楊森林，陳 旭，汪 皓，張 君，范銳

(1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司， 青海 西寧 810001；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.青海送變電工程有限公司，青海 西寧 810001；4.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司建設(shè)公司，青海 西寧 810001 )

0 引言

輸電塔基礎(chǔ)是輸電線路的重要組成部分，某些條件下常規(guī)基礎(chǔ)承載力往往不能滿足使用要求，因而采用新型掏挖類變截面根鍵基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱“根鍵基礎(chǔ)”)[1]，該基礎(chǔ)主要是在傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)的側(cè)面植入根鍵而形成，基礎(chǔ)樁體側(cè)面植入的根鍵可以有效發(fā)揮周圍原狀土的作用而抵抗上部荷載，提高基礎(chǔ)的承載力，減小基礎(chǔ)的變形。部分學(xué)者從室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)等方面對(duì)其承載特性進(jìn)行了研究，如徐亮[2]和桂美兵[3]等通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)根鍵樁的根鍵布置和層數(shù)對(duì)承載力的影響進(jìn)行了探究，提出了根鍵優(yōu)化布置的建議。葛楠[4]等和袁乾坤[5]通過(guò)對(duì)普通抗拔樁和根鍵式抗拔樁的對(duì)比分析，得出了根鍵交錯(cuò)排列方式有助于提高根鍵發(fā)揮效率和基礎(chǔ)抗拔承載力的結(jié)論。

通常情況下，由于輸電線路及塔基自重較小，其主要控制荷載為上拔荷載，尤其在高海拔地區(qū)風(fēng)荷載作用下導(dǎo)致根鍵基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的上拔力，但目前根鍵基礎(chǔ)承載特性研究多數(shù)采用樁頂靜載的方式，無(wú)法合理解釋上拔荷載作用下根鍵基礎(chǔ)的受力特性。因此本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)分析不同根鍵層數(shù)的根鍵基礎(chǔ)抗拔承載力特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

本次試驗(yàn)場(chǎng)地位于青海省海東市互助土族自治縣，北倚祁連山脈，海拔3 600 m 左右，屬大陸寒溫帶氣候[6]。試驗(yàn)樁孔掏挖過(guò)程中，每間隔1 m 取原狀土樣，土樣物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1 所列。

表1 現(xiàn)場(chǎng)土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 基礎(chǔ)形式

根鍵基礎(chǔ)作為異形變截面基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比較增加了根鍵，而根鍵的存在能夠有效提高基礎(chǔ)與周圍土體接觸面積，減少構(gòu)件重量及數(shù)量，利用基礎(chǔ)周圍土體的原狀性，提高基礎(chǔ)承載性能[1]。本文研究的基礎(chǔ)形式主要為單層根鍵基礎(chǔ)和雙層根鍵基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)由傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)和植入的根鍵2 個(gè)部分組成，如圖1 所示。

圖1 根鍵基礎(chǔ)形式

1.3 試驗(yàn)方案

表2 上拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.3.1 施工流程

試驗(yàn)設(shè)計(jì)根鍵基礎(chǔ)樁徑1.2 m，埋深為3 m，每層沿井壁均勻布置8 根根鍵。根鍵采用H 型鋼制作，H 型鋼規(guī)格為200 mm×204 mm×12 mm×12 mm，頂進(jìn)周圍原狀土體0.6 m 深。單層根鍵基礎(chǔ)根鍵埋深2.6 m，雙層根鍵基礎(chǔ)第一層根鍵埋深1.5 m、第二層根鍵埋深2.6 m。根鍵采用液壓千斤頂對(duì)向頂進(jìn)孔壁原狀土，預(yù)留長(zhǎng)度為0.2 m，完成植入根鍵和鋼筋籠綁扎后澆筑C30 混凝土，待達(dá)到混凝土養(yǎng)護(hù)周期后，進(jìn)行上拔加載試驗(yàn)。施工具體流程：樁孔掏挖—根鍵植入—鋼筋籠綁扎—澆灌混凝土。

1.3.2 上拔試驗(yàn)加載裝置

上拔試驗(yàn)加載系統(tǒng)主要由反力樁、鋼梁、高強(qiáng)螺紋鋼、5 000 kN 千斤頂、加載錨板及螺紋鋼螺帽組成。為避免在上拔加載過(guò)程中反力基礎(chǔ)沉降過(guò)大影響試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)中所有反力基礎(chǔ)均采用擴(kuò)底基礎(chǔ)，其埋深為5 m，擴(kuò)底樁底部直徑為2 m，上部樁身直徑為1.2 m；將反力鋼梁置于兩反力基礎(chǔ)上部，千斤頂置于反力鋼梁中心位置并保證與錨板在同一軸線上；通過(guò)高強(qiáng)螺紋鋼和螺紋鋼螺帽與基礎(chǔ)加載板錨固。上拔加載系統(tǒng)布置如圖2 所示。

圖2 上拔加載系統(tǒng)

1.3.3 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)上拔加載方法采用JGJ 106—2002《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]中的慢速維持荷載法，采用液壓千斤頂進(jìn)行分級(jí)加載，上拔最大位移量控制在20 mm。

1.3.4 數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備

為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)豎向位移，采用了電子位移傳感器進(jìn)行量測(cè)，進(jìn)行上拔荷載試驗(yàn)時(shí)，在基礎(chǔ)樁身頂部對(duì)稱布置2 只量程為50 mm 位移傳感器。為了測(cè)量基礎(chǔ)樁身應(yīng)力變化，在基礎(chǔ)不同埋深的各截面對(duì)稱布置6 只電阻應(yīng)變式鋼筋計(jì)。為了分析根鍵在原狀土中的應(yīng)力變化，每層根鍵均在3 個(gè)正方向根鍵上下翼板和腹板兩側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在原狀土和混凝土界面處。

蕭澗秋將信讀了好幾遍,簡(jiǎn)直已經(jīng)讀出陶嵐寫這信時(shí)的一種幽怨?fàn)顟B(tài),但他還是兩眼不轉(zhuǎn)移地注視著她底秀勁撩草的筆跡上,要推敲到她心之極遠(yuǎn)處一樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 上拔荷載—位移曲線分析

圖3 為加載過(guò)程中得到的上拔荷載—位移曲線。由圖3 可知，在加載初期基礎(chǔ)位移變化比較緩慢，在上拔荷載小于400 kN 時(shí)，2 種基礎(chǔ)的豎向位移量都小于3 mm，在上拔荷載達(dá)到500 kN 時(shí)單層根鍵基礎(chǔ)位移量為3.6 mm，而雙層根鍵基礎(chǔ)的位移量為0.7 mm。當(dāng)上拔荷載達(dá)到大于800 kN 時(shí)基礎(chǔ)位移曲線發(fā)生突變，2 種基礎(chǔ)的位移都急速加劇，可知根鍵基礎(chǔ)抗拔極限荷載為800 kN，高于傳統(tǒng)的掏挖類樁基礎(chǔ)的抗拔承載力[8]?？偟膩?lái)說(shuō)，增加一層根鍵對(duì)豎向抗拔極限承載力并未有太大的提升，但在不發(fā)生破壞的情況時(shí)，相同上拔荷載條件下雙層根鍵基礎(chǔ)的位移量小于單層根鍵基礎(chǔ)。

圖3 上拔荷載位移曲線

2.2 軸力分布分析

本次試驗(yàn)雖然樁身混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度，但在分析施加豎向上拔荷載過(guò)程中基礎(chǔ)樁身軸力分布時(shí)，不能忽略混凝土的抗拉強(qiáng)度。本文采用GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中的混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系對(duì)混凝土的受力進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 根鍵基礎(chǔ)軸力分析

圖4 中(a)和(b)分別是單層根鍵基礎(chǔ)和雙層根鍵基礎(chǔ)在不同荷載情況下軸力隨深度的分布圖。由圖5 可知，2 種基礎(chǔ)的軸力都隨著基礎(chǔ)埋深的增大而減小，在上拔荷載較小時(shí)，基礎(chǔ)樁體的軸力分布還比較均勻；隨著上拔荷載的增大，在樁體埋深1.7 m 以上的部位，軸力衰減較小且分布比較均勻，但在1.7 m 以下的部分，軸力的衰減較快且逐漸向基礎(chǔ)底部傳遞，符合荷載傳遞規(guī)律。根鍵基礎(chǔ)的軸力分布在靠近底部的根鍵處發(fā)生明顯的突變，但對(duì)于雙層根鍵基礎(chǔ)中埋深較淺的上層根鍵處的軸力分布則沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象，說(shuō)明根鍵作用的發(fā)揮具有深度效應(yīng)。而且基礎(chǔ)樁身軸力分布曲線斜率均在根鍵位置有突變現(xiàn)象，且單層根鍵基礎(chǔ)最為突出，說(shuō)明根鍵基礎(chǔ)對(duì)豎向上拔荷載的抵抗作用主要發(fā)生在根鍵位置。

圖4 根鍵基礎(chǔ)豎向上拔軸力分布圖

圖5 根鍵基礎(chǔ)豎向上拔側(cè)摩阻力分布圖

2.3 側(cè)摩阻力分布分析

圖5 中 (a)和(b)分別為單層根鍵基礎(chǔ)和雙層根鍵基礎(chǔ)的側(cè)摩阻力隨埋深變化情況。根鍵基礎(chǔ)側(cè)摩阻力的發(fā)揮過(guò)程是由軸力的變化來(lái)進(jìn)行反映，由圖5 可知，當(dāng)根鍵埋深附近出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，側(cè)摩阻力出現(xiàn)峰值效應(yīng)，且峰值影響深度集中在2.75 m 位置。單層根鍵基礎(chǔ)在根鍵位置突變，說(shuō)明根鍵阻力發(fā)揮較大作用；對(duì)于雙層根鍵基礎(chǔ)而言，由于雙層根鍵基礎(chǔ)上下層根鍵均發(fā)揮豎向抗拔作用，而上層根鍵埋深較淺，根鍵上覆土壓力較小，所以側(cè)摩阻力變化沒(méi)有突變現(xiàn)象，峰值效應(yīng)不明顯。說(shuō)明兩個(gè)基礎(chǔ)側(cè)摩阻力影響類型不同。

根鍵基礎(chǔ)在豎向上拔荷載較小時(shí)，根鍵帶動(dòng)上部土體一起上拔，減小了土中應(yīng)力，說(shuō)明對(duì)于雙層根鍵基礎(chǔ)，埋深很淺的上層根鍵對(duì)豎向上拔位移量的控制效果不明顯，上層土體在上拔過(guò)程中先行發(fā)生剪切破壞，這也是兩個(gè)基礎(chǔ)在豎向上拔極限承載力相差不大的原因。

2.4 根鍵彎矩分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)樁身與根鍵交互位置對(duì)稱貼有電阻應(yīng)變片。上拔過(guò)程中，由于應(yīng)變片對(duì)稱布置，每個(gè)根鍵以及同層根鍵受力狀況是一樣的，如圖6 所示。在加載初期，根鍵上翼板與原狀土接觸，豎向上拔荷載會(huì)使根鍵產(chǎn)生相反的抵抗力來(lái)平衡上拔力。但在豎向上拔過(guò)程中，根鍵彎矩隨荷載的增加整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明根鍵對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的豎向位移有控制作用。兩個(gè)基礎(chǔ)的根鍵均在特定荷載值段使彎矩先減小再增加，該荷載值都為極限荷載的前一級(jí)荷載700 kN。由荷載位移曲線可以看出，此時(shí)處在位移增長(zhǎng)率最大的時(shí)候，說(shuō)明此時(shí)所施加的荷載不穩(wěn)定，處于位移增長(zhǎng)失控的前期，這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象契合。

圖6 根鍵基礎(chǔ)豎向上拔根鍵彎矩圖

相同荷載工況條件下，雙層根鍵基礎(chǔ)上下兩層根鍵彎矩之和大約與單層根鍵基礎(chǔ)彎矩相同，雙層根鍵基礎(chǔ)的下層根鍵所受彎矩比上層根鍵大，說(shuō)明在豎向上拔過(guò)程中，上層根鍵周圍的原狀土應(yīng)力小，抗剪強(qiáng)度低，對(duì)豎向上拔荷載敏感，上拔過(guò)程中先于下層根鍵產(chǎn)生豎向應(yīng)力，反映出根鍵基礎(chǔ)荷載傳遞規(guī)律也是從基礎(chǔ)頂部到上層根鍵先行傳播的機(jī)理。

根鍵上的應(yīng)力分布和彎矩變化接近于懸臂梁受均布荷載情況。均布荷載的大小與所受豎向上拔荷載的大小、根鍵周圍土體物理力學(xué)性質(zhì)及根鍵密度等因素有關(guān)。當(dāng)根鍵密度較大時(shí)，各個(gè)根鍵獨(dú)立承擔(dān)上拔荷載，其上均布荷載和彎矩較大；當(dāng)根鍵密度較小時(shí)，根鍵上部土體可能形成土拱效應(yīng)，同根鍵一起抵抗上部荷載，故此時(shí)根鍵上部均布荷載和彎矩較小。

3 結(jié)論

根據(jù)本次試驗(yàn)可得到以下結(jié)論：

1)輸電塔不同根鍵層數(shù)的根鍵基礎(chǔ)在不發(fā)生破壞的情況時(shí)，相同荷載條件下，雙層根鍵基礎(chǔ)的位移量小于單層根鍵基礎(chǔ)，相同位移條件下雙層根鍵基礎(chǔ)比單層根鍵基礎(chǔ)的抗拔承載力更高。

2)與傳統(tǒng)掏挖類基礎(chǔ)相比，根鍵基礎(chǔ)豎向抗拔性能更加優(yōu)越，且大部分抗拔力由根鍵提供。

3)根鍵基礎(chǔ)的軸力分布在靠近基礎(chǔ)底部的根鍵處發(fā)生較為明顯的突變，但是雙層根鍵基礎(chǔ)作用效果不明顯，說(shuō)明根鍵作用的發(fā)揮具有深度效應(yīng)。

4)根鍵上的應(yīng)力分布和彎矩變化與懸臂梁受均布荷載情況類似，其大小與上拔荷載的大小、土體物理力學(xué)性質(zhì)及根鍵密度等因素有關(guān)。