輸電線路微型樁模型設計及多通道加載實驗方法

楊　雷，董　梅，張大長，宋林輝，黃飛龍

（1.連云港供電公司，連云港江蘇222000；南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京211816）

輸電線路微型樁模型設計及多通道加載實驗方法

楊雷1，董梅1，張大長2，宋林輝2，黃飛龍2

（1.連云港供電公司，連云港江蘇222000；南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京211816）

根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)的受力特點以及江蘇省輸電線路通道走廊上的工程地質(zhì)條件，闡述了微型樁基礎(chǔ)的特點以及在輸電線路工程中的適應性；探討并提出微型樁試驗模型的設計和制作方法。研究并提出采用多杠桿、滑輪和鋼絲繩的微型樁模型試驗的實驗方法，可以進行多通道、多方向的復合加載。制作微型樁的室內(nèi)模型試驗，研究樁基荷載-變形力特性，為微型樁基礎(chǔ)的承載力設計理論研究以及工程設計應用提供理論依據(jù)。

微型樁基；試驗模型；多向加載；多通道

高壓輸電線路中的桿塔基礎(chǔ)所承受的荷載大、形式復雜，且同時承受下壓荷載、水平荷載和上拔荷載的作用。目前輸電線路中常用的桿塔基礎(chǔ)形式主要有擴展基礎(chǔ)、大板基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)等［1，2］。擴展式基礎(chǔ)配筋量和土方開挖量大、占地面積大、施工機具笨重、搬運困難；大板式基礎(chǔ)成本較高、土方量大、施工復雜，特別是在淤泥土質(zhì)中底板施工存在較大難度，不易保證工程質(zhì)量，基礎(chǔ)易產(chǎn)生不均勻沉降；灌注樁基礎(chǔ)造價高、質(zhì)量不易控制，尤其在淤泥土質(zhì)中成孔施工較難把握。

江蘇省連云港地區(qū)多為柔弱基地，針對該類開挖基礎(chǔ)施工困難、承載力不容易滿足要求，采用單樁、群樁基礎(chǔ)時基礎(chǔ)造價較高，且受到許多地質(zhì)條件的限制。目前，我國關(guān)于微型樁基礎(chǔ)承載力特性及設計方法的研究尚少，在輸電線路桿塔基礎(chǔ)工程中的應用也不太多。輸電線路中抗拔荷載與抗傾覆能力是微型樁基礎(chǔ)設計控制條件，但目前國內(nèi)尚沒有關(guān)于微型樁的專門設計方法可以參考［3，4］。根據(jù)微型樁基礎(chǔ)的特點，探討了微型樁試驗模型的設計和制作方法；提出微型樁模型試驗方法；制作微型樁的室內(nèi)模型試驗方案，研究樁基荷載-變形特性，為微型樁基礎(chǔ)的承載力設計理論研究以及工程設計應用提供理論依據(jù)。

1　微型樁基礎(chǔ)

微型樁是在樹根樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型小型鉆孔灌注樁，直徑（d）通常小于0.4 m但長細比較大（一般大于30）［5-8］。通過小型鉆孔灌注設備在地基中國成孔，然后在孔中下入設計所需要的鋼筋籠和注漿管，采用壓力注漿成樁或者灌注細石混凝土成樁。

微型樁桿塔基礎(chǔ)是一種適用于輸電線路工程軟土地基區(qū)域的一種新型環(huán)保基礎(chǔ)，其優(yōu)越性如下：（1）壓力注漿可明顯改善樁周土體的工程力學特性、提高地基基礎(chǔ)承載力；（2）相同承載力要求下，微型樁基礎(chǔ)材料用量較小；（3）微型樁施工機具簡單，對環(huán)境和場地適應性強；（4）微型樁基礎(chǔ)泥漿排放量較少，施工振動和噪聲較小，有利于保護環(huán)境。

隨著微型樁技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年嘗試在軟土地基輸電線路工程中應用。但是，由于國內(nèi)外還沒有微型樁基礎(chǔ)的相關(guān)設計公式和方法，同時施工過程的參數(shù)取值也無相關(guān)規(guī)范加以界定，現(xiàn)場施工隨機性大，因此在應用中遇到了很大的困難。

2　微型樁基礎(chǔ)試驗模型設計

模型樁要求符合以下特點：d小于等于400 mm，長徑比大于等于30，且制作方便。因此，材料不考慮相似比而采用有機玻璃；d分別采用20 mm，30 mm，樁長（L）分別取600 mm，850 mm，模型設計長徑比為30 和28.3。樁模型與承臺通過氯仿將樁模型和承臺模型緊密的連接在一起，單樁及群樁模型的具體尺寸如圖1所示，承臺模型有180 mm×180 mm、270 mm×270 mm 2種。

如表1所示，該項目設計制作了6組模型基礎(chǔ)，包括4個單樁基礎(chǔ)和2組3×3群樁基礎(chǔ)，群樁基礎(chǔ)為2 組3×3豎群樁基礎(chǔ)。微型樁模型的d分別為20 mm，30 mm，群樁的樁間距為3d，群樁基礎(chǔ)的承臺厚度按文獻［9］計算確定。

表1試驗模型參數(shù)及荷載工況

對6個微型樁基礎(chǔ)分別開展下壓、上拔及水平加載試驗，考察不同樁基參數(shù)下的荷載-變形特性。

2　樁基試驗模型制作

2.1試驗用土

該項目模型試驗用土取自某工程場地土中厚度最大、承載力較低的淤泥質(zhì)土，在現(xiàn)場開挖后運至實驗室，裝入土箱，并埋置各單樁及群樁模型基礎(chǔ)。

通過堆載預壓和真空降水2種措施同時進行固結(jié)，待土地基本完成固結(jié)后開始基礎(chǔ)承載力試驗研究；同時，對土箱內(nèi)的土體進行土工試驗，試驗用土的土性如表2所示。

表2試驗用土的相關(guān)參數(shù)

2.2樁基埋置

模型樁粘貼好應變片后，在模型樁的表面均勻涂滿AB膠并均勻撒上一層細沙，既能保護好應變片不被土中的細石或其他雜物劃壞，也能增加樁身表面與土體之間的摩擦力，更加有利于觀察模型樁在分級荷載作用下的荷載位移曲線等規(guī)律。涂裹細沙的模型樁如圖2（a）所示。

2.3樁-土固結(jié)

將淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分層回填于試驗土箱中，依次將相應的微型群樁模型及單樁模型埋入土中，在埋入到預定高度之后回灌土漿至承臺底部，并在承臺上部回填淤泥質(zhì)土，壓實至設計高度，現(xiàn)場布置如圖2（b）所示。回填完畢后在淤泥質(zhì)土上堆質(zhì)量塊，對土體進行堆載預壓固結(jié)，并同時在土箱4個角落處的降水點進行真空降水固結(jié)。2種固結(jié)方式同時進行，對土體進行為期6周的固結(jié)。

圖2模型樁基礎(chǔ)

3　多通道加載實驗方法

3.1加載方法

試驗采用自主設計制作的一種多通道同步多點加載試驗裝置進行加載，分別進行下壓、上拔、水平荷載試驗。試驗組件包括模型箱、基礎(chǔ)模型、加載杠桿組件、反力橫梁、杠桿支座組件等。

下壓承載力試驗時加載杠桿固定端安裝在杠桿支座下側(cè)，在杠桿中部與基礎(chǔ)模型連接，杠桿加載端設有多個掛點用于懸掛質(zhì)量塊，實現(xiàn)多點加載，如圖3所示。

圖3下壓試驗裝置

上拔承載力試驗時加載杠桿固定端安裝在杠桿支座上側(cè)，在杠桿的一端通過鋼絞線與基礎(chǔ)模型連接，另一端懸掛重物，可實現(xiàn)多點加載。

水平承載力試驗時，利用鋼絞線與基礎(chǔ)模型上的立柱連接，另一端通過定滑輪懸掛重物，從而實現(xiàn)逐級加載。其中，定滑輪固定于底座上，底座由該項目自主設計加工并固定于模型土箱的箱壁上，如圖4所示。

由于施加水平工況時已經(jīng)有部分下壓工況的作用，下壓工況使得加載杠桿與立柱之間的接觸面產(chǎn)生摩擦力，使得立柱在水平工況下的水平位移受到摩擦力而減小，水平位移讀數(shù)便會偏小。該項目在立柱頂端布置一塊矩形鏡面鋼板，其上放置數(shù)根小鋼棍，這樣既將加載杠桿與立柱之間的摩擦力降到最低，同時鏡面鋼板伸出部分也可用于布置豎向位移計，便于記錄樁模型的荷載位移曲線。

3.2加載制度

3.2.1下壓試驗

在固結(jié)結(jié)束后，根據(jù)試驗土的具體土工參數(shù)以及《建筑樁基設計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對試驗模型樁的承載力進行預估，分別計算出各自的大致極限承載力。按文獻［10］4.3.4條，進行分級加載，逐級等量加載，分級荷載取預估下壓極限承載力的1/10。考慮到加載杠桿和試塊籃的自重等因素，該項目第一級荷載采取分級荷載的2～3倍。

3.2.2水平試驗

為了模擬現(xiàn)場施工時對微型樁的作用，該項目在對模型樁預壓第一級豎向荷載后開始進行水平靜載試驗，試驗過程中豎向下壓荷載一直保持不變。考慮模型試驗的特殊性，依然采用快速維持荷載法。根據(jù)試驗土的具體土工參數(shù)及《建筑樁基設計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對群樁模型進行水平力預估，然后分5級進行加載。5級荷載結(jié)束便進行下一級豎向荷載的加載，繼續(xù)進行下壓試驗。水平靜載試驗的試驗步驟與下壓試驗類軸對稱似，并及時繪制群樁模型的水平荷載位移曲線。

3.2.3上拔試驗

下壓試驗結(jié)束后，將試驗土重新進行堆載預壓，讓土體與樁身重新產(chǎn)生良好的固結(jié)。與下壓試驗類似，根據(jù)下壓試驗得到的豎向抗壓極限承載力，考慮上拔時只有樁身摩阻力，樁端摩阻力很小可以忽略，根據(jù)《建筑樁基設計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進行計算后，預估試驗樁的上拔承載力為各自抗壓極限承載力的70%左右。

該項目分級荷載取預估極限承載力的1/8，其中第一級荷載根據(jù)加載籃的自重因素取分級荷載的2～3倍。上拔試驗每級荷載維持時間取2 h，具體加載制度與下壓試驗類似。

3.3測試方案

三是大力營造森林防火的濃厚氛圍。按照“大聲勢、高頻率、廣覆蓋”的要求，在全市組織開展森林防火“宣傳月”活動。在重點林區(qū)、重點村鎮(zhèn)大密度設置、懸掛、刷新和張貼高標準、人性化的防火宣傳標語、標牌、橫幅；充分利用廣播、電視、報紙、微信、微博等媒體媒介，采取開動宣傳車、張貼標語、刊發(fā)警示短語短信、送明白紙進村入戶等形式，及時宣傳推廣經(jīng)驗做法和典型案例，做到宣傳到戶到人，營造全社會關(guān)注森林防火、參與森林防火的濃厚氛圍，切實增強全民的森林防火意識。

3.3.1應變測試

圖4水平荷載工況現(xiàn)場裝置

為了掌握分級施加荷載過程中模型樁的應變發(fā)展特點及規(guī)律，應在模型樁的典型部位粘貼電阻應變片，測試加載過程不同部位的應變。長度為600 mm的模型樁中，應變片粘貼位置分別為距兩端100 mm處、1/2管長。長度為850 mm的模型樁中，應變片粘貼位置分別為距低端100 mm處、300 mm處、500 mm處、700 mm處。模型樁兩側(cè)對稱布置2道應變片，應變片的布置及編號如圖5所示。

圖5模型樁的應變片布置

在對3×3群樁模型進行分級加載的過程中，只需在典型的部分模型樁上貼應變片以觀察應變發(fā)展，并不需要在全部模型樁上貼應變片，故在9根模型樁中選取了典型的5根用于貼應變片。應變片型號為BE120-5AA，其尺寸分別為10mm×4mm，該應變片的最大有效應變均為2%～3%，即約20000～30000με。

3.3.2位移測試

為了準確測定加載過程中群樁或單樁的下沉、上拔和水平位移情況，以得到豎向和水平方向的荷載-位移曲線。在立柱頂面對稱的兩側(cè)設置2個豎向位移計，在立柱側(cè)面設置1個水平位移計，位移計量程均為±50 mm。

4　下壓試驗結(jié)果

根據(jù)GB50007—2011［11］，計算得到單樁DZ1的預估承載力為0.6 kN，參考文獻［10］開展該單樁的下壓承載力試驗，考慮到該模型試驗的特殊性，單樁承載力本來就很小，故按照極限承載力的1/6逐級增加荷載進行加載試驗，即每級荷載為0.06 kN。

（1）下壓荷載-位移（F-s）曲線。試驗得到的F-s如圖6所示，試驗中加至0.66 kN時F-s曲線的下降趨勢已經(jīng)很明顯，故停止加載。根據(jù)文獻［10］規(guī)定，對于陡降型荷載-沉降曲線，取其發(fā)生明顯陡降的起始點對應的荷載值，所以單樁DZ1的抗壓承載力由試驗確定為0.6 kN。

圖6單樁DZ1的F-s曲線

試驗加載過程中單樁DZ1的地表沒有明顯裂縫，單樁四周土體沒有明顯凹陷。

（2）典型測點應變發(fā)展特點。試驗加載過程中，DZ1布置有8個應變片，應變發(fā)展如圖7所示。

圖7單樁基礎(chǔ)DZ1的典型應變發(fā)展

5　結(jié)束語

根據(jù)輸電線路基礎(chǔ)的受力特點以及江蘇省輸電線路通道走廊上的工程地質(zhì)條件，闡述了微型樁基礎(chǔ)的特點以及在輸電線路工程中的適應性；探討并提出微型樁試驗模型的設計和制作方法。研究并提出采用多杠桿、滑輪和鋼絲繩的微型樁模型試驗的實驗方法，可以進行多通道、多方向的復合加載。制作微型樁的室內(nèi)模型試驗，研究樁基荷載-變形力特性，為微型樁基礎(chǔ)承載力設計理論研究及工程設計應用提供理論依據(jù)。

［1］陳俊吉，鄒小平.關(guān)于輸電線路桿塔基礎(chǔ)設計的探討［J］.建筑知識，2014，26（1）：11-15.

［2］劉樹堂.輸電桿塔結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設計［M］.北京：中國電力出版社，2008：57-61.

［3］蘇榮臻，楊文智.黃土地基微型樁桿塔基礎(chǔ)施工工藝［J］.電力建設，2013，34（8）：121-124.

［4］蘇榮臻，李晉珍，田 宇.粉土地基微型樁基礎(chǔ)抗壓承載力試驗研究［J］.建筑科學，2012，28（1）：55-58.

［5］龐烈鑫.樹根樁在黃土隧道基底加固中的應用研究［D］.陜西：西南交通大學，2006.

［6］陳 偉，劉 濤，孫金坤.微型樁在深基坑處理中的應用［J］.施工技術(shù)，2006，35（S2）：69-70.

［7］張秋晗，甘鳳林.輸電鐵塔微型樁基礎(chǔ)中樁-土共同作用研究［J］.吉林電力，2013，41（1）：34-36.

［8］屈 勇.輸電線路微型樁基礎(chǔ)承載性能的數(shù)值模擬［J］.電力建設，2011，32（2）：59-61.

［9］住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［10］住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［11］住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Micropile Foundation Model Design and Multichannel Loading Testing Method for Transmission Lines

YANG Lei1，DONG Mei1，ZHANG Dachang2，SONG Linhui2，HUANG Feilong2
（1.Lianyungang Power Supply Company，Lianyungang 222000，China；2.College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

According to the conditions of transmission line micropile foundation in Jiangsu province，the characteristic of micropile foundation and its applicability are introduced.The design method and its fabrication of micropile foundation are investigated.The testing method using numerous levers，roller and wire cable is proposed.With the method the multichannel and multidirectional loading can be carried out.The testing model of micropile foundation is prepared and its load-deformation behavior is studied.The research results is valuable for the study of calculation theory of bearing capacities and the engineering application of micropile foundation.

micropile foundations；test model；multidirectional loading；multichannel

TU392

B

1009-0665（2016）01-0076-04

2015-08-11；

2015-10-19
2014年度江蘇省電力公司科研項目資助、2014年江蘇省科技廳前瞻性聯(lián)合研究（BY2014005-11）

楊雷（1964），男，江蘇連云港人，高級工程師，從事輸變電工程的研究開發(fā)等工作；

董梅（1973），女，江蘇連云港人，工程師，從事輸變電工程的研究開發(fā)等工作；

張大長（1971），男，浙江紹興人，教授，從事輸變電工程及土木工程的研究開發(fā)及教學工作；

宋林輝（1980），男，江蘇高安人，副教授，從事巖土工程及基礎(chǔ)工程的研究及教學工作；

黃飛龍（1989），男，四川廣安人，碩士研究生，從事土木工程的研究工作。