程永鋒，魯先龍，丁士君，張琰

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100192)

0 引言

桿塔基礎(chǔ)的造價(jià)、工期和勞動(dòng)消耗量在整個(gè)架空輸電線路工程中占很大比重［1-2］。輸電線路常用桿塔基礎(chǔ)型式都有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并具有相應(yīng)的工程適用條件，因地制宜進(jìn)行輸電線路桿塔基礎(chǔ)選型具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境意義。在我國(guó)山地和丘陵地區(qū)，比較廣泛地存在地表為2～3m上覆粘土層，土層以下為巖石地基的地質(zhì)條件［3］。隨著輸電電壓等級(jí)和基礎(chǔ)荷載的提高，選擇單一的掏挖基礎(chǔ)或巖石錨桿基礎(chǔ)，在大多數(shù)情況下不能滿足工程要求。此時(shí)，如將掏挖基礎(chǔ)與錨桿基礎(chǔ)組合使用，形成復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)，即在上部粘土層中應(yīng)用掏挖基礎(chǔ)，下部巖體中應(yīng)用巖石錨桿基礎(chǔ)，則可充分發(fā)揮2種地基條件的天然承載能力。但掏挖與巖石錨桿組合應(yīng)用的桿塔基礎(chǔ)屬于新型基礎(chǔ)型式，國(guó)內(nèi)沒有既定規(guī)范與成熟經(jīng)驗(yàn)參考［4］。輸電線路桿塔基礎(chǔ)在承受拉、壓交變荷載的同時(shí)，也承受著較大的水平荷載作用。通常情況下，基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)控制條件［5-7］。當(dāng)前，關(guān)于復(fù)合式基礎(chǔ)的抗拔承載特性和機(jī)理的研究成果較少。本文通過(guò)開展掏挖與巖石錨桿基礎(chǔ)組合使用的復(fù)合型基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)位移、分析其承載機(jī)理，提出了其上拔極限承載力計(jì)算方法，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)成果可為該類型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 場(chǎng)地條件

試驗(yàn)分別在A、B試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行。A場(chǎng)地表層為粉土，厚度為2.3m，深層為強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)砂巖。B場(chǎng)地表層為礫質(zhì)黏性土，厚度為1.6m，深層為強(qiáng)～中風(fēng)化硬質(zhì)板巖。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)［8-10］，得到 A、B場(chǎng)地表層土體主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 粘土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Main physic-mechanical index of soil

1.2 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在A、B場(chǎng)地分別進(jìn)行了掏挖與巖石錨桿組合應(yīng)用的復(fù)合型、掏挖和巖石錨桿3種基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)施工和試驗(yàn)工作，各基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 The sketch of test foundations

圖1 中d為掏挖基礎(chǔ)立柱直徑，m;H和h分別為基礎(chǔ)埋深和抗拔深度，m;L為地腳螺栓埋深，m。巖石錨桿基礎(chǔ)為2×2群錨基礎(chǔ)，錨孔直徑為110 mm，錨筋直徑為48 mm，地腳螺栓露出地面高度e均為0.2m。群錨基礎(chǔ)埋置于土層的鉆孔不澆注混凝土。各試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸如表2所示。

表2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸Tab.2 Design dimensions of test foundations

1.3 基礎(chǔ)施工

掏挖與巖石錨桿復(fù)合型基礎(chǔ)雖然是應(yīng)用于特殊場(chǎng)地條件下的基礎(chǔ)型式，其綜合應(yīng)用了掏挖基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)的施工工藝，但是復(fù)合型基礎(chǔ)與輸電線路一般基礎(chǔ)施工技術(shù)要求基本相同。復(fù)合型基礎(chǔ)施工工藝主要包括:現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查→編制施工方案與技術(shù)措施→基礎(chǔ)工程施工的準(zhǔn)備→基礎(chǔ)施工→施工驗(yàn)收。

試驗(yàn)中首先施工巖石錨桿基礎(chǔ)，然后進(jìn)行掏挖基礎(chǔ)施工，復(fù)合型基礎(chǔ)施工工藝流程及其要求如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)加載系統(tǒng)及加載方案

試驗(yàn)采用慢速維持荷載法［4］。試驗(yàn)前，以基礎(chǔ)預(yù)估極限荷載值的1/10為增量進(jìn)行荷載分級(jí)，確定每一級(jí)的荷載增量，試驗(yàn)第1次加載量為分級(jí)荷載增量的2倍，以后按分級(jí)荷載增量逐級(jí)等量加載，并自動(dòng)加載、補(bǔ)載與恒載。試驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖4所示，上拔力加載系統(tǒng)由經(jīng)加固的5根長(zhǎng)12m工字鋼梁、混凝土反力支座、千斤頂、連接螺栓、球形鉸和連接板等組成。反力支座中心距為10m，可消除反力支座對(duì)上拔范圍內(nèi)土體的影響。此外，球形鉸支座可消除加載偏心的影響。

圖4 基礎(chǔ)上拔加載系統(tǒng)Fig.4 Uplift loading system

2 試驗(yàn)基礎(chǔ)荷載位移特性及極限承載力

A、B場(chǎng)地基礎(chǔ)上拔荷載－位移曲線如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)上拔荷載－位移曲線Fig.5 Curves of uplift loading-displacement

根據(jù)圖5的上拔荷載－位移關(guān)系曲線及地基裂縫、基頂位移、最大穩(wěn)定加載情況，得到不同基礎(chǔ)的極限上拔承載力，如表3所示。

表3 基礎(chǔ)極限上拔承載力Tab.3 Ultimate uplift capacity of foundations

3 復(fù)合型基礎(chǔ)抗拔機(jī)理及承載力計(jì)算

3.1 抗拔承載機(jī)理分析

根據(jù)原狀土掏挖基礎(chǔ)抗拔荷載位移曲線變化規(guī)律，可將原狀土掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔承載機(jī)理概括為:“擴(kuò)大端土體壓縮擠密—基礎(chǔ)周圍土體塑性區(qū)出現(xiàn)和發(fā)展—土體整體剪切破壞”的漸進(jìn)破壞過(guò)程［11-12］。

巖石錨桿基礎(chǔ)是通過(guò)砂漿、細(xì)石混凝土等膠結(jié)材料將錨筋錨固于巖土體中的基礎(chǔ)，研究成果表明，錨桿基礎(chǔ)的上拔破壞形式主要有4種:錨筋被拉斷、錨筋從砂漿或細(xì)石混凝土中拔出、錨桿沿著與巖土體的結(jié)合面被拔出和巖土體沿結(jié)構(gòu)面整體破壞［13-16］。試驗(yàn)中，群錨基礎(chǔ)在極限狀態(tài)和試驗(yàn)最大加載條件下錨筋頂部和地表測(cè)點(diǎn)未發(fā)生錨筋被拉斷和巖土體沿結(jié)構(gòu)面整體破壞的破壞形式。巖石群錨試驗(yàn)基礎(chǔ)極限承載力由砂漿與錨筋間粘結(jié)能力或砂漿錨固體與巖土體間粘結(jié)強(qiáng)度決定。

掏挖與巖石錨桿復(fù)合型基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)破壞后地表裂縫情況如圖6所示。

圖6 復(fù)合基礎(chǔ)上拔破壞地表裂縫Fig.6 Uplift test failure cracks of composite foundation

對(duì)照掏挖基礎(chǔ)和復(fù)合型基礎(chǔ)試驗(yàn)基礎(chǔ)承載過(guò)程，其共同特征為:(1)2種基礎(chǔ)型式在上拔力作用下，都屬于地基土發(fā)生整體剪切破壞模式;(2)基礎(chǔ)達(dá)到破壞時(shí)，2種基礎(chǔ)地基土的主要裂縫分布形式類似;(3)從2種基礎(chǔ)達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)地表位移比較看，地基土發(fā)生顯著位移變化范圍基本一致，但復(fù)合型基礎(chǔ)抗拔承載力明顯增大，而基礎(chǔ)位移顯著減小。

因此，復(fù)合型基礎(chǔ)抗拔過(guò)程可以概括為以下3個(gè)階段:(1)在較小荷載作用下，上拔荷載主要由掏挖基礎(chǔ)自重以及基礎(chǔ)立柱側(cè)摩阻力承擔(dān);(2)隨著荷載進(jìn)一步增加，上拔荷載主要由掏挖基礎(chǔ)自重、土體滑動(dòng)面剪切面剪切阻力承擔(dān)，直至掏挖基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力;(3)在上拔荷載超過(guò)掏挖基礎(chǔ)極限承載力時(shí)，巖石錨桿基礎(chǔ)開始發(fā)揮承載作用，此時(shí)由掏挖基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)共同承擔(dān)上拔荷載，直至地基土體整體剪切破壞。

3.2 復(fù)合型基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算

綜合復(fù)合型基礎(chǔ)、掏挖原狀土基礎(chǔ)和群錨基礎(chǔ)的破壞形式和承載過(guò)程，掏挖與巖石錨桿復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)極限抗拔承載力理論計(jì)算公式為

式中:Tu為復(fù)合型基礎(chǔ)的極限抗拔承載力，kN;Ttwu為全掏挖原狀土基礎(chǔ)的極限抗拔承載力，kN，按式(2)計(jì)算;為巖石錨桿基礎(chǔ)的極限抗拔承載力，按式(3)和式(4)計(jì)算，取二者中的較小值;ktw為掏挖基礎(chǔ)的承載力發(fā)揮系數(shù)，ktw≤1;kys為錨桿基礎(chǔ)的承載力發(fā)揮系數(shù)，kys≤1。

文獻(xiàn)［11－12］提出了原狀土掏挖基礎(chǔ)抗拔極限承載力計(jì)算公式為

式中:A1、A2為與土體內(nèi)摩擦角和基礎(chǔ)埋深與底板寬度比值(h/D)相關(guān)的無(wú)因次計(jì)算常數(shù);c為土體粘聚力;γ為土體重度;h為基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算埋深;Qf為基礎(chǔ)自重力。掏挖基礎(chǔ)抗拔極限承載力計(jì)算值如表4所示。

表4 掏挖基礎(chǔ)極限上拔承載力Tab.4 Ultimate uplift capacity of excavated foundation

根據(jù)本文巖石錨桿基礎(chǔ)承載試驗(yàn)結(jié)果，可按照式(3)和(4)計(jì)算，取二者中的較小值［4］。

式中:Tu，a為錨筋與砂漿間粘結(jié)承載力;d0為錨筋直徑;l0為錨筋的有效錨固長(zhǎng)度;τa為錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度;Tu，b為錨桿錨固體與基巖孔壁間粘結(jié)承載力;D0為錨桿直徑;h0為錨桿的有效錨固深度;τb為砂漿或細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度。

其中，τa和τb分別根據(jù)式(5)和(6)計(jì)算確定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算群錨基礎(chǔ)錨筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度和砂漿或細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，計(jì)算得到的A、B場(chǎng)地錨筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度分別為452和597 kPa，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［4］的建議值(M25砂漿τa取2 500 kPa);計(jì)算得到的A、B場(chǎng)地砂漿或細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度分別為197和260 kPa，與文獻(xiàn)［4］取值基本吻合(強(qiáng)風(fēng)化巖與混凝土間粘結(jié)強(qiáng)度取值為100～500 kPa)。綜上可知，本次試驗(yàn)群錨基礎(chǔ)的破壞形式更接近錨固體被拔出破壞。

表5 巖石粘結(jié)強(qiáng)度Tab.5 Bond strength of rock

根據(jù)試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，將復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)極限抗拔承載力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如表6所示。

表6 復(fù)合型基礎(chǔ)上拔極限承載力試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果比較Tab.6 Comparison between the test and calculation results of ultimate uplift bearing capacity of composite foundations

由表6可知，掏挖基礎(chǔ)和錨桿基礎(chǔ)的承載力發(fā)揮系數(shù)取1.0，此時(shí)，復(fù)合型基礎(chǔ)極限上拔承載力的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。因此，可以采用公式(1)～(6)計(jì)算掏挖和錨桿復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)的抗拔承載力。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工和試驗(yàn)結(jié)果表明，掏挖和巖石錨桿基礎(chǔ)組合應(yīng)用的復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)可以應(yīng)用于地表為土層覆蓋、其下為風(fēng)化巖層的地基條件，充分利用2種天然地基的承載力，復(fù)合型基礎(chǔ)具有良好的承載性能。

(2)掏挖和巖石錨桿復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)在上拔荷載作用下，呈現(xiàn)掏挖基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)立柱側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載、掏挖基礎(chǔ)極限承載、掏挖基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)共同承擔(dān)上拔荷載并直至地基土體整體剪切破壞的3個(gè)階段。

(3)掏挖與巖石錨桿復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)極限抗拔承載力計(jì)算時(shí)，可取掏挖基礎(chǔ)與群錨基礎(chǔ)的承載力之和，即兩者的承載力發(fā)揮系數(shù)均可取1.0。但該系數(shù)的取值，與地基條件、基礎(chǔ)尺寸大小和加載條件等因素有關(guān)，需要開展進(jìn)一步的深入研究。

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