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

摘要：影響基礎上拔承載能力的因素包括地基土物理力學參數及基礎尺寸參數，而確定混凝土方量最小、基礎上拔承載力最大的基礎參數配比是基礎優化設計的關鍵。以戈壁灘碎石土地基中的原狀土擴底基礎為研究對象，采用正交設計方法，以立柱直徑、深寬比、擴展角為影響因素，以基礎上拔承載力為分析指標，設計出9組尺寸的足尺基礎。通過現場試驗，獲得了各試驗基礎的荷載一位移曲線和上拔承載力值，提出了采用漸變率的概念表征荷載一位移曲線的非線性變化特征，通過分析發現基礎荷載一位移曲線漸變率與承載能力呈負相關。結合正交試驗分析結果，得出立柱直徑、深寬比、擴展角3個因素中對碎石土地基原狀土擴底基礎抗拔承載能力的影響程度由大到小依次為深寬比、立柱直徑、擴展角，表明在戈壁灘碎石土地基基礎的工程設計中增加深寬比能提高基礎抗拔承載能力。

關鍵詞：碎石土；原狀土；輸電線路；擴底基礎；上拔承載力

中圖分類號：TU475

文獻標志碼：A

文章編號：1674-764（2016）06-0017-07

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。

針對碎石土地基基礎抗拔承載特性方面的研究較多。Chen等對粗粒土和細粒土2種地基鉆孔灌注樁的上拔荷載一位移特性進行了大量統計分析，對比分析了不同失效準則獲取基礎上拔承載力的差異；Qian等、魯先龍等在新疆和甘肅開展了輸電線路桿塔真型基礎的現場上拔試驗，分析了荷載一位移變化特征，并采用雙曲線模型對46個基礎樣本的荷載一位移曲線進行了擬合，分析了模型擬合參數的不確定性；張振華等采用有限差分法對某碎石土地基擴底基礎在上拔和水平組合荷載作用下的變形破壞過程進行了數值分析，概化出上拔土體破裂面形態的幾何模型。郝冬梅等根據塑性極限平衡原理，建立了抗拔土體的極限平衡方程，采用變分法求得不同加載條件下基礎承載力的數值解，分析了抗剪強度參數、水平荷載對基礎承載力的影響。上述研究工作均未涉及基礎尺寸參數對其抗拔承載特性影響的研究。

針對基礎抗拔承載特性影響因素也有一些研究。Matsuo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，而長樁影響較小；李保中等研究了主柱和擴底尺寸對中國500kV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330kV張-嘉-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。

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。

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，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h_t/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，同時考慮各因素之問的相關性，分別選取立柱直徑d、深寬比_t/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_t/D以B表示，基底擴展角θ以C表示。

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。

3.試驗結果分析

3.1荷載一位移曲線分析

根據表4中所列的9個基礎的現場靜載試驗，得出1#～9#基礎的荷載一位移（Q-S）曲線，見圖4。從圖中可以看出，1#、2#基礎的Q-S曲線屬于陡降型，其中1#基礎最為典型。當加荷值小于某個值時（1#基礎為390kN，2#基礎為840kN），Q-s曲線呈現較好的線性關系，當加荷值大于該值時，曲線發生突然跌落。現場試驗表明，該級荷載下，試驗基礎上拔位移在24h內無法穩定，土體已達到承載能力極限。3#～9#基礎的Q-S曲線均呈緩變型，緩變型曲線與陡降型曲線之間的不同之處在于：Q-s曲線在經歷一段線性變化后，陡降型曲線發生突然跌落，基礎發生破壞，而緩變型曲線則進入非線性變化階段，直至基礎破壞。

土體屬于彈塑性變形體，其力學強度與自身的塑性密切相關。因此，采用Q-S曲線上非線性段（塑性變形區段）單位荷載的位移變化量表征基礎Q-S曲線的緩變率，用以說明地基基礎的塑性變形性狀。各基礎的緩變率統計結果見表5（表中A點表示Q-S曲線線性區段終點，B點表示基礎破壞前一級荷載，其值對應的基礎上拔極限承載力）。從表5可以看出，各基礎的緩變率與破壞荷載大體呈負相關（由于加載能力所限，9#基礎加至8000kN即停止加載，而該時刻基礎并未破壞），即緩變率越小，曲線的非線性區段軌跡越長，破壞荷載越大。由此表明，戈壁灘碎石土地基原狀土擴底基礎的抗拔承載能力大小與基礎抵抗塑性變形的能力密切相關。

3.2承載力影響因素分析

由上述分析可知，1#～9#試驗基礎的Q-S曲線分為陡降型和緩變型兩種，考慮到數據分析的一致性，統一取破壞荷載前一級荷載為基礎的上拔極限承載力，表6列出了各試驗基礎的上拔極限承載力Q_cu和相應的位移值S_cu。

對各基礎上拔承載力進行正交試驗結果分析，表7列出了正交試驗的直觀分析結果，其中，K₁、K₂、K_a分別為第1、2、3水平在3因素A、B、C中3次試驗之和，K₁、K₂、K₃分別為各水平所對應的平均值。由表7可以看出，在立柱直徑、深寬比、基底擴展角3因素及不同水平組合下，各基礎的Q_cu差別較大，Q_cu隨深寬比的增大而最明顯地增加，基底擴展角增加，Q_cu變化不大。在9組實驗中，第7組試驗Q_cu最大，值為7 200 kN，其對應的組合水平為A₃B₃C₁，第1組試驗基礎上拔承載力最小，Q_cu為

同一列中，最大值與最小值之差為極差，即表7中的R_oR越大，該列對應的因素對指標Q_cu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Q_cu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Q_cu與各水平之問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Q_cu影響顯著，當深寬比從1.5增加到3.5時，Q_cu指標增加4倍左右；因素A次之，Q_cu隨立柱直徑的增加而增加，當立柱直徑從800mm增加到1600mm時，Q_cu指標增加2倍左右，增加幅度較因素B要小很多；因素C對Q_cu影響最不顯著，當擴展角從10°增加到30°時，Q_cu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

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：

1）通過分析1#～9#試驗基礎的荷載一位移曲線，得出1#和2#基礎屬于陡降型，3#～9#屬于緩變型。提出緩變率的概念（Q-s曲線非線性區段單位荷載的位移變化量）來表征Q-s曲線塑性變形性狀，各基礎緩變率與破壞荷載呈反比例關系，即緩變率越大，基礎承載能力越低。

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。