均勻，大孔發(fā)育，具垂直節(jié)理。其成分以粉土為主，包含細(xì)砂、粉土、黏粒等。對現(xiàn)場取回的黃土試樣進(jìn)行土體基本物理特性指標(biāo)測試，結(jié)果如下：天然密度為1.31 g/cm3，相對密度為2.71，含水率為6.82%，干密度為1.23 g/cm3，天然孔隙比為1.21。

1.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù)黃土地區(qū)輸電線路T程特點(diǎn)以及黃土地基特殊的T程性質(zhì)，本次試驗(yàn)以擴(kuò)底形（ KTl）和直柱形（ ZTl）原狀土基礎(chǔ)為研究對象，根據(jù)750 kV輸電線路工程的荷載，設(shè)計出適用于工程的全尺寸試驗(yàn)基礎(chǔ)，如圖1所示。

兩種結(jié)構(gòu)形式的原狀土基礎(chǔ)均采用人工掏挖成孔，將事先制作完成的鋼筋骨架固定于基坑中，以土代模，一次澆筑成型。除存在擴(kuò)底與否的差異外，兩種基礎(chǔ)具有相同的配筋以及混凝土強(qiáng)度等級。基礎(chǔ)澆筑完成后達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)期時進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 加載裝置

試驗(yàn)基礎(chǔ)的水平荷載由滑輪組系統(tǒng)提供，滑輪組一端依次與拉力傳感器（用于測試滑輪組系統(tǒng)所施荷載）和試驗(yàn)基礎(chǔ)相連，另一端與反力地錨相連，中間經(jīng)轉(zhuǎn)向架調(diào)節(jié)，將荷載方向調(diào)整為水平向，整套加載系統(tǒng)沿斜坡傾向布置，如圖2所示。

1.4 測試原件布置

為了測量基礎(chǔ)的側(cè)向位移和旋轉(zhuǎn)角度，在試驗(yàn)基礎(chǔ)頂面以及沿水平力方向的基礎(chǔ)側(cè)面分別布置位移傳感器Sl～S6，如圖3所示。通過測讀Sl～S6傳感器的數(shù)值（S1～S6），按照式（1）和式（2）可確定基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角和水平位移。

為了獲得基礎(chǔ)周圍土體的應(yīng)力分布，分別在直柱形基礎(chǔ)的側(cè)壁、擴(kuò)底形基礎(chǔ)的側(cè)壁和基底布置一定數(shù)量的土壓力傳感器，如圖4所示。

1.5 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用慢速荷載維持法，具體加卸載方案、加卸載終止條件見文獻(xiàn)[17]。試驗(yàn)過程中，通過布置在基礎(chǔ)頂部的數(shù)字式電子位移傳感器直接采集并記錄基礎(chǔ)水平位移，通過土壓力傳感器采集并記錄樁土界面的土壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)荷載位移曲線

通過測讀每一級荷載下的水平位移，獲得試驗(yàn)基礎(chǔ)的水平荷載位移曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)荷載位移曲線整體變化規(guī)律相似，出現(xiàn)“直線一曲線一直線”三個特征階段。加載初期，水平荷載較小，基礎(chǔ)周圍土體在基礎(chǔ)側(cè)壁擠壓下逐漸加密，荷載位移曲線呈直線變化，該階段地基土體呈彈性變形性狀：隨著水平荷載的不斷增大，基礎(chǔ)周圍土體開始出現(xiàn)塑性區(qū)，荷載位移曲線呈現(xiàn)出變化率不斷增大的非線性變化趨勢，該階段地基土體呈現(xiàn)出塑性變形性狀：當(dāng)水平荷載增大到一定值時（ZTI為200kN，KT1為240 kN），荷載位移曲線變化率趨于穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)直線陡降，該階段地基土體塑性區(qū)已擴(kuò)大，基礎(chǔ)周圍土體出現(xiàn)整體破壞。

統(tǒng)計每一級荷載作用下位移傳感器Sl～ S6的數(shù)據(jù)，通過式（1）換算，獲得荷載與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，荷載一轉(zhuǎn)角曲線與荷載一位移曲線整體變化趨勢相似，同樣呈現(xiàn)出“直線一曲線一直線”的三個變化階段。與荷載一位移曲線不同的是，當(dāng)水平荷載達(dá)到某一值時（ZT1對應(yīng)150kN、KT1對應(yīng)200 kN），荷載一轉(zhuǎn)角曲線突然發(fā)生翹起，隨后減小。

2.2 基礎(chǔ)水平承載力

按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范[17]，取水平位移10 mm對應(yīng)的水平荷載為基礎(chǔ)的極限承載力（見表1）。由表1可以看出，相同允許位移條件下，擴(kuò)底形基礎(chǔ)的水平承載力較直柱形基礎(chǔ)的大19%。原因是擴(kuò)底的設(shè)置使得土體在基礎(chǔ)底部產(chǎn)生一對大小相同、方向相反的反力（F1、f2），從而產(chǎn)生負(fù)彎矩，該彎矩方向與水平力產(chǎn)生的彎矩相反，起到阻止基礎(chǔ)側(cè)移或旋轉(zhuǎn)的作用，如圖7所示。

2.3 地基一基礎(chǔ)界面土壓力

通過處理預(yù)先埋置在土體內(nèi)部的土壓力傳感器的測試數(shù)據(jù)，分別獲得試驗(yàn)基礎(chǔ)的土壓力分布規(guī)律，如圖8所示。由圖8可以看出：無論是擴(kuò)底形基礎(chǔ)還是直柱形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)側(cè)壁的土壓力沿深度方向整體上都呈拋物線形分布，即迎土側(cè)土壓力首先隨深度的增大逐漸增大，達(dá)到某一峰值后轉(zhuǎn)而隨深度的增大逐漸減小，達(dá)到某一深度土壓力變?yōu)?（即反彎點(diǎn)），接著背土側(cè)土壓力隨深度增大逐漸增大，并在基礎(chǔ)埋深處達(dá)到最大值。試驗(yàn)基礎(chǔ)的反彎點(diǎn)可認(rèn)為是基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動中心，兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)的反彎點(diǎn)位置不同。直柱形基礎(chǔ)反彎點(diǎn)位置位于距離地面3.54 m深度處，擴(kuò)底形基礎(chǔ)反彎點(diǎn)位置與直柱形基礎(chǔ)相比出現(xiàn)下移，在距離地面4.19 m深度處，與擴(kuò)底的起擴(kuò)點(diǎn)位置相當(dāng)。位于擴(kuò)底形基礎(chǔ)KT1下坡側(cè)的基底土壓力為負(fù)值（受壓），上坡側(cè)土壓力為正值（受拉），且越偏離基礎(chǔ)中心，其值越大。基底土壓力正、負(fù)值變號處位于靠近基底中心且偏下坡側(cè)的位置，表明基礎(chǔ)在水平荷載作用下基底有沿垂直于水平力方向軸向轉(zhuǎn)動的趨勢，并且轉(zhuǎn)動軸的位置偏向下坡側(cè)。

2.4 地基破壞模式

試驗(yàn)結(jié)束后，通過量測分布于坡面的裂縫范圍和尺寸，獲得斜坡地基的破壞面，如圖9所示。由圖9可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)基礎(chǔ)在下坡側(cè)均出現(xiàn)大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，以上破壞特征以水平力作用線為軸呈對稱性分布，這一點(diǎn)與鄧凡13]的模型試驗(yàn)結(jié)果相同。擴(kuò)底形基礎(chǔ)破壞時地基影響范圍較直柱形的大，擴(kuò)底形基礎(chǔ)影響范圍為2.9 m（即2.9倍立柱直徑），直柱形基礎(chǔ)影響范圍為1.4 m（即1.4倍立柱直徑）。原因是擴(kuò)底的設(shè)置增大了基底的抵抗力矩，使基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心位置降低，增強(qiáng)了土體對于基礎(chǔ)的嵌固作用，這種作用導(dǎo)致更深的土體受到了基礎(chǔ)側(cè)移造成的影響，從而擴(kuò)大了基礎(chǔ)破壞時地基土體的發(fā)展深度和影響范圍。

3 結(jié)論

本文在β= 20°的黃土斜坡地基上開展了擴(kuò)底形和直柱形基礎(chǔ)的現(xiàn)場水平承載特性試驗(yàn)，對比分析了兩種基礎(chǔ)荷載一位移曲線、水平承載力、界面土壓力、地基破壞模式等的差異。主要結(jié)論如下：

（1）兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)的水平荷載一位移曲線、水平荷載一轉(zhuǎn)角曲線均呈現(xiàn)出“直線一曲線一直線”三個變化階段。與荷載位移曲線不同的是，荷載一轉(zhuǎn)角曲線在臨近曲線段末尾處突然發(fā)生翹起，隨后呈直線減小，直柱形與擴(kuò)底形基礎(chǔ)的翹起點(diǎn)對應(yīng)的水平荷載分別為150 kN和200 kN。

（2）與直柱形基礎(chǔ)相比，擴(kuò)底形基礎(chǔ)具有更大的水平承載力，以及更寬的裂縫開展范圍，原因是擴(kuò)底的設(shè)置增大了基底的抵抗力矩，使得基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動中心發(fā)生下移。

（3）水平荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力沿深度方向整體均呈拋物線形分布，基底有沿垂直于水平力方向軸向轉(zhuǎn)動的趨勢。對于擴(kuò)底形基礎(chǔ)，斜坡的存在使得基底轉(zhuǎn)動軸的位置更偏向于下坡側(cè)。

（4）基礎(chǔ)破壞時，地基土體呈現(xiàn)出以水平力作用線為軸的對稱性破壞，具體表現(xiàn)為基礎(chǔ)下坡側(cè)周邊產(chǎn)生大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，擴(kuò)底形基礎(chǔ)破壞范圍和深度均較直柱形基礎(chǔ)大。

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