掏挖與巖石錨桿復合型桿塔基礎抗拔試驗與計算

程永鋒，魯先龍，丁士君，張琰

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

桿塔基礎的造價、工期和勞動消耗量在整個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型式都有自身的特點和優勢，并具有相應的工程適用條件，因地制宜進行輸電線路桿塔基礎選型具有重要的經濟和環境意義。在我國山地和丘陵地區，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條件［3］。隨著輸電電壓等級和基礎荷載的提高，選擇單一的掏挖基礎或巖石錨桿基礎，在大多數情況下不能滿足工程要求。此時，如將掏挖基礎與錨桿基礎組合使用，形成復合型桿塔基礎，即在上部粘土層中應用掏挖基礎，下部巖體中應用巖石錨桿基礎，則可充分發揮2種地基條件的天然承載能力。但掏挖與巖石錨桿組合應用的桿塔基礎屬于新型基礎型式，國內沒有既定規范與成熟經驗參考［4］。輸電線路桿塔基礎在承受拉、壓交變荷載的同時，也承受著較大的水平荷載作用。通常情況下，基礎抗拔穩定性是設計控制條件［5-7］。當前，關于復合式基礎的抗拔承載特性和機理的研究成果較少。本文通過開展掏挖與巖石錨桿基礎組合使用的復合型基礎現場抗拔試驗，監測基礎位移、分析其承載機理，提出了其上拔極限承載力計算方法，并與試驗結果進行了對比驗證，試驗成果可為該類型基礎的設計和工程應用提供依據。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗分別在A、B試驗場地進行。A場地表層為粉土，厚度為2.3m，深層為強風化硬質砂巖。B場地表層為礫質黏性土，厚度為1.6m，深層為強～中風化硬質板巖。通過現場原位試驗［8-10］，得到 A、B場地表層土體主要物理力學性質指標如表1所示。

表1 粘土的主要物理力學性質指標Tab.1 Main physic-mechanical index of soil

1.2 試驗基礎設計

在A、B場地分別進行了掏挖與巖石錨桿組合應用的復合型、掏挖和巖石錨桿3種基礎的現場施工和試驗工作，各基礎結構如圖1所示。

圖1 基礎結構Fig.1 The sketch of test foundations

圖1 中d為掏挖基礎立柱直徑，m;H和h分別為基礎埋深和抗拔深度，m;L為地腳螺栓埋深，m。巖石錨桿基礎為2×2群錨基礎，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。群錨基礎埋置于土層的鉆孔不澆注混凝土。各試驗基礎尺寸如表2所示。

表2 基礎設計尺寸Tab.2 Design dimensions of test foundations

1.3 基礎施工

掏挖與巖石錨桿復合型基礎雖然是應用于特殊場地條件下的基礎型式，其綜合應用了掏挖基礎、巖石錨桿基礎的施工工藝，但是復合型基礎與輸電線路一般基礎施工技術要求基本相同。復合型基礎施工工藝主要包括:現場調查→編制施工方案與技術措施→基礎工程施工的準備→基礎施工→施工驗收。

試驗中首先施工巖石錨桿基礎，然后進行掏挖基礎施工，復合型基礎施工工藝流程及其要求如圖2所示，現場施工照片如圖3所示。

1.4 試驗加載系統及加載方案

試驗采用慢速維持荷載法［4］。試驗前，以基礎預估極限荷載值的1/10為增量進行荷載分級，確定每一級的荷載增量，試驗第1次加載量為分級荷載增量的2倍，以后按分級荷載增量逐級等量加載，并自動加載、補載與恒載。試驗加載系統如圖4所示，上拔力加載系統由經加固的5根長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，可消除反力支座對上拔范圍內土體的影響。此外，球形鉸支座可消除加載偏心的影響。

圖4 基礎上拔加載系統Fig.4 Uplift loading system

2 試驗基礎荷載位移特性及極限承載力

A、B場地基礎上拔荷載－位移曲線如圖5所示。

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

根據圖5的上拔荷載－位移關系曲線及地基裂縫、基頂位移、最大穩定加載情況，得到不同基礎的極限上拔承載力，如表3所示。

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

3 復合型基礎抗拔機理及承載力計算

3.1 抗拔承載機理分析

根據原狀土掏挖基礎抗拔荷載位移曲線變化規律，可將原狀土掏挖擴底基礎抗拔承載機理概括為:“擴大端土體壓縮擠密—基礎周圍土體塑性區出現和發展—土體整體剪切破壞”的漸進破壞過程［11-12］。

巖石錨桿基礎是通過砂漿、細石混凝土等膠結材料將錨筋錨固于巖土體中的基礎，研究成果表明，錨桿基礎的上拔破壞形式主要有4種:錨筋被拉斷、錨筋從砂漿或細石混凝土中拔出、錨桿沿著與巖土體的結合面被拔出和巖土體沿結構面整體破壞［13-16］。試驗中，群錨基礎在極限狀態和試驗最大加載條件下錨筋頂部和地表測點未發生錨筋被拉斷和巖土體沿結構面整體破壞的破壞形式。巖石群錨試驗基礎極限承載力由砂漿與錨筋間粘結能力或砂漿錨固體與巖土體間粘結強度決定。

掏挖與巖石錨桿復合型基礎上拔試驗破壞后地表裂縫情況如圖6所示。

圖6 復合基礎上拔破壞地表裂縫Fig.6 Uplift test failure cracks of composite foundation

對照掏挖基礎和復合型基礎試驗基礎承載過程，其共同特征為:(1)2種基礎型式在上拔力作用下，都屬于地基土發生整體剪切破壞模式;(2)基礎達到破壞時，2種基礎地基土的主要裂縫分布形式類似;(3)從2種基礎達到破壞狀態時地表位移比較看，地基土發生顯著位移變化范圍基本一致，但復合型基礎抗拔承載力明顯增大，而基礎位移顯著減小。

因此，復合型基礎抗拔過程可以概括為以下3個階段:(1)在較小荷載作用下，上拔荷載主要由掏挖基礎自重以及基礎立柱側摩阻力承擔;(2)隨著荷載進一步增加，上拔荷載主要由掏挖基礎自重、土體滑動面剪切面剪切阻力承擔，直至掏挖基礎達到極限承載力;(3)在上拔荷載超過掏挖基礎極限承載力時，巖石錨桿基礎開始發揮承載作用，此時由掏挖基礎和巖石錨桿基礎共同承擔上拔荷載，直至地基土體整體剪切破壞。

3.2 復合型基礎抗拔承載力計算

綜合復合型基礎、掏挖原狀土基礎和群錨基礎的破壞形式和承載過程，掏挖與巖石錨桿復合型桿塔基礎極限抗拔承載力理論計算公式為

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

文獻［11－12］提出了原狀土掏挖基礎抗拔極限承載力計算公式為

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

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

根據本文巖石錨桿基礎承載試驗結果，可按照式(3)和(4)計算，取二者中的較小值［4］。

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

其中，τa和τb分別根據式(5)和(6)計算確定。

根據現場試驗結果，計算群錨基礎錨筋與混凝土間的粘結強度和砂漿或細石混凝土與巖石間的粘結強度，結果如表5所示。

由表5可知，計算得到的A、B場地錨筋與混凝土間的粘結強度分別為452和597 kPa，遠小于文獻［4］的建議值(M25砂漿τa取2 500 kPa);計算得到的A、B場地砂漿或細石混凝土與巖石間的粘結強度分別為197和260 kPa，與文獻［4］取值基本吻合(強風化巖與混凝土間粘結強度取值為100～500 kPa)。綜上可知，本次試驗群錨基礎的破壞形式更接近錨固體被拔出破壞。

表5 巖石粘結強度Tab.5 Bond strength of rock

根據試驗和理論計算結果，將復合型桿塔基礎極限抗拔承載力計算值與實測值對比如表6所示。

表6 復合型基礎上拔極限承載力試驗與計算結果比較Tab.6 Comparison between the test and calculation results of ultimate uplift bearing capacity of composite foundations

由表6可知，掏挖基礎和錨桿基礎的承載力發揮系數取1.0，此時，復合型基礎極限上拔承載力的理論計算值與實測值吻合較好。因此，可以采用公式(1)～(6)計算掏挖和錨桿復合型桿塔基礎的抗拔承載力。

4 結論

(1)現場基礎施工和試驗結果表明，掏挖和巖石錨桿基礎組合應用的復合型桿塔基礎可以應用于地表為土層覆蓋、其下為風化巖層的地基條件，充分利用2種天然地基的承載力，復合型基礎具有良好的承載性能。

(2)掏挖和巖石錨桿復合型桿塔基礎在上拔荷載作用下，呈現掏挖基礎自重及基礎立柱側摩阻力承擔荷載、掏挖基礎極限承載、掏挖基礎和巖石錨桿基礎共同承擔上拔荷載并直至地基土體整體剪切破壞的3個階段。

(3)掏挖與巖石錨桿復合型桿塔基礎極限抗拔承載力計算時，可取掏挖基礎與群錨基礎的承載力之和，即兩者的承載力發揮系數均可取1.0。但該系數的取值，與地基條件、基礎尺寸大小和加載條件等因素有關，需要開展進一步的深入研究。

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