新型等截面斜柱基礎上拔—水平承載力試驗研究

劉宏濱，何天勝，房向日，陳 錕

(1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510600；2.廣東天聯電力設計有限公司，廣州 510600)

1 概述

等截面斜柱基礎是廣東省電力設計研究院依據近年的工程實踐提出的一種新型基礎型式，其外形與斜插式基礎類似，不同點是塔腿主材與基礎主柱連接是采用傳統的地腳螺栓連接方式而非插入角鋼(見圖1)。新型基礎主柱雙面傾斜，主柱坡度與塔身主材坡度一致，其受力特點現將坐標系旋轉移至基礎頂面，使得新坐標系z'方向與主材方向一致，頂面的長度方向和寬度方向分別為新坐標系的x'軸和y'軸，通過力系在空間坐標系的變換，基礎主柱水平作用力減少70%～90%，而基礎軸向作用力僅增加1%～2%，水平力對主柱底端的彎曲效應的大大減小使基礎主柱、底板受力狀況得到改善。

圖1 斜柱基礎意示意圖

由于基礎主柱彎曲效應的減少，使基礎主柱截面面積相應減小，同時基礎主柱側向穩定性也得到明顯改善。新型基礎形式與同條件下其它開挖基礎相比可減少混凝土和鋼筋用量約達30%。

由于新型等截面斜柱基礎在國內尚缺少設計及運行經驗，依據文獻[2]，基礎設計采用新結構型式，當缺乏實踐經驗時，應經過試驗驗證。故我院選用500kV嘉應至榕江送電線路工程雙回路直線塔等截面斜柱基礎進行真型試驗，為在今后的工程設計中應用此基礎提供參考依據。

2 試驗概況

2.1 地基概況

試驗場地地處山間凹地，原為溝谷，因附近修路大量填土堆積而成，據勘察資料，地質概況見表1。

表1 現場地質條件

2.2 基礎設計

試驗中布置一組3個尺寸完全相同的基礎進行豎向抗拔和抗水平力的組合作用試驗。水平力是通過兩個相互垂直的水平作用力施加在基礎上。試驗基礎尺寸見表2。

表2 試驗基礎尺寸

2.3 基礎荷載

試驗工況下的基礎作用力，見表3。

表3 試驗基礎作用力

2.4 加卸載試驗方案

基礎承載力試驗荷載均采用慢速維持荷載法。即上拔荷載與水平荷載對應按比例同時逐級加載，每級荷載達到相對穩定后加載下一級荷載，直至達到試驗等截面斜柱基礎終止加載條件，然后分級卸荷到零。

2.5 加載方法與加載系統

試驗過程中上拔荷載、水平荷載同步施加，并確保加載和卸載的荷載比值相同。

現場抗拔和抗水平靜載荷試驗采用反力梁、反力支架裝置以及反力樁、反力墩(山壁)。

2.6 柱、基礎底板內力測試系統

本試驗基礎的應力測試是在柱和底板上埋設混凝土應變計進行測量，測量的內容與測試方法以及使用的主要儀器列于表4。

表4 測試系統

3 試驗結果分析

3.1 基礎變形分析

為了確保架空輸電線路的安全運行，應嚴格控制基礎的變形，使其控制在文獻[2]規定的范圍內。

本文在試驗過程中，分別對豎向位移和水平位移進行同步測量，并記錄在不同荷載下豎向位移與水平位移，其曲線見圖2、圖3。

圖2 荷載U-上拔位移δ曲線

圖3 水平荷載H-位移Y0曲線

試驗結果見表5。

表5 試驗結果

圖2是基礎上拔靜載試驗的U-δ曲線，在加載過程的前、中期，位移曲線變化緩慢，但b2基礎當加載到2251kN時，位移量突然增大，U-δ曲線出現陡升段，δ-lgt曲線(見圖6)尾部明顯上彎，b3基礎當試驗加載至2434kN時，位移量突然增大，U-δ曲線出現陡升段，δ-lgt曲線(見圖10)尾部明顯上彎，b1基礎在整個加載過程中，U-δ曲線緩變，無明顯突變拐點，δ-lgt曲線(見圖4)也呈平緩規則排列，綜合分析，b1基礎上拔極限荷載Uu≥2373kN，b2基礎上拔極限荷載Uu=2191kN，b2基礎上拔極限荷載Uu=2373kN，均大于設計極限承載力U=2068.9kN，滿足設計要求。

圖3是基礎水平靜載試驗的H-Y0曲線，從圖中看到，在加載過程的前、中期，位移曲線緩慢，但當加載至414kN時，b2基礎曲線出現陡降段，并且Y0-lgt曲線(見圖7)尾部明顯下彎，b3基礎在加載至448kN時，H-Y0曲線出現陡降段，Y0-lgt曲線(見圖9)尾部明顯下彎，而 b1基礎在整個試驗過程中，H-Y0曲線無明顯陡降，Y0-lgt曲線(見圖5)呈平緩規則變化。而從水平位移梯度曲線(見圖10～圖12)，可以看出，三個基礎均出現水平極限荷載(b1基礎414kN，b2基礎392kN，b3基礎437kN)，而b1基礎出現水平臨界荷載(201kN)，因此可以判定水平極限承載力Hu≥380.8 kN，滿足設計的極限要求。

圖4 b1基礎上拔位移δ-時間t曲線

圖5 b1基礎位移Y0-時間曲線

圖6 b2基礎上拔位移δ-時間曲線

圖7 b2基礎位移Y0-時間lgt曲線

圖8 b3基礎上拔位移δ-時間t曲線

圖9 b3基礎位移Y0-時間lgt曲線

圖10 b1基礎的水平梯度曲線

圖11 b2基礎水平梯度曲線

圖12 b3基礎水平梯度曲線

2.2 基礎內力分析

試驗是在上拔和二個水平方向荷載同步加載的，其結果是基礎內力的綜合體現，基礎的最大應力以及應力的大致范圍見表6。

表6 基礎內力

從3個基礎的試驗結果來看，抗拔時斜柱與基礎均以拉應力為主，個別基礎局部出現很小的壓應力。3個基礎中，c線拉力較大，其次是b、d線，a線拉力最小，從柱頂到柱底，柱頂以下2.0～3.5m拉應力較大，而最大應力應變出現在柱頂下3.5m處，最大拉應力為26.1MPa(b2基礎，見圖13)，壓應力多在0～1.0MPa，最大壓應力為1.4MPa(b3基礎，柱頂下3.0m處)。

圖13 b2斜柱在不同荷載下應力沿深度變化圖(b1，b3柱類似)

3 結論

(1)通過新型等截面斜柱基礎試驗，結果表明該基礎試驗的上拔和水平極限荷載都超過設計極限荷載，超過范圍在24%～39%(水平荷載)和28～39%(豎向荷載)。說明該基礎型式在設計荷載范圍內，結構是穩定、安全的，并有一定的儲備。

(2)該基礎型式與同條件下其它開挖基礎相比，鋼筋和混凝土用量可降低約30%，綜合費用可節約15%，平基方量大大減少，基本不破壞塔位原地形，有效的減少對環境的影響，施工不受斜插式角鋼加工周期的制約、施工工藝易控制，能有效縮短建設周期，社會及經濟效益顯著。

[1]謝斌.等截面斜柱基礎在送電線路工程中的應用[J].紅水河，2008，27(2).

[2]DL/T5219-2005，架空送電線路基礎設計技術規定[S]，

[3]GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[4]張殿生.電力工程高壓送點線路設計手冊[k].第2版，北京：中國電力出版社，2003.

[5]劉宏濱，李敏生，房向日，何天勝.超高壓送電線路等截面斜柱板式基礎承載力試驗研究[J].電力建設，2009，(10).

[6]郭金根，劉宏濱.送電線路等截面斜柱基礎的設計及應用[J].廣東輸電與變電技術，2009，(7).