丁士君,魯先龍,鄭衛(wèi)鋒
(中國(guó)電力科學(xué)研究院,北京100192)
由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)和諧發(fā)展的迫切要求,輸電線路工程建設(shè)中環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到重視[1],我國(guó)相關(guān)法規(guī)和技術(shù)規(guī)程都對(duì)電力工程建設(shè)中的環(huán)保提出了明確要求[2-3]。從輸電線路基礎(chǔ)工程的角度來(lái)說(shuō),需因地制宜、合理選擇基礎(chǔ)型式對(duì)減少環(huán)境破壞、節(jié)約材料至關(guān)重要[4]。
對(duì)于地表由薄粘土層覆蓋,其下部為風(fēng)化巖層,或者原狀粘土層-全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化巖層連續(xù)分布的場(chǎng)地,若輸電線路桿塔基礎(chǔ)還采用傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型式,如大開(kāi)挖基礎(chǔ)、原狀土掏挖基礎(chǔ)或巖石嵌固式基礎(chǔ),均不符合經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求。如采用大開(kāi)挖基礎(chǔ),易造成環(huán)境破壞面積廣,基礎(chǔ)工程耗材量大,且運(yùn)輸?shù)瘸杀靖?;如采用原狀土掏挖基礎(chǔ),一般原狀土層厚度不夠,無(wú)法滿足桿塔荷載要求;如采用巖石嵌固式基礎(chǔ)[2-5],需將表層粘土換填,造成表層原狀土浪費(fèi),且開(kāi)挖量增大,不利于環(huán)境保護(hù)。因此,對(duì)于表層由薄原狀土粘層覆蓋的風(fēng)化巖體地基,選擇新型環(huán)保型復(fù)合式基礎(chǔ)型式,在上部原狀粘土層中進(jìn)行掏挖,在下部巖體中進(jìn)行巖石嵌固式基礎(chǔ),不僅能有效滿足桿塔荷載的要求,且安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保,符合輸電線路“兩型三新”建設(shè)的目標(biāo)。
試驗(yàn)場(chǎng)地的巖土層分布如下:
1)黏性土、殘積土構(gòu)成的原狀土層,厚度為1.8耀2.5 m,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)[6-7],得到其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示,上部黏性土灰黑色,土質(zhì)較均勻,弱凍脹;下部殘積土灰黃色,含風(fēng)化成的細(xì)砂。
表1 原狀土層基本物理力學(xué)性質(zhì)
2)原狀土層下部至7.0 m范圍內(nèi)為強(qiáng)耀中風(fēng)化硬質(zhì)砂巖,灰黃色,夾泥巖,該巖層抗剪強(qiáng)度取為30 kPa[2]。
掏挖與嵌固復(fù)合式試驗(yàn)基礎(chǔ)樣式如圖1所示,設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表2。
圖1 掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)
表2 試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸與數(shù)量
掏挖與嵌固復(fù)合式試驗(yàn)基礎(chǔ)坑主要采用人工掏挖,并輔助小型機(jī)械的施工方式,先完成掏挖構(gòu)件坑,再掏挖嵌固構(gòu)件坑,成孔過(guò)程順利,坑壁穩(wěn)定。
載荷試驗(yàn)采用慢速荷載維持法,具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見(jiàn)相關(guān)規(guī)范[2,8]。
圖2為復(fù)合式基礎(chǔ)荷載-位移關(guān)系曲線,其中,TW1、TQ3進(jìn)行上拔荷載與水平荷載聯(lián)合加載,其余基礎(chǔ)單純進(jìn)行上拔加載。
根據(jù)圖2的試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系,及地基的裂縫開(kāi)裂、基頂位移、最大穩(wěn)定加載情況,得到基礎(chǔ)極限承載力,如表3所示。
圖2 載荷試驗(yàn)荷載與位移關(guān)系曲線圖
表3 試驗(yàn)基礎(chǔ)極限承載力及取值依據(jù)
試驗(yàn)基礎(chǔ)破壞時(shí),主要表現(xiàn)如下。
1)原狀土掏挖基礎(chǔ):破壞狀態(tài)表現(xiàn)形式主要以基頂位移過(guò)大為主,在上拔原水平作用工況下水平位移過(guò)大,伴隨地表裂縫出現(xiàn)。
2)復(fù)合式基礎(chǔ):試驗(yàn)未加載至地基與基礎(chǔ)破壞狀態(tài),但水平位移達(dá)到極限位移狀態(tài)。
復(fù)合式基礎(chǔ)極限抗拔承載力理論計(jì)算如下:
式中,Tu、Tu1和Tu2分別為復(fù)合式基礎(chǔ)、全掏挖和嵌固構(gòu)件的極限抗拔承載力,kN;kD和kQ分別為掏挖和嵌固構(gòu)件的抗拔發(fā)揮程度系數(shù);Qf為基礎(chǔ)自重,kN。
全掏挖構(gòu)件抗拔承載力Tu1按“剪切法”[2,9]計(jì)算,嵌固構(gòu)件Tu3由錐角為琢越90毅的倒錐體側(cè)壁破裂面剪切應(yīng)力豎向分量計(jì)算[2],即:
式中,γs為巖土體等代抗剪強(qiáng)度,kPa;D0為嵌固基礎(chǔ)構(gòu)件基底直徑,m;h和h0分別為嵌固和掏挖構(gòu)件抗拔承載力計(jì)算深度,m。
由于巖石嵌固基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算不考慮巖體重量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響,即巖體剪切破裂面上抗剪強(qiáng)度為定值,掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)也同樣處理,另外,掏挖與嵌固構(gòu)件破裂面不重疊(如圖3所示),因此,h=h0+h1,其中,h1為嵌固構(gòu)件長(zhǎng)度(如圖1所示),巖土體等代抗剪強(qiáng)度γs由土層與巖層的抗剪強(qiáng)度按厚度加權(quán)平均取值。
圖3 復(fù)合式基礎(chǔ)上拔破裂面
以掏挖構(gòu)件和嵌固構(gòu)件的交界處正截面為分析對(duì)象,則掏挖垣嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)的極限狀態(tài)彎矩平衡方程如下:
式中,Mh為掏挖基底作用彎矩,kN·m;Mt為掏挖基底土壓力引起的抵抗彎矩,kN·m;MQ為嵌固構(gòu)件抵抗彎矩,kN·m。
1)Mh的計(jì)算。Mh是外荷載對(duì)掏挖構(gòu)件基底彎矩作用減去基礎(chǔ)側(cè)壁水平抗力對(duì)掏挖構(gòu)件基底彎矩作用,復(fù)合基礎(chǔ)中掏挖構(gòu)件按剛性考慮,側(cè)壁土壓力計(jì)算采用“m法”[2,10],基底彎矩Mh按下式計(jì)算:
式中,d為掏挖構(gòu)件立柱計(jì)算直徑,m,當(dāng)立柱實(shí)際直徑d0臆1 m時(shí),取d=0.9(1.5d0+0.5);當(dāng)d0躍1 m時(shí),取d=0.9(d0+1)[2];H為基頂水平荷載,kN;h0為掏挖構(gòu)件埋深,m;△h為水平荷載距地表高度,m;棕為基礎(chǔ)傾覆極限狀態(tài)時(shí)立柱旋轉(zhuǎn)角,rad;zA為基礎(chǔ)立柱豎向傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心,m;m為水平抗力地基系數(shù),kN/m4。
TW1和TQ3基礎(chǔ)在上拔與水平荷載復(fù)合作用下,傾覆穩(wěn)定極限狀態(tài)主要以水平極限位移為控制條件,TW1基礎(chǔ)側(cè)壁與地基土間壓力測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖4)表明,轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)位于擴(kuò)大端埋深范圍內(nèi),這里取為zA=h0-0.2,代入式(4)變換如下:
式中,剛性基礎(chǔ)傾覆轉(zhuǎn)角為棕=s0/(h0-0.2);s0為地表處基礎(chǔ)水平位移,m。
圖4 試驗(yàn)基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖
2)Mt的計(jì)算。根據(jù)相關(guān)研究成果[2],同一土層豎向抗壓地基系數(shù)是水平抗力地基系數(shù)的10倍,且按彈性地基考慮,則基底土抗力抵抗彎矩為:
式中,D為掏挖構(gòu)件擴(kuò)底直徑,m;W為擴(kuò)底截面抵抗矩,m3。
3)MQ的計(jì)算。由于巖石嵌固基礎(chǔ)不計(jì)算巖體的抗傾覆作用,認(rèn)為其抗傾覆能力滿足一般上部桿塔結(jié)構(gòu)荷載要求,復(fù)合式基礎(chǔ)嵌固構(gòu)件同樣如此,則其抗傾覆能力由基礎(chǔ)混凝土立柱正截面抗彎能力控制。因此,根據(jù)文獻(xiàn)2,考慮彎矩較小和截面處于彈性狀態(tài),MQ由嵌固構(gòu)件頂部截面抗彎承載能力計(jì)算如下:
式中,As為正截面全部縱向鋼筋面積,m2;rs為截面中心與縱向鋼筋截面中心距離,m;△滓y為鋼筋最大拉應(yīng)力與中性軸鋼筋拉應(yīng)力差值,MPa,即有△滓y=△著·Es,△著為對(duì)應(yīng)應(yīng)變差,Es為鋼筋彈性模量[11]。
當(dāng)掏挖構(gòu)件按剛性考慮,則嵌固構(gòu)件頂面的轉(zhuǎn)角為棕(計(jì)算示意見(jiàn)圖5),構(gòu)件彎曲半徑籽=h1/棕,根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)[12],得到△著=rg·棕/h1,即有:
圖5 嵌固構(gòu)件彎曲示意圖
式中參數(shù)意義同前。
對(duì)于全掏挖基礎(chǔ),傾覆平衡方程Mh=Mt,得:
對(duì)于復(fù)合式基礎(chǔ),由式(3)和式(4)聯(lián)立變換得到:
掏挖和嵌固構(gòu)件承載力發(fā)揮程度系數(shù)均取1.0。參照巖土體物理力學(xué)指標(biāo)和基礎(chǔ)尺寸參數(shù),復(fù)合式基礎(chǔ)極限承載力計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。其中,不考慮土重對(duì)嵌固構(gòu)件破裂面原狀土層段抗剪強(qiáng)度的影響,其豎向分量為sin45毅·c=19.0 kPa,因此,嵌固構(gòu)件計(jì)算深度內(nèi)巖土體等代抗剪強(qiáng)度為24.0 kPa。
從抗拔承載力的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比表明:
1)兩者較接近,考慮單向上拔荷載作用下試驗(yàn)基礎(chǔ)未加載至破壞狀態(tài),因此,關(guān)于掏挖垣嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)抗拔承載力計(jì)算方法可行。
2)考慮加載中復(fù)合式基礎(chǔ)的表現(xiàn)情況,嵌固構(gòu)件計(jì)算錨固深度可取為基底埋深,掏挖構(gòu)件和嵌固構(gòu)件發(fā)揮程度系數(shù)均可取為1.0。
表4 基礎(chǔ)抗拔極限承載力計(jì)算表
根據(jù)TW1全掏挖基礎(chǔ)和TQ3復(fù)合式基礎(chǔ)的載荷試驗(yàn)結(jié)果,按式(9)和式(10)計(jì)算地基土彈性抗力系數(shù)值,如表5所示,其中,TQ3基礎(chǔ)主筋采用HRB 335,As為123.2 cm2,rg為0.433 m。
表5 “m”值計(jì)算表
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可得到地基巖土對(duì)基礎(chǔ)側(cè)壁水平土壓力沿深度的分布如下。
TW1基礎(chǔ):pz=10.4伊1 000伊0.004 0伊(2.1z-z2)
TQ3基礎(chǔ):pz=9.2伊1 000伊0.004 2伊(2.1z-z2)
試驗(yàn)基礎(chǔ)側(cè)壁水平土壓力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖4。
由表5得該試驗(yàn)場(chǎng)地原狀土地基土彈性抗力系數(shù)平均值為9.8 MN/m4,按水平極限位移取10 mm控制,其他參數(shù)取值同前,已知“m”值時(shí)由式(9)和式(10)變換計(jì)算TW1和TQ3基礎(chǔ)水平承載力值如表6所示。
傾覆穩(wěn)定實(shí)例分析表明:
1)試驗(yàn)場(chǎng)地地表原狀土層的彈性抗力系數(shù)值為9.8 MN/m4。
2)當(dāng)掏挖基礎(chǔ)埋深較淺時(shí),基礎(chǔ)傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心豎向位置可通過(guò)實(shí)測(cè)確定,一般位于其擴(kuò)大端埋深范圍內(nèi)。
3)復(fù)合式基礎(chǔ)采用“m法”分析傾覆穩(wěn)定性是可行和可靠的,水平承載力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近,滿足工程設(shè)計(jì)計(jì)算需要。
表6 基礎(chǔ)水平承載力理論計(jì)算表
1)復(fù)合式基礎(chǔ)可充分發(fā)揮原狀土基礎(chǔ)和巖石基礎(chǔ)的承載能力,在上拔承載力計(jì)算分析時(shí),可取掏挖基礎(chǔ)與巖石嵌固式基礎(chǔ)的承載力之和。
2)復(fù)合式基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定分析采用“m法”是合理可靠的,能體現(xiàn)地基原狀土與基礎(chǔ)間相互作用規(guī)律。
綜合上述,針對(duì)地表由薄粘土層覆蓋,其下為風(fēng)化巖層的場(chǎng)地,采用掏挖與嵌固復(fù)合式基礎(chǔ)是較為安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的新型環(huán)保型基礎(chǔ),符合建設(shè)“兩型三新”輸電線路建設(shè)要求,可在輸電線路工程桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。
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