基礎(chǔ)尺寸對(duì)碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔承載力影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

崔強(qiáng)，童瑞銘，劉生奎，魯先龍

(1 中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 102401；2 甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州 730050)

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基礎(chǔ)尺寸對(duì)碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔承載力影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

崔強(qiáng)1，童瑞銘1，劉生奎2，魯先龍1

(1 中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 102401；2 甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州 730050)

碎石土；原狀土；輸電線路；擴(kuò)底基礎(chǔ)；上拔承載力

原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)(輸電線路工程中又稱(chēng)“掏挖基礎(chǔ)”)是指利用人工或機(jī)械的方法在原狀土地基中鉆(挖)成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)外形的基坑，然后將鋼筋骨架和混凝土直接澆注于基坑而成的原狀土基礎(chǔ)，已廣泛應(yīng)用于輸電線路、高聳建筑物等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)工程中。此類(lèi)基礎(chǔ)的上拔承載力主要受基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、基礎(chǔ)幾何特征及其周?chē)馏w的物理力學(xué)性質(zhì)影響。在高電壓等級(jí)輸電線路中，桿塔基礎(chǔ)往往承受幾百?lài)嵞酥辽锨嵉纳习魏奢d。在工程設(shè)計(jì)中，為了提高基礎(chǔ)承載力，往往通過(guò)增加樁徑、埋深及擴(kuò)大頭的尺寸等一系列技術(shù)手段來(lái)提高基礎(chǔ)的上拔承載力。然而，如何確定最優(yōu)的基礎(chǔ)尺寸、使基礎(chǔ)上拔承載力最大是基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

針對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載特性影響因素也有一些研究。Matsuo[7-8]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了砂土和黏土中擴(kuò)大頭形狀對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響，表明在底板混凝土方量一定條件下，圓形擴(kuò)大頭較方形擴(kuò)大頭承載能力高；Dickin等[9-10]通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)分析了埋深、擴(kuò)底直徑、填土密度和基底擴(kuò)展角對(duì)砂土中擴(kuò)底樁上拔特性的影響；Hesham等[11]通過(guò)模型試驗(yàn)分析了砂土中錐形樁的承載力隨圍壓增長(zhǎng)的變化規(guī)律，得出高圍壓下錐形樁的上拔承載力與等截面樁上拔承載力相差不大的結(jié)論；劉文白等[12]應(yīng)用顆粒流理論研究了黃土中擴(kuò)底樁抗拔承載特性，發(fā)現(xiàn)增加擴(kuò)底樁擴(kuò)大段的高度對(duì)提高承載力有效；陳仁朋等[13]通過(guò)大尺寸模型試驗(yàn)得出在非飽和及飽和粉土中，擴(kuò)底樁深寬比在1～3范圍內(nèi)變化時(shí)，上拔極限承載力對(duì)應(yīng)的上拔位移基本不變，當(dāng)深寬比達(dá)到5時(shí)，上拔位移有顯著增加；喻皓[14]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出黏土地基條件下，短樁的擴(kuò)大頭對(duì)樁體的變形影響較大，而長(zhǎng)樁影響較??；李保中等[15]研究了主柱和擴(kuò)底尺寸對(duì)中國(guó)500 kV線路工程中粉土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔、下壓余度的影響規(guī)律。上述研究的對(duì)象均為細(xì)粒土中的抗拔基礎(chǔ)，而針對(duì)碎石土這類(lèi)粗粒土中的基礎(chǔ)抗拔承載特性均未涉及。

綜上所述，目前針對(duì)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)對(duì)碎石土地基擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔承載特性的研究較少。筆者以戈壁灘碎石土地基中的擴(kuò)底基礎(chǔ)為研究對(duì)象，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，選取立柱直徑、基礎(chǔ)深寬比、基底擴(kuò)展角3個(gè)參數(shù)為影響因素，以基礎(chǔ)上拔承載力為分析指標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)上拔靜載試驗(yàn)，分析試驗(yàn)基礎(chǔ)的抗拔承載特性以及上述各參數(shù)對(duì)承載力的影響程度，提出適用于戈壁灘碎石土地基原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)的工程優(yōu)化措施。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于甘肅省張掖市高臺(tái)縣境內(nèi)原330 kV張—嘉一回線173#塔位附近，如圖1所示。根據(jù)地勘資料，試驗(yàn)場(chǎng)地的地質(zhì)參數(shù)推薦值見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地Fig 1 The test site

Table 1 Physical mechanic index of ground soil

土層層深/m天然重度γ/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa黃土狀粉土0．115248碎石6．52142卵石>102140

1.2 加載系統(tǒng)與加載方案

上拔加載裝置由千斤頂、加荷梁、連接框架和反力基座組成，其中，反力基座采用承壓樁，承壓樁具有足夠的剛度，以確保滿(mǎn)足地基強(qiáng)度和變形的要求，試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2 加載裝置

試驗(yàn)采用分級(jí)加載，加載初期可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用快速荷載法，當(dāng)基礎(chǔ)變形較大時(shí)，采用慢速維持法[16]，以確保地基土的承載性能得以充分發(fā)揮。加載過(guò)程中通過(guò)布置在基頂表面的位移傳感器測(cè)定上拔位移。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔承載力受基礎(chǔ)幾何尺寸參數(shù)的影響，如立柱直徑d、擴(kuò)展角θ、深寬比ht/D、擴(kuò)底直徑D等，見(jiàn)圖3。不同因素對(duì)基礎(chǔ)承載力影響程度不同，為了綜合分析上述各參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響，同時(shí)考慮各因素之間的相關(guān)性，分別選取立柱直徑d、深寬比ht/D、基底擴(kuò)展角θ為因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平進(jìn)行，如表2所示。同時(shí)將其他不控制基礎(chǔ)承載力的參數(shù)(見(jiàn)表3)設(shè)為定值。其中立柱直徑d以A表示，深寬比ht/D以B表示，基底擴(kuò)展角θ以C表示。

圖3 試驗(yàn)基礎(chǔ)示意圖

采用3因素4水平的L9(34)標(biāo)準(zhǔn)的正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)，以基礎(chǔ)上拔承載力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表4。

表2 各因素及水平

Table 2 All factors and levels

水平立柱直徑d/mm深寬比ht/D基底擴(kuò)展角θ/(°)18001．510212002．520316003．530

表3 其他基礎(chǔ)尺寸參數(shù)

Table 3 Other size parameters of foundation mm

表4 L9 (34) 正交試驗(yàn)表

Table 4 Orthogonal experiment for L9(34)

基礎(chǔ)編號(hào)1(A/mm)2(B)3(C/(°))1#1(800)1(1．5)1(10)2#1(800)2(2．5)2(20)3#1(800)3(3．5)3(30)4#2(1200)1(1．5)3(30)5#2(1200)2(2．5)1(10)6#2(1200)3(3．5)2(20)7#3(1600)1(1．5)2(20)8#3(1600)2(2．5)3(30)9#3(1600)3(3．5)1(10)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 1#～9#基礎(chǔ)QS曲線Fig 4 Q-S curves of 1～9#

Table 5 The calculated slowly varying rates of load-displacement curves of test foundations

基礎(chǔ)編號(hào)A點(diǎn)B點(diǎn)荷載/kN位移/mm荷載/kN位移/mm((B位移-A位移)/(B荷載-A荷載))/%1#3901．945032．7234．242#10803．1132039．7510．183#13001．37286038．372．034#10801．83234037．612．485#20000．92580027．100．646#12003．34220044．403．427#30001．52750032．100．588#13001．43364048．011．799#24000．8720028．240．49

3.2 承載力影響因素分析

表6 基礎(chǔ)上拔承載力試驗(yàn)結(jié)果

Table 6 Uplift bearing capacity of test foundations

基礎(chǔ)編號(hào)d/mmht/Dθ/(°)Qcu/kNScu/mm1#8001．5104507．052#12001．52013209．243#16001．530286011．454#12002．510234014．505#16002．520580022．446#8002．530220023．607#16003．510750020．648#8003．520364024．239#12003．530720021．10

表7 基礎(chǔ)上拔承載力直觀分析結(jié)果

Table 7 Analysis on directly perceive method on uplift bearing capacity of test foundations

基礎(chǔ)編號(hào)因素ABC基礎(chǔ)上拔承載力Qcu/kN11114502122132031332860421323405221580062322200731275008323364093317200K16290463010290K2108601034010760K3161601834012260K1209715433430K2362034473587K3538761134087R32904570657

同一列中，最大值與最小值之差為極差，即表7中的R。R越大，該列對(duì)應(yīng)的因素對(duì)指標(biāo)Qcu影響最明顯。由表7可知，各列的極差R差異較大，表明各因素的水平改變時(shí)對(duì)指標(biāo)Qcu的影響程度不同。從表中各列極差大小可知，在立柱直徑、深寬比、基底擴(kuò)展角3個(gè)因素中，對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響最為敏感的因素是深寬比，其次是立柱直徑，最不敏感的是基底擴(kuò)展角。

為直觀比較，通過(guò)Qcu與各水平之間的變化趨勢(shì)來(lái)分析各因素對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力的影響程度，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，因素B對(duì)Qcu影響顯著，當(dāng)深寬比從1.5增加到3.5時(shí)，Qcu指標(biāo)增加4倍左右；因素A次之，Qcu隨立柱直徑的增加而增加，當(dāng)立柱直徑從800 mm增加到1 600 mm時(shí)，Qcu指標(biāo)增加2倍左右，增加幅度較因素B要小很多；因素C對(duì)Qcu影響最不顯著，當(dāng)擴(kuò)展角從10°增加到30°時(shí)，Qcu指標(biāo)變化很小，接近1.2倍，趨勢(shì)線近乎一條平行于X軸的直線，表明工程中增加基礎(chǔ)深寬比對(duì)于提高基礎(chǔ)上拔承載力最為有效，可作為一種基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的推薦做法；而增加擴(kuò)展角，一方面對(duì)于提高基礎(chǔ)承載能力效果不明顯，同時(shí)，施工中宜引起塌孔和掉石現(xiàn)象，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)中建議取值不大于15°。

圖5 各因素和水平下上拔承載力的變化趨勢(shì)Fig. 5 the trend of uplift bearing capacity under different factors and leve

4 結(jié)論

基于正交試驗(yàn)分析方法，對(duì)戈壁灘碎石土地基中不同幾何尺寸參數(shù)的9個(gè)擴(kuò)底基礎(chǔ)進(jìn)行了承載力特性試驗(yàn)，并分析得出影響基礎(chǔ)上拔承載力最敏感的幾何尺寸參數(shù)，獲得的主要結(jié)論和建議如下：

2)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，戈壁灘碎石土地基中擴(kuò)底基礎(chǔ)尺寸參數(shù)深寬比、立柱直徑、基底擴(kuò)展角的取值對(duì)基礎(chǔ)上拔承載力影響程度由大到小依次為：深寬比、立柱直徑、基底擴(kuò)展角。

3)在戈壁灘碎石土地基中進(jìn)行原狀土擴(kuò)底基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議優(yōu)先考慮通過(guò)增加深寬比來(lái)提高基礎(chǔ)上拔承載力。由于擴(kuò)展角的增加對(duì)基礎(chǔ)承載力影響不明顯，且易導(dǎo)致施工過(guò)程中的塌孔和掉石現(xiàn)象，建議擴(kuò)展角不大于15°。埋深和擴(kuò)展角一定條件下，立柱直徑的增加勢(shì)必導(dǎo)致深寬比減小，同時(shí)基礎(chǔ)本體混凝土方量也大幅度提高，建議立柱直徑以滿(mǎn)足施工安全和踏腳板大小即可，而不建議采用提高立柱直徑來(lái)增加基礎(chǔ)上拔承載力的做法。

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(編輯 胡英奎)

Experimental analysis of the influence of foundation size parameters on the uplift bearing capacity of the spread foundation in gravel soil

CuiQiang1,TongRuimin1,LiuShengkui2,LuXianlong1

(1.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, P. R. China;

2.Gansu Electric Power Design Institute, Lanzhou 730050, P. R. China)

The uplift bearing capacity of the spread foundation is determined by not only soil physical and mechanical characteristics but also its geometry shapes and scales. The foundation size parameters to determine the minimum quantity of concrete, and the maximum uplift bearing capacity, are key to optimize the foundation design. In order to study their effect on the uplift bearing capacity of the foundation, the undisturbed soil spread foundation in Gobi gravel soil is took as the case. Nine full size test foundations are designed, which use orthogonal test method selected column diameter, the extension angle of the foundation foot and the depth-to-width ratio as influencing factors and the uplift bearing capacity of the foundation as examining goal. The in-site static load tests are carried out in the Gobi gravel soil located northwest China. Load-displacement curves of nine test foundations are obtained and the uplift bearing capacity corresponding are concluded. An index named gradual change ratio is proposed to expressing plastic deformation characteristic of soil foundation under pull load. Meanwhile, the results of the tests show that the sensitivity sort of these geometry factors on the uplift bearing capacity is the depth-to-width ratio, column diameter, and the extension angle of the foundation foot. The conclusion achieve in this work is that adding the depth-to-width ratio in foundation design is an effective measure for improving the uplift capacity of the spread foundation in Gobi gravel soil.

gravel soil; undisturbed soil; transmission line; spread foundation; uplift bearing capacity

2016-04-01

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GCB17201400162)

崔強(qiáng) (1980- )，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路巖土工程試驗(yàn)檢測(cè)研究，(E-mail)everjsl@126.com。

Foundation item：State Grid Corporation Science and Technology Project(No.GCB17201400162)

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.06.003

TU475

A

1674-4764(2016)06-0017-07

Received:2016-04-01

Author brief： Cui Qiang (1984- ), PhD, senior engineer, main research interest: test detection on geotechnical engineering in transmission line project,(E-mail) everjsl@126.com.