输电杆塔根键式基础抗拔承载特性_马泽慧.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 输电杆塔根键式基础抗拔承载特性马泽慧，王俊杰，黄雪峰，陈思良，袁俊（重庆交通大学土木工程学院，重庆 ；重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 ；重庆交通大学河海学院，重庆 ；中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 ）摘要：为了解决现有输电线路掏挖类基础抗拔承载力不足的问题，采用“基础掏挖根键”的组合方式（掏挖类根键式基础），开展了单层根键式基础和双层根键式基础的现场试验，获得了根键式基础的荷载位移曲线，定量揭示了不同根键布置型式与基础抗拔承载力的关系。通过数值模拟对不同根键数量、顶进长度、层数及层间距的掏挖类根键式基础进行了对比分析。结果表明：掏挖类根键式基础的抗拔承载力达到 ，明显高于传统基础；增加根键数量、顶进长度能有效提高基础的抗拔承载力，而不同根键层数及层间距对抗拔承载力的影响相对较小。关键词：输电塔架掏挖类基础；根键式基础；现场试验；数值模拟；抗拔承载力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（.，；.，；.，；.，.，）：，“”（），：；收稿日期：基金项目：国网青海省电力公司科技项目（）第一作者：马泽慧（），女，博士研究生，主要研究方向为地基处理、桩基设计通信作者：黄雪峰，教授，主要研究方向为特殊土与非饱和土、桩基工程等，随着我国电网规模的不断扩大，输电线路架设沿线的地形条件愈发复杂，如山地、丘陵等。复杂地形条件为传统电力基础设计和施工带来挑战，导致现有基础结构承载力无法满足场地要求。为解决这一问题，研究人员基于仿生学理论提出了掏挖类根式基础（简称根式基础），其借助桩身嵌固的根键可大幅度提高竖向承载力。部分学者从现场足尺试验、室内模型试验、数值模拟等方面对其承载特性进行了相关研究，如：龚维明等通过对不同工况下的根式基础进行现场足尺试验，提出了提高基础承载特性的最佳根键数及布置方式；杨灿文、林友当等分别对沉井基础和桩基础开展现场试验研究，比较了相同位移下沉井基础的极限承载力，认为加入根键可提高基础承载性能；等通过对现场根式沉井的数值模拟验证了所提简化分析方法的合理性；杨光武等通过对马鞍山长江大桥个不同位置的桥墩开展研究，建立了种工况作用下的力学模型，对根式沉井基础的施工工艺有了较为全面的认识；章征等、刘彦峰等通过自平衡法验证了增加根键对桩基承载力的增益效果。孙砚等、葛楠等、袁乾坤等 借助室内模型试验对根式基础开展研究，结果表明，增加根键后桩基极限承载力显著提升；胡红波等、朱小军等 分别探讨了桩基和沉井基础极限承载力的影响因素，并对沉井根键式基础的优化措施提出建议；殷永高等 结合根式基础现场荷载试验和数值模拟，研究了根式基础的竖向和水平承载性能，得出根键承载力约占总荷载的。中 国 科 技 论 文第 卷高海拔地区风荷载作用导致根键式基础产生较大的上拔力，但目前根键式基础承载性能研究大多采用桩顶堆载的方式，无法合理解释上拔荷载作用下根键式基础的受力特性。鉴于此，本文采用现场抗拔试验分析根键式基础的抗拔承载力，并借助数值模拟对基础根键布置方式进行优化设计。研究方法 理论研究桩基础抗拔承载力计算方法根据土体状态分为土重法和剪切法，土重法适用于回填抗拔土体，剪切法适用于原状抗拔土体。本文掏挖类根键式基础破裂面模型如图所示，破裂面方程可由下列公式确定：（）（），（）（）（），（），（）。（）式中：为破裂面的半径，；为根式基础计算抗拔埋深，；为原状土土体内摩擦角，；为中间计算参数，表示半径随基础深径比的变化特征；为截面长度，；为抗拔土体滑动面形态参数，随原状土体物理力学特性变化而异，可根据试验确定，黏土宜取值为，砂土宜取值为，戈壁滩碎石土宜取值为；为破裂面曲面切线与水平地面的夹角，；为破裂面曲面根键顶端处与水平面的夹角，。图根式基础破裂面模型 综合式（）式（）可得破裂面方程为 （）（）。（）本文根式基础达到极限平衡时，极限抗拔承载力（）包括桩基混凝土自重（）、抗拔破裂面内所包含的土体自重（）和破裂面上剪切阻力垂直投影分量（）个部分，即。（）其中：，（），（）（）。（）式中：、为无因次计算参数；为原状土黏聚力，；为原状土土体重度，；为基础重度，；为基础体积，；为深度范围内的基础体积，。试验研究 试验场地试验场地位于青海省海东市互助土族自治县昝扎村，场地属于大厚度黄土地区。在反力桩孔掏挖过程中，每隔对原状土进行取样并进行室内土工试验，由于整个埋深内土样物理力学参数基本一致，故取平均值作为该场地土层参数，具体参数见表。表土层物理力学性质参数 含水率（）干密度（）（）黏聚力（）内摩擦角（）（）施工流程现场设 计 根 键 式 基 础 埋 深 为 ，桩 径 为，每层沿井壁均匀布置根根键。单层根键式基础：根键埋深为；双层根键式基础：第一层根键埋深为，第二层根键埋深为，即层根键层间距为。根键为型钢根键（型钢规格：），顶进周围原状土体长度为，如图所示。图试桩平面布置 根键采用液压千斤顶对向顶进坑壁原状土预留长度，放入根键和钢筋笼后浇筑 混凝土，待达到混凝土养护周期之后开始进行上拔加载试验，施工过程如图所示。试验装置与方法试验装置如图 所示。上拔加载系统主要由第期马泽慧，等：输电杆塔根键式基础抗拔承载特性图根键桩施工过程 个 液压千斤顶、个反力钢梁、个混凝土反力桩、根高强螺纹钢筋组成，通过油泵控制液压千斤顶达到对上拔荷载的控制。基础上拔位移由电子位移传感器进行测量，为了提高试验的准确性，在上拔加载试验时，靠近反力桩位置对称架设根槽钢用作反力梁，反力梁上粘贴磁性铰支座来固定位移传感器，在桩顶前、后分别布置个位移传感器，取个位移传感器的平均值得到基础加载中心点的上拔荷载位移值。图试验装置 上拔加载试验采用 建筑基桩检测技术规范（）中的慢速维持荷载法，试验过程中采用千斤顶通过液压油泵进行分级加载，第一级加载量可取分级荷载的倍进行加载，之后按分级加载量逐级等量加载。每级荷载施加后，分别间隔、测量基础顶部位移上拔量，以后每间隔 测量基础顶部上拔量，每内基础上拔位移量不超过 认为上拔达到相对稳定，可以施加下一级荷载。本文上拔最大位移量控制在。结果与分析 试验结果上拔荷载位移（）曲线如图所示。可知：加载初期位移增加速率较小，之后逐渐增大；当上拔荷载达到 后，根键式基础荷载位移曲线发生突变；在上拔过程中，单层根键桩和双层根键桩在位移达到 时的极限荷载均为 。总体来说，增加层根键之后对基础的竖向承载力并无明显提高，但在 上拔位移之前，相同的位移下，双层根键式基础较单层根键式基础承载力更高。相同上拔荷载作用下，单层根键式基础上拔位移量明显大于双层根键式基础，承载力为 时，两者的位移分别为 和 。图上拔荷载位移曲线 地表裂缝发展图为根键式基础达到极限抗拔承载力再卸载后的地表裂缝形态分布情况。在上拔荷载作用下，裂缝首先沿桩向外发展，裂缝发展过程中桩周土体从桩身开始微微向上隆起。随着上拔荷载的增加，裂缝宽度逐渐变大，近桩周土体裂缝发展最快，同时周围伴随着细微裂缝的出现。桩基带动桩周土体隆起过程中，主要裂缝出现在根键上方，并沿根键方向向外延伸，根键间多为细小裂缝，说明根键所产生的法向阻力是根键式基础桩周土体破坏的主要因素。卸载之后，土体沿裂缝位置缓慢下沉，逐渐恢复原状，裂缝宽度减小但并不会消失。双层根键式基础较单层根键式基础而言，地表裂缝出现得较晚，发展也较为缓慢。理论计算根据剪切法计算得出单层根式基础抗拔极限承中 国 科 技 论 文第 卷图地表裂缝 载力为 ，高于现场实测数据，可能导致这一差异的原因包括：）本文根式基础规定上拔最大位移量（）与 建筑基桩检测技术规范（）规定的累计桩顶上拔量（）不同；）理论计算中未考虑基础与根键的相对变形以及离散根键形成的不连续破裂面。因此，在进行基础的抗拔试验及承载力的理论计算时，应取计算结果的理论值乘以规范中相应的折减系数作为根式基础极限抗拔承载力。数值模拟优化设计对于根键式 基础 来说，现场 试验 不 能 充 分 考虑根键的布置型式对根键式基础极限承载力的影响，因此，为推广根键式基础的工程应用，优化根键的布置，需要通过 数值模拟软件进行进一步的研究分析，探讨根键的不同布置型式 对根键桩 上 拔 承 载 能 力 的 影 响。基 础 采 用 弹 性 模型，为避免边界效应的影响，基础周围土体尺寸选用 倍 根 键 式 基 础 直 径、倍 基 础 埋 深。选 取 本构模型，采用表面与表面接触方式，切向接触为“罚”接触，摩擦系数为；法向接触为“硬”接触，采用六面体网格，通过位移控制法施加上拔加载。模型有限元网格划分如图所示，材料参数见表。图模型有限元网格划分 表模型材料参数 部件密度（）（）弹性模量（）泊松比（）黏聚力（）摩擦角（）（）桩 土体 根键 模型验证为验证上述模型的可靠性与可行性，分别以现场试验单层根键式基础及双层根键式基础的抗拔承载性能进行验证，上拔荷载位移曲线的试验与模拟结果对比如图所示。可见，现场实测荷载位移曲线趋势与模拟结果大致相同，但模拟结果略小于现场试验结果。原因是模拟中并未考虑根键顶进周围土体导致的挤密效应。为更加明确模型的正确性，以上拔产生突变为破坏标准，其对比结果见表。可知，试验与模拟结果差距较小，误差在允许范围内。总体来说，种基础的数值模拟结果与试验结果趋势较为吻合，差距相对较小，说明该模型能够真实反映现场实际情况。图上拔荷载位移曲线的试验与模拟结果对比 表上拔突变的试验与模拟结果对比 桩型抗拔承载力 试验模拟增量单层根键式基础 双层根键式基础 根键数量对承载力的影响不同根键数量下根键式基础上拔荷载位移曲线如图所示。可知，根键式基础的抗拔极限承载力随着根键数量的增加而不断增大。不同根键数量下的抗拔承载力见表。可以看出：较无根键式基础而言，增加根键后，由于根键分担了部分竖向荷载，使得根键式基础的抗拔极限承载力有所提高。起初其抗拔承载力增长幅度较大，但随着根键数量的增加，提高幅度越来越小。这是因为根键太少时，不能充分调动根键之间的土体来抵抗上拔荷载的作用，但是数量太多时，根键上方土体的塑性区会相互重叠，形成贯通的塑性区，作用相互影响，反而不利于抗拔承载力的提高，所以选择合适的根键数量既要使根键上方土体之间充分发挥作用，又要避免根键太密，塑性区相互影响。对于 桩径的根键式基础来说，施工过程中，考虑到经济性，选取根根键最为合理。第期马泽慧，等：输电杆塔根键式基础抗拔承载特性图不同根键数量下根键式基础上拔荷载位移曲线 表不同根键数量下的抗拔承载力 根键数量抗拔承载力 增大幅度 根键顶进长度对承载力的影响本课题组研究发现，较长根键具有一定的施工难度，根键式基础嵌入原状土长度宜小于 倍桩径。选取 桩径根键式基础的顶进长度分别为、进行分析，不同根键顶进长度下根键式基础上拔荷载位移曲线如图 所示。可知，增加根键顶进长度可提升根键式基础的上拔承载力，顶进长度为、时抗拔承载力较无根键式基础分别提高了、。建议设计根键式基础时结合工程实际情况合理选取根键顶进长度来提高基础的极限抗拔承载力。图 不同根键顶进长度下根键式基础上拔荷载位移曲线 根键层数及层间距对承载力的影响设置单层根键式基础（根键埋深为）、双层根键式基础（层间距分别为 和）和层根键式基础（第一层根键埋深为、第二层根键埋深为、第三层根键埋深为），不同层数及层间距下根键式基础上拔荷载位移曲线如图 所示。可见：在双层根键或层根键作用下，根键式基础的抗拔承载力反而减小；根键式基础设置双层根键时，保证其他参数不变，层间距的变化对根键式基础抗拔承载力的影响甚微。根键埋深太浅，受到竖向荷载作用时，顶层根键带动根键上部土体一起上拔，从而减小了下部土体的侧向压力，进一步导致桩身侧阻减小，接近地面的根键对抵抗上拔荷载作用较小，从而导致基础抗拔承载力降低。根键间距较小时，根键利用率较低，会造成资源浪费；相反，根键间距较大时，各个根键独立承担上拔荷载，减小了根键与土体的共同作用。因此，对于埋深为 的根键式基础，布置单层根键即可达到抗拔承载力及经济最大化。图 不同层数及层间距下根键式基础上拔荷载位移曲线 讨论为解决抗拔承载力不足的问题，本文选用根键式基础，针对其布置型式，首先需要确定根键顶进长度及每层根键数量，其次确定根键埋设位置和根键层间距，最后确定根键层数。根键顶进长度由不同工况下根键弯矩分布确定，根键数量依据基础直径选择，做到既能充分调动根键间土体作用，又不会造成土体塑性区的相互重叠。对于多层根键式基础，顶层根键位置对基础抗拔承载性能影响较大，首层根键不同深度会影响土体塑性区的发展，根据抗拔承载力提高幅度及经济性对比确定根键层间距及层数。各层根键间塑性区不重叠、土体不产生土拱效应为根键最佳布置型式。本文对根键的常规布置进行了探讨，也发现了一些不足之处，多层根键受上部中 国 科 技 论 文第 卷土体扰动影响，应考虑不对称布置或交错式布置，使得根键间平面作用面积增大，与土体相互作用加强并且避免根键层间塑性区的重叠，理论研究有待进一步解决。结论）根键式基础通过根键增加了桩基与土体的接触，利用根键顶进周围原状土体中产生挤密效应，基础抗拔承载力可达到 ，明显高于传统基础，使得根键在桩顶位移很小时就能发挥较高的承载作用，较好地控制桩顶位移，以提高桩基础的极限抗拔承载力。）基于安全性考虑，采用剪切法力学计算模型进行根键式基础抗拔承载力计算时，应取理论计算值乘以相应的折减系数得到的抗拔极限承载力。）通过有限元模型对根键进行优化布置，建立了不同根键数量、顶进长度、层数及层间距的模型，得到了掏挖类根键式基础定量结论，提出了根键的优化布置方式。致谢：感谢兰州理工大学王贵田老师，孙昆、徐蔚、孟凡成同学在论文试验过程中提供的帮助！（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：）参考文献（）殷永高根 式 基 础 及 根 式 锚 碇 方 案 构 思 公 路，（）：，（）：（）龚维明，胡丰，童小东，等根式基础竖向承载性能的试验 研 究 岩 土 工 程 学 报，（）：，（）：（）龚维明，杨超，戴国亮，等侧壁后注浆根式沉井竖向承载特性原位试验研究建筑结构学报，（）：，（）：（）杨灿文马鞍山长江公路大桥左汊主桥悬索桥南锚碇基础比选中外公路，（）：，（）：（）林友当，夏理巧，李凌志，等深厚软土区根键桩竖向承载 特 性 的 现 场 试 验 公 路，（）：，（）：（），（）：杨光武，黄茂松，张陈蓉根式沉井基础力学分析与施工工艺桥梁建设，（）：，（）：（）章征，张立奎，殷永高根式沉井基础竖向承载力自平衡试验研究桥梁建设，（）：，（）：，（）刘彦峰，严艺薰根键式基桩竖向承载力自平衡法试验研究世界桥梁，（）：，（）：（）孙砚，葛楠，侯超群，等根式基础竖向承载力模型试验研究合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：（）葛楠，孙砚，侯超群，等砂土中根式抗拔桩模型试验研究长江科学院院报，（）：，（）：（）袁乾坤，侯超群，殷永高，等砂土地基中根式抗拔桩承载性能模型试验安徽建筑，（）：，（）：，（）胡红波，彭鑫，滕丹根式基础在密实砂土地区的应用研究中外公路，（）：，（）：（）朱小军，戴良岩，袁伟，等根式沉井抗拔特性试验与数值模拟扬州大学学报（自然科学版），第期马泽慧，等：输电杆塔根键式基础抗拔承载特性（）：，（），（）：（）殷永高，孙敦华，龚维明根式基础承载特性的试验与数值模拟 研 究 土 木 工 程 学 报，（）：，（）：（）殷永高，蒋劲松，任伟新大吨位根式基础竖向承载性能研究安徽建筑，（）：，（）：（）电力规划设计总院架空输电线路基础设计技术规程：北京：中国计划出版社，：，（）中国人民共和国建设部建筑基桩检测技术规范：北京：中国建筑工业出版社，：，（）（上接第 页）张媛车辆轨道桥梁系统的空间耦合振动及其环境振动天津：天津大学，：，：（）刘安双，黎小刚，郭向荣，等大跨度轨道悬索桥合理刚度限值研究重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：（），（）：，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部城市轨道交 通 桥梁设计规范：北京：中国建筑工业出版社，：，（）国家铁路局机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范：北 京：中 国 标 准 出 版社，：，（），：