基礎尺寸對碎石土地基擴底基礎上拔承載力影響的現場試驗研究

崔強，童瑞銘，劉生奎，魯先龍

(1 中國電力科學研究院，北京 102401；2 甘肅省電力設計院，蘭州 730050)

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基礎尺寸對碎石土地基擴底基礎上拔承載力影響的現場試驗研究

崔強1，童瑞銘1，劉生奎2，魯先龍1

(1 中國電力科學研究院，北京 102401；2 甘肅省電力設計院，蘭州 730050)

碎石土；原狀土；輸電線路；擴底基礎；上拔承載力

原狀土擴底基礎(輸電線路工程中又稱“掏挖基礎”)是指利用人工或機械的方法在原狀土地基中鉆(挖)成基礎設計外形的基坑，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，已廣泛應用于輸電線路、高聳建筑物等結構的基礎工程中。此類基礎的上拔承載力主要受基礎結構強度、基礎幾何特征及其周圍土體的物理力學性質影響。在高電壓等級輸電線路中，桿塔基礎往往承受幾百噸乃至上千噸的上拔荷載。在工程設計中，為了提高基礎承載力，往往通過增加樁徑、埋深及擴大頭的尺寸等一系列技術手段來提高基礎的上拔承載力。然而，如何確定最優的基礎尺寸、使基礎上拔承載力最大是基礎優化設計的核心問題。

針對基礎抗拔承載特性影響因素也有一些研究。Matsuo[7-8]通過室內模型試驗分析了砂土和黏土中擴大頭形狀對基礎上拔承載力影響，表明在底板混凝土方量一定條件下，圓形擴大頭較方形擴大頭承載能力高；Dickin等[9-10]通過離心機試驗分析了埋深、擴底直徑、填土密度和基底擴展角對砂土中擴底樁上拔特性的影響；Hesham等[11]通過模型試驗分析了砂土中錐形樁的承載力隨圍壓增長的變化規律，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論；劉文白等[12]應用顆粒流理論研究了黃土中擴底樁抗拔承載特性，發現增加擴底樁擴大段的高度對提高承載力有效；陳仁朋等[13]通過大尺寸模型試驗得出在非飽和及飽和粉土中，擴底樁深寬比在1～3范圍內變化時，上拔極限承載力對應的上拔位移基本不變，當深寬比達到5時，上拔位移有顯著增加；喻皓[14]通過數值計算得出黏土地基條件下，短樁的擴大頭對樁體的變形影響較大，而長樁影響較??；李保中等[15]研究了主柱和擴底尺寸對中國500 kV線路工程中粉土地基擴底基礎上拔、下壓余度的影響規律。上述研究的對象均為細粒土中的抗拔基礎，而針對碎石土這類粗粒土中的基礎抗拔承載特性均未涉及。

綜上所述，目前針對基礎尺寸參數對碎石土地基擴底基礎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底基礎為研究對象，基于正交試驗設計理論，選取立柱直徑、基礎深寬比、基底擴展角3個參數為影響因素，以基礎上拔承載力為分析指標，通過現場上拔靜載試驗，分析試驗基礎的抗拔承載特性以及上述各參數對承載力的影響程度，提出適用于戈壁灘碎石土地基原狀土擴底基礎的工程優化措施。

1 試驗概況

1.1 試驗場地條件

試驗場地位于甘肅省張掖市高臺縣境內原330 kV張—嘉一回線173#塔位附近，如圖1所示。根據地勘資料，試驗場地的地質參數推薦值見表1。

圖1 試驗場地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，以確保滿足地基強度和變形的要求，試驗加載裝置見圖2。

圖2 加載裝置

試驗采用分級加載，加載初期可根據經驗采用快速荷載法，當基礎變形較大時，采用慢速維持法[16]，以確保地基土的承載性能得以充分發揮。加載過程中通過布置在基頂表面的位移傳感器測定上拔位移。

2 試驗方案設計

原狀土擴底基礎上拔承載力受基礎幾何尺寸參數的影響，如立柱直徑d、擴展角θ、深寬比ht/D、擴底直徑D等，見圖3。不同因素對基礎承載力影響程度不同，為了綜合分析上述各參數對基礎承載力的影響，同時考慮各因素之間的相關性，分別選取立柱直徑d、深寬比ht/D、基底擴展角θ為因素，每個因素取3個水平進行，如表2所示。同時將其他不控制基礎承載力的參數(見表3)設為定值。其中立柱直徑d以A表示，深寬比ht/D以B表示，基底擴展角θ以C表示。

圖3 試驗基礎示意圖

采用3因素4水平的L9(34)標準的正交表進行設計，以基礎上拔承載力為評價指標，基礎設計方案見表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基底擴展角θ/(°)18001．510212002．520316003．530

表3 其他基礎尺寸參數

Table 3 Other size parameters of foundation mm

表4 L9 (34) 正交試驗表

Table 4 Orthogonal experiment for L9(34)

基礎編號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 試驗結果分析

圖4 1#～9#基礎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

基礎編號A點B點荷載/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 基礎上拔承載力試驗結果

Table 6 Uplift bearing capacity of test foundations

基礎編號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 基礎上拔承載力直觀分析結果

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

基礎編號因素ABC基礎上拔承載力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，該列對應的因素對指標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對指標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、基底擴展角3個因素中，對基礎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展角。

為直觀比較，通過Qcu與各水平之間的變化趨勢來分析各因素對基礎上拔承載力的影響程度，分析結果見圖5。從圖中可以看出，因素B對Qcu影響顯著，當深寬比從1.5增加到3.5時，Qcu指標增加4倍左右；因素A次之，Qcu隨立柱直徑的增加而增加，當立柱直徑從800 mm增加到1 600 mm時，Qcu指標增加2倍左右，增加幅度較因素B要小很多；因素C對Qcu影響最不顯著，當擴展角從10°增加到30°時，Qcu指標變化很小，接近1.2倍，趨勢線近乎一條平行于X軸的直線，表明工程中增加基礎深寬比對于提高基礎上拔承載力最為有效，可作為一種基礎優化設計的推薦做法；而增加擴展角，一方面對于提高基礎承載能力效果不明顯，同時，施工中宜引起塌孔和掉石現象，增加了施工的風險性，設計中建議取值不大于15°。

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

4 結論

基于正交試驗分析方法，對戈壁灘碎石土地基中不同幾何尺寸參數的9個擴底基礎進行了承載力特性試驗，并分析得出影響基礎上拔承載力最敏感的幾何尺寸參數，獲得的主要結論和建議如下：

2)正交試驗結果表明，戈壁灘碎石土地基中擴底基礎尺寸參數深寬比、立柱直徑、基底擴展角的取值對基礎上拔承載力影響程度由大到小依次為：深寬比、立柱直徑、基底擴展角。

3)在戈壁灘碎石土地基中進行原狀土擴底基礎的設計過程中，建議優先考慮通過增加深寬比來提高基礎上拔承載力。由于擴展角的增加對基礎承載力影響不明顯，且易導致施工過程中的塌孔和掉石現象，建議擴展角不大于15°。埋深和擴展角一定條件下，立柱直徑的增加勢必導致深寬比減小，同時基礎本體混凝土方量也大幅度提高，建議立柱直徑以滿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增加基礎上拔承載力的做法。

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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

國家電網公司科技項目(GCB17201400162)

崔強 (1980- )，男，博士，高級工程師，主要從事輸電線路巖土工程試驗檢測研究，(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.