索連板球基礎上拔機理

雒億平，薛晶，言志信,3

(1.蘭州大學 土木工程與力學學院，蘭州 730000；2.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，蘭州 730050； 3.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036)

迄今為止，絕大部分基礎為抗壓基礎，即基礎主要承受上部結構施加的豎向下壓荷載,且滿足變形和穩定性要求，典型的基礎形式包括獨立基礎、樁基礎、條形基礎、筏板基礎等。然而，隨著工程建設的發展，一些基礎形式不僅要具備一般基礎的抗壓和抗水平滑移功能，而且要具備足夠大的抗拔能力[1-2]，現有抗拔基礎形式較少，主要有“大開挖”基礎、“掏挖擴底樁”基礎、“爆擴樁”基礎等?！按箝_挖”基礎是指埋置于預先挖好的基坑內并回填，且將回填土夯實的基礎，以擾動的回填土為抗拔土體，從而保持基礎穩定[3-5]；“掏挖擴底樁”基礎是指以鋼筋籠為骨架，混凝土灌注于以機械或人工掏挖成的土胎內的基礎，以天然土體的抗拔能力而保持基礎上拔穩定[6-7]；“爆擴樁”基礎是指以鋼筋為骨架，混凝土灌注于以爆擴成型的土胎內擴大端的短樁基礎，抗拔土體基本接近于未擾動的天然土[8]。另外，筆者發明了利用埋置于地基土體中的錨板抗拔的聯合板索基礎[1，9]。無論是“大開挖”基礎，還是“掏挖擴底樁”基礎或是“爆擴樁”基礎，施工均有較大難度，而且存在工程量大、耗時長、成本高等問題，且對環境造成較大破壞，提供的抗拔力有限、加固效果不夠理想[1，10]；雖然聯合板索基礎能夠提供較大的抗拔力，并能降低工程費用，但施工難度仍然較大[1，9]。人們在探索不同基礎型式的同時，對砂土和黃土中錨板的抗拔機理進行了研究[1，10]，并探討了擴底樁基礎極限抗拔承載力的理論計算[6-7]，但少有研究涉及上拔力作用下基礎周圍土體變形破壞過程的分析，至于風積砂土地基，至今仍無合適的基礎型式，更未對其開展研究[11]。

1 索連板球基礎

提出了一種減小對地基擾動，提高抗壓、抗拔強度，并優化荷載傳遞機制，同時減小土體變形的基礎，如圖1(a)所示。該基礎主要由水泥土柱、上板、下球體和須發錨索4部分構成，即主要包括構建于土地基的水泥土柱、嵌入地基中的上板、埋于地下的下球體和聯系上板與下球體的須發錨索4部分。圖1(b)所示的須發錨索由耐拉細絲(通常為鋼絞線)構成。起初所述耐拉細絲的下部順周長方向均勻分布于裝有雷管的抗水炸藥周圍，即起初的耐拉細絲下部捆扎裝有雷管的抗水炸藥，并被置于地基中通過多次爆破形成的球形空腔之內。該球形空腔通過先在性能軟弱，即抗壓強度不高易變形土體中構建水泥土柱對軟弱地基進行處理，然后沿水泥土柱的軸線鉆孔至其底，并在底部進行多次爆破擴孔而形成。用注漿體澆注球形空腔后引爆炸藥，利用炸藥爆炸的爆轟壓力驅使剛澆注未固結的注漿體充填球形空腔，并使包圍在未固結注漿體中的須發錨索散開分布于球形空腔。注漿體固結后，須發錨索底部獲得錨固，將其頂端與所述上板連接到一起，然后施加預應力于須發錨索，再次用注漿體澆注球形空腔和水泥土柱中的鉆孔，構建起上板和下球體通過下部錨固于球形空腔而其余部分錨固于水泥土柱鉆孔之中的所述須發錨索相聯系的索連板球基礎[11]。

圖1 索連板球基礎示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ball cable

索連板球基礎上板主要抵抗下壓，承受下壓力；同時，抵抗水平滑移，承受水平力。下球體主要抵抗上拔，承受上拔力。對下球體的上拔力主要通過須發錨索傳遞，即須發錨索主要傳遞上拔力。

索連板球基礎與現有技術相比具有以下優點：

1)擴孔炸藥爆炸產生的爆轟氣體對鉆孔孔底強烈地沖擊壓縮，致使鉆孔底周圍土體被粉碎，形成大小足夠的空腔。通過注漿形成帶底端擴大頭的錨固體，所提供的錨固力足以使上部結構上拔穩定；炸藥爆炸所產生的爆轟氣體對鉆孔孔底土體強烈作用，使孔底周圍土體得到壓縮，同時將土體中的裂隙推開，充填注漿體后將改善和提高地基(鉆孔底部周圍土體)的物理力學性能；鉆孔底注漿后即刻起爆被掩埋的炸藥，爆炸作用強力驅動注漿體充填孔底球形空腔，并使須發錨索散開分布于球形空腔，注漿體將須發錨索錨固，形成以錨固于孔底球形空腔和水泥土柱鉆孔中的須發錨索為核心的全方位、立體、復合錨固，使工程的安全得到保障。

2)索連板球基礎結構簡單，從根本上改變了施工和基礎型式，顯著地節約了投資，減少了棄土，使環境得到保護。

2 球索基礎上拔機理

索連板球基礎的抗拔功能完全由埋置于地基中的下球體、須發錨索和水泥土柱構成的球索基礎承擔，因此，可通過對球索基礎建模進行數值模擬分析，從而實現對索連板球基礎的抗拔研究。

2.1 淺埋球索基礎的上拔

采用FLAC3D建模，根據經驗，并綜合考慮應力、位移的精度要求和計算速度，確定模型中土體單元的尺寸，并進行網格劃分?；谇蛩骰A的結構及其與周圍土體的相互作用，對球索基礎及其周圍的網格劃分較細，隨著與球索基礎距離的增大，網格尺寸以1.1的比率增大，建立的數值模擬模型為：水泥土柱直徑6 cm，下球體直徑15 cm，埋深比(下球體球心的入土深度與其直徑之比)2；土體模型尺寸為X×Y×Z=1 m×1 m×0.425 m，共劃分網格25 480個，相應節點28 033個。將土體作為彈塑性介質，遵從Mohr-Coulomb屈服準則，對模型進行非線性分析[12]，研究球索基礎的抗拔機理和特性。

結合甘肅地區的砂土地質環境和條件以及工程要求開展研究，砂土樣取自具有較好代表性、地處騰格里沙漠區的甘肅省民勤縣，基本反映了甘肅地區非飽和砂土的特性。數值模擬中的物理力學參數均通過現場取樣測試，然后按相似比換算獲得。理論上，砂土的黏聚力為0，但由于水的表面張力導致砂土存在假黏聚力，測試值為1.25～12.5 kPa，故數值模擬中黏聚力取值為1.25 kPa，如表1所示。

表1 模擬計算參數

根據對錨板抗拔研究的經驗[13-14]，位移場能較好地反映土體的變形，而剪應變場能較好地反映土體破壞面的形成，將它們作為深入分析索連板球基礎的球索與土體的相互作用、協同工作和變形演化及其影響因素的重要依據。球索基礎是抵抗上拔的結構，上拔過程中的抗拔力主要源于基礎本身的自重、破裂面內土體重量以及破裂面之外土體在破裂面上施加的剪力和拉力。數值模擬發現，淺埋球索基礎在上拔力作用下經歷3個階段。

第1階段，即起始階段。如圖2(a)所示，該階段球索基礎受到的上拔力較小，與這一階段較小的上拔力對應，基礎上拔位移和土體變形均比較小，土體沒有發生破壞。

圖2 土體中塑性區演化剖面圖Fig.2 Evolution profile of plastic zone in

第2階段，即發展階段。如圖2(b)所示，該階段隨球索基礎受到的上拔力增大，下球體對周圍土體的作用也隨之增強，下球體之上部分土體受到的剪應力達到土體的抗剪強度而破壞，即局部剪切破壞；同時，受到上拔力作用的水泥土柱發生拉伸變形，從而帶動其周圍的部分土體產生向上的位移，甚至部分土體發生粘結破壞。圖2(b)中水泥土柱周圍部分土體由于上拔力的作用導致其同時受到剪應力和拉應力的作用。隨上拔力增大，土體變形破壞逐步發展，土體中受影響范圍以錨索為對稱軸水平向拓展，并且從下球體和地面兩端沿錨索向中部發展，環繞下球體上表面斜向上一定范圍內的土體中陸續形成破壞區，并最終發展至地表，形成倒鐘形的破壞面。下球體上表面土體受到的力可分解為沿下球體徑向和切向的分力，隨下球體受上拔力作用而發生向上的位移，切向分力將使土體發生拉伸破壞，所以，下球體表面土體發生剪切破壞的同時，還發生拉伸破壞，下球體之下的土體也受拉伸作用而發生粘結破壞脫離下球體。

第3階段，即整體破壞階段。如圖2(c)所示，該階段下球體對上拔力特別敏感，即上拔力稍有增大，球索基礎的位移獲得顯著增大。下球體上部土體中的剪切破壞面與地表拉伸破壞面貫通時，土體破壞，土體中形成過下球體球心的水平截面邊緣，即水平大圓開始直至地表的軸對稱破壞曲面，圖2(c)所示即為對應的塑性區。

隨著球索基礎受上拔力作用向上位移，巖土體中的塑性區將按照圖3所示的破壞模式逐漸從下球體向地表發展，土中的剪應變區向上發展的同時，以一定角度外傾橫向，即水平向拓展，逐漸發展至土體表面，把剪切變形的峰值點用線連起來，將形成以過下球體球心和過水泥土柱軸線的錨索為軸延伸到地表，并在向上過程中逐步向周圍拓寬的旋轉曲面，破壞面為軸對稱的曲面。

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圖3 淺埋球索基礎周圍土體塑性區分布剖面圖Fig.3 Distribution profile of plastic zone around the cable foundation of shallow buried

從圖4中可以看出，隨著上拔力的增大，剪應變隨之增大，砂土中的塑性區得以發展。起初砂土中的剪應變最大值區域分布在水泥土柱周圍和下球體上表面斜上方的與X軸正負方向均為15°～45°區域的土體內；隨著上拔力的不斷增大，剪應變獲得持續增加，其最大值區域不斷拓展，向斜上方延伸，最終貫通地表導致球索基礎破壞。

圖4 淺埋球索基礎周圍土體剪應變云圖(剖面圖)Fig.4 The shear strain of the soil around the shallow buried sphere cable foundation (section map)

圖5揭示了淺埋球索基礎上覆土體地表塑性區隨上拔力增長的發展過程。隨著上拔力的持續增大，巖土體中的塑性區得到大的發展，剪應變獲得大的增長，地表面上錨索周圍區域土體發生拉伸破壞。這是由于在上拔荷載作用下，剪切破裂面是曲面，地表面上塑性區邊緣處土體受到的力是斜向上的，該力使得地表土體在向上隆起的同時，土體在水平方向的破壞范圍從下至上逐步擴大，地表土體的塑性區遠大于下球體最大水平截面面積，即大圓的面積。當地表拉伸破壞面與下部剪切破壞區域貫通形成完整的破壞面時，基礎失效。當上拔力進一步增大，剪切變形和拉伸變形都得以擴張，在兩者共同作用區域形成剪切-拉伸破壞復合變形破壞區，此時的土體已發生整體破壞，上拔力不變，位移持續增長。

圖5 淺埋球索基礎地表塑性區分布圖Fig.5 Surface plastic zone distribution map of shallow buried ball cable

與數值模擬相對應，進行了室內相似模型試驗。室內相似模型試驗根據甘肅省民勤縣砂土樣測試數據，相似比取8進行換算，從而獲得室內相似模型試驗砂土相似材料的物理力學參數，進而配制出砂土的相似材料，開展室內相似模型試驗，即如圖6所示的淺埋球索基礎拉拔試驗。模型試驗同樣表明，隨著錨索上拔力的持續增大，錨索和水泥土柱發生向上的位移，周圍的地表面不斷隆起，并隨上拔位移的增大，即土體的不斷隆起，錨索和水泥土柱周圍出現徑向和環向裂縫，且裂縫持續增多，其寬度和深度持續擴大，其分布范圍自錨索發展至錨索周圍的一定區域，如圖6、圖7所示。數值模擬與模型試驗實現了相互印證。

圖6 淺埋球索基礎拉拔試驗Fig.6 Pullout test of the shallow buried

圖7 淺埋球索基礎地表破壞情況Fig.7 Surface failure of the shallow buried

2.2 深埋球索基礎的上拔

在球索基礎淺埋條件下，即球索基礎的埋深比較小時，隨著埋深的增大，其極限抗拔力得到持續提高，土體內和地表的破裂范圍也得到持續的增大，其破裂如圖3所示，為倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉曲面。但球索基礎的埋深繼續增大時，情況發生根本變化，其破裂范圍不僅不再增大，反而減小，同時破裂面的形狀也不再是倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉曲面，而是轉換成花瓶狀的旋轉曲面，即球索基礎的剪切應變和塑性區呈花瓶形分布，且隨球索基礎埋深比的增大，花瓶口、瓶頸的直徑逐漸減小，主要集中在下球體的上方，瓶口位置在錨桿和水泥土柱出露地表處。將這種根本變化對應的球索基礎埋深定義為臨界埋深，相應的埋深比定義為臨界埋深比，球索基礎埋深小于臨界埋深定義為淺埋，相應地，大于臨界埋深定義為深埋。研究發現砂土地基的臨界埋深比一般為2.5～3.5。如圖8、圖9所示，采用前述的方法建模，對埋深比為5的深埋球索基礎進行研究，由圖可見，球索基礎深埋條件下，其破壞形式由淺埋時的整體破壞轉換為局部剪切破壞，對其極限抗拔力也產生大的影響。

圖8 深埋上拔塑性區Fig.8 Uplift plastic zone of the deep buried

如圖8所示的花瓶口，即球索基礎出露地表位置的塑性區，主要是因為在上拔力的作用下球索基礎水泥土柱對土體的剪切作用帶動土體產生向上的位移。此外，圖中的花瓶肚，即球索基礎下球體上方的塑性區，主要是因為在上拔力的作用下球索基礎下球體對其周圍的土體施加力的作用，使部分土體產生塑性變形和位移。

圖9 深埋上拔位移云圖Fig.9 Uplift displacement nephogram of the deep

2.3 埋深比對球索基礎上拔的影響

已有錨板抗拔研究經驗和文獻均顯示[15-16]，錨板的埋深比H/D在抗拔中的作用至關重要，對抗拔承載力的影響極大。隨著埋深比的增大，抗拔承載力不斷增大，但增幅不斷減小，增長之勢趨緩，且埋深比增大到某值時，基礎的上拔情況發生根本的改變。

分別取埋深比H/D為1、2、2.5、3、3.5、4、5對大厚度非飽和砂土中的球索基礎進行研究，得到了各埋深下的上拔力-位移曲線，如圖10所示。

圖10 球索基礎上拔力-位移曲線Fig.10 Force-displacement curve of spherical

由圖10可以看出，不同埋深比下的球索基礎上拔力與位移的關系。起初，上拔力隨位移呈線性增長，此時的土體仍處于彈性壓縮階段，但此階段僅僅經歷很小的位移。隨著上拔力的繼續增大，基礎相對于砂土之間產生較大位移和變形，部分土體發生剪切破壞，承載力的增長減緩，呈曲線上升，即基礎周圍的土體進入局部剪切破壞階段。且隨著上拔力繼續增大，基礎周圍的土體整體進入塑性破壞階段，很小的上拔力增量可獲得基礎上拔位移的大幅度增長，甚至基礎突然被拔出。

從圖10還可以看出，隨著球索基礎埋深比的增加，特別是埋深比H/D從3開始，在上拔力作用下，進入局部剪切破壞階段后的位移增量相對較大，土體整體進入到塑性破壞階段，上拔力-位移曲線已沒有明顯的轉折點，說明此時球索基礎已經進入深埋階段。之后，僅下球體周圍土體發生局部剪切破壞，下球體周圍的塑性區已不能擴展至地表，地表的塑性區和破壞完全由錨索和水泥土柱的上拔造成，不再受埋深比影響。

此外，從圖10還可以看出，與深埋錨板局部破壞時的極限抗拔力不增長的情況不同[1、10]，深埋條件下，隨著球索基礎埋深比的增加、水泥土柱長度的增加，其柱壁與土體的作用面積增大，極限抗拔力隨之緩慢上升。

3 結論

現有抗拔基礎型式有限，已不能適應特殊地基條件和工程要求的需要，針對這個問題發明了索連板球基礎，以滿足工程對抗拔基礎之急需。索連板球基礎是一種全新的基礎型式，對索連板球基礎的抗拔進行深入研究，得到以下結論：

1)索連板球基礎結構簡單，改變了施工和基礎型式，節約了投資，減少了棄土，使環境得到保護。

2)淺埋條件下，隨上拔力的增大，索連板球基礎周圍土體的變形和位移也隨之增大，可將整個過程可分為3個階段。

3)淺埋條件下，隨上拔力的增大，土體的相對位移和變形增大，剪切破壞發生和發展，由局部剪切破壞直至整體破壞，形成自下球體貫通至地表的倒鐘形開口朝上直至地表的旋轉破裂曲面。深埋條件下，隨著上拔力的增大，球索基礎出露地表處出現塑性區，繼而水泥土柱周圍，最后下球體上方，塑性區呈花瓶狀旋轉曲面。

4)淺埋條件下，隨著索連板球基礎所受上拔力的增大，其上拔位移漸趨加速增長，但埋深比增大到某一值時，球索基礎由淺埋過渡到深埋階段。