段輝順 楊文智 崔強(qiáng) 毛矛 劉生奎 戶(hù)世偉

摘 要：以輸電線(xiàn)路工程中常用的擴(kuò)底形和直柱形原狀土基礎(chǔ)為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展斜坡地基條件下水平荷載工況的現(xiàn)場(chǎng)靜裁試驗(yàn)，對(duì)比分析了直柱形和擴(kuò)底形基礎(chǔ)在荷載一位移曲線(xiàn)、地基承裁力、界面土壓力分布以及地基土體破壞模式等方面的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)基礎(chǔ)水平承載一位移曲線(xiàn)、水平荷裁一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)整體呈緩變形即“直線(xiàn)一曲線(xiàn)一直線(xiàn)”三階段變化趨勢(shì)，而兩者之間的差異在于荷載一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)在臨近曲線(xiàn)段末尾處突然發(fā)生翹起；相較于直柱形基礎(chǔ)，擴(kuò)底的設(shè)置增加了基底的抵抗力矩，同時(shí)降低了基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)中心位置，使得擴(kuò)底形基礎(chǔ)承載力較直柱形得到了提高；兩種形式基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力均沿深度方向呈拋物線(xiàn)形分布；基礎(chǔ)發(fā)生破壞時(shí)，兩種形式基礎(chǔ)在臨近下坡側(cè)均出現(xiàn)大量羽狀裂縫，并伴有地基土隆起，擴(kuò)底的設(shè)置使得基礎(chǔ)對(duì)周?chē)馏w的影響深度和范圍均增加。

關(guān)鍵詞：架空輸電線(xiàn)路；斜坡地形：擴(kuò)底形基礎(chǔ)；直柱形基礎(chǔ)；水平靜載試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.023

黃土主要分布在我國(guó)甘肅、寧夏、陜西和河南等省（區(qū)），在河北、山東、內(nèi)蒙古、青海、新疆及東北等地也有零星分布[1-3]，其微觀結(jié)構(gòu)較為特殊，因此在工程中表現(xiàn)出特有的物理力學(xué)性質(zhì)[4-5]。目前在“西電東送”“疆電外送”的大背景下，輸電線(xiàn)路不可避免地需要經(jīng)過(guò)廣闊的黃土丘陵地區(qū)，為滿(mǎn)足輸電鐵塔修建的需要，部分桿塔基礎(chǔ)將修建在斜坡地基上。為充分利用山區(qū)原狀土地基的工程特性，在斜坡地面采用原狀土基礎(chǔ)是我國(guó)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。魯先龍等[6]提出了4種斜坡地形輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)和桿塔結(jié)構(gòu)的配合方案，分別為鐵塔等長(zhǎng)腿配等高基礎(chǔ)、鐵塔等長(zhǎng)腿配深淺基礎(chǔ)、鐵塔長(zhǎng)短腿配等高基礎(chǔ)、全方位鐵塔長(zhǎng)短腿配高低主柱基礎(chǔ)，目前在多條線(xiàn)路工程中被廣泛采用。

桿塔基礎(chǔ)在承受拉/壓交變荷載作用時(shí)，還承受較大的水平荷載，通常情況下，桿塔基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)控制條件。與平地條件地基相比，斜坡地基低坡側(cè)臨空面減弱了對(duì)桿塔基礎(chǔ)的橫向約束，降低了桿塔基礎(chǔ)的水平承載力。

針對(duì)平地地基條件下基礎(chǔ)水平承載性能方面的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[7-12]，部分研究成果已形成相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。相比而言，斜坡地基基礎(chǔ)水平承載性能方面的研究還處在試驗(yàn)階段，并且研究對(duì)象多為樁基礎(chǔ)。如：鄧凡[13]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬，研究了水平荷載作用下斜坡樁的工作性狀及樁前場(chǎng)地土的位移變化等：乾增珍等[14]采用極限分析法，研究了水平荷載作用下斜坡地形高露頭挖孔樁基礎(chǔ)的樁土體系穩(wěn)定性及承載機(jī)理：李彰明等[15]對(duì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行樁基水平荷載試驗(yàn)，研究水平力作用下樁體變形特征及承載力：郭永建等[l6]利用離心試驗(yàn)機(jī)對(duì)端承樁與摩擦樁的基礎(chǔ)施加水平荷載和豎向荷載，給出了邊坡樁基受力性能的研究方法，并進(jìn)行了受力機(jī)理分析。

上述研究工作涉及的對(duì)象多為等截面結(jié)構(gòu)形式的樁基礎(chǔ)，而輸電線(xiàn)路工程為提高基礎(chǔ)的抗拔和抗水平承載性能常常在柱底設(shè)置一定大小的擴(kuò)大頭。目前針對(duì)擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載特性以及擴(kuò)底的設(shè)置對(duì)地基基礎(chǔ)承載性能影響方面的研究尚顯缺乏，由此導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)中關(guān)于斜坡地基擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載力的計(jì)算缺乏理論依據(jù)，依舊按照等截面樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文以輸電線(xiàn)路工程中常采用的直柱形與擴(kuò)底形原狀土基礎(chǔ)為研究對(duì)象，在斜坡傾角為200的黃土斜坡地基上開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)水平承載性能試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)在荷載一位移曲線(xiàn)變化特征、水平承載力、土壓力分布以及地基破壞模式等方面的特點(diǎn)和差異。旨在通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為下一步研究斜坡地基擴(kuò)底基礎(chǔ)水平承載力的設(shè)計(jì)方法提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅榆中車(chē)道嶺，地處黃土高原丘陵區(qū)，斜坡傾角β= 20°。地表黃土為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土（Q ），淡黃色，土質(zhì)均勻，大孔發(fā)育，具垂直節(jié)理。其成分以粉土為主，包含細(xì)砂、粉土、黏粒等。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的黃土試樣進(jìn)行土體基本物理特性指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如下：天然密度為1.31 g/cm3，相對(duì)密度為2.71，含水率為6.82%，干密度為1.23 g/cm3，天然孔隙比為1.21。

1.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù)黃土地區(qū)輸電線(xiàn)路T程特點(diǎn)以及黃土地基特殊的T程性質(zhì)，本次試驗(yàn)以擴(kuò)底形（ KTl）和直柱形（ ZTl）原狀土基礎(chǔ)為研究對(duì)象，根據(jù)750 kV輸電線(xiàn)路工程的荷載，設(shè)計(jì)出適用于工程的全尺寸試驗(yàn)基礎(chǔ)，如圖1所示。

兩種結(jié)構(gòu)形式的原狀土基礎(chǔ)均采用人工掏挖成孔，將事先制作完成的鋼筋骨架固定于基坑中，以土代模，一次澆筑成型。除存在擴(kuò)底與否的差異外，兩種基礎(chǔ)具有相同的配筋以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)?；A(chǔ)澆筑完成后達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)期時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 加載裝置

試驗(yàn)基礎(chǔ)的水平荷載由滑輪組系統(tǒng)提供，滑輪組一端依次與拉力傳感器（用于測(cè)試滑輪組系統(tǒng)所施荷載）和試驗(yàn)基礎(chǔ)相連，另一端與反力地錨相連，中間經(jīng)轉(zhuǎn)向架調(diào)節(jié)，將荷載方向調(diào)整為水平向，整套加載系統(tǒng)沿斜坡傾向布置，如圖2所示。

1.4 測(cè)試原件布置

為了測(cè)量基礎(chǔ)的側(cè)向位移和旋轉(zhuǎn)角度，在試驗(yàn)基礎(chǔ)頂面以及沿水平力方向的基礎(chǔ)側(cè)面分別布置位移傳感器Sl～S6，如圖3所示。通過(guò)測(cè)讀Sl～S6傳感器的數(shù)值（S1～S6），按照式（1）和式（2）可確定基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角和水平位移。

為了獲得基礎(chǔ)周?chē)馏w的應(yīng)力分布，分別在直柱形基礎(chǔ)的側(cè)壁、擴(kuò)底形基礎(chǔ)的側(cè)壁和基底布置一定數(shù)量的土壓力傳感器，如圖4所示。

1.5 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用慢速荷載維持法，具體加卸載方案、加卸載終止條件見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)布置在基礎(chǔ)頂部的數(shù)字式電子位移傳感器直接采集并記錄基礎(chǔ)水平位移，通過(guò)土壓力傳感器采集并記錄樁土界面的土壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)荷載位移曲線(xiàn)

通過(guò)測(cè)讀每一級(jí)荷載下的水平位移，獲得試驗(yàn)基礎(chǔ)的水平荷載位移曲線(xiàn)，如圖5所示。由圖5可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)荷載位移曲線(xiàn)整體變化規(guī)律相似，出現(xiàn)“直線(xiàn)一曲線(xiàn)一直線(xiàn)”三個(gè)特征階段。加載初期，水平荷載較小，基礎(chǔ)周?chē)馏w在基礎(chǔ)側(cè)壁擠壓下逐漸加密，荷載位移曲線(xiàn)呈直線(xiàn)變化，該階段地基土體呈彈性變形性狀：隨著水平荷載的不斷增大，基礎(chǔ)周?chē)馏w開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)，荷載位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)出變化率不斷增大的非線(xiàn)性變化趨勢(shì)，該階段地基土體呈現(xiàn)出塑性變形性狀：當(dāng)水平荷載增大到一定值時(shí)（ZTI為200kN，KT1為240 kN），荷載位移曲線(xiàn)變化率趨于穩(wěn)定，曲線(xiàn)出現(xiàn)直線(xiàn)陡降，該階段地基土體塑性區(qū)已擴(kuò)大，基礎(chǔ)周?chē)馏w出現(xiàn)整體破壞。

統(tǒng)計(jì)每一級(jí)荷載作用下位移傳感器Sl～ S6的數(shù)據(jù)，通過(guò)式（1）換算，獲得荷載與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6所示。由圖6可以看出，荷載一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)與荷載一位移曲線(xiàn)整體變化趨勢(shì)相似，同樣呈現(xiàn)出“直線(xiàn)一曲線(xiàn)一直線(xiàn)”的三個(gè)變化階段。與荷載一位移曲線(xiàn)不同的是，當(dāng)水平荷載達(dá)到某一值時(shí)（ZT1對(duì)應(yīng)150kN、KT1對(duì)應(yīng)200 kN），荷載一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)突然發(fā)生翹起，隨后減小。

2.2 基礎(chǔ)水平承載力

按照現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范[17]，取水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的水平荷載為基礎(chǔ)的極限承載力（見(jiàn)表1）。由表1可以看出，相同允許位移條件下，擴(kuò)底形基礎(chǔ)的水平承載力較直柱形基礎(chǔ)的大19%。原因是擴(kuò)底的設(shè)置使得土體在基礎(chǔ)底部產(chǎn)生一對(duì)大小相同、方向相反的反力（F1、f2），從而產(chǎn)生負(fù)彎矩，該彎矩方向與水平力產(chǎn)生的彎矩相反，起到阻止基礎(chǔ)側(cè)移或旋轉(zhuǎn)的作用，如圖7所示。

2.3 地基一基礎(chǔ)界面土壓力

通過(guò)處理預(yù)先埋置在土體內(nèi)部的土壓力傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，分別獲得試驗(yàn)基礎(chǔ)的土壓力分布規(guī)律，如圖8所示。由圖8可以看出：無(wú)論是擴(kuò)底形基礎(chǔ)還是直柱形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)側(cè)壁的土壓力沿深度方向整體上都呈拋物線(xiàn)形分布，即迎土側(cè)土壓力首先隨深度的增大逐漸增大，達(dá)到某一峰值后轉(zhuǎn)而隨深度的增大逐漸減小，達(dá)到某一深度土壓力變?yōu)?（即反彎點(diǎn)），接著背土側(cè)土壓力隨深度增大逐漸增大，并在基礎(chǔ)埋深處達(dá)到最大值。試驗(yàn)基礎(chǔ)的反彎點(diǎn)可認(rèn)為是基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)的反彎點(diǎn)位置不同。直柱形基礎(chǔ)反彎點(diǎn)位置位于距離地面3.54 m深度處，擴(kuò)底形基礎(chǔ)反彎點(diǎn)位置與直柱形基礎(chǔ)相比出現(xiàn)下移，在距離地面4.19 m深度處，與擴(kuò)底的起擴(kuò)點(diǎn)位置相當(dāng)。位于擴(kuò)底形基礎(chǔ)KT1下坡側(cè)的基底土壓力為負(fù)值（受壓），上坡側(cè)土壓力為正值（受拉），且越偏離基礎(chǔ)中心，其值越大?；淄翂毫φ⒇?fù)值變號(hào)處位于靠近基底中心且偏下坡側(cè)的位置，表明基礎(chǔ)在水平荷載作用下基底有沿垂直于水平力方向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置偏向下坡側(cè)。

2.4 地基破壞模式

試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)量測(cè)分布于坡面的裂縫范圍和尺寸，獲得斜坡地基的破壞面，如圖9所示。由圖9可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)基礎(chǔ)在下坡側(cè)均出現(xiàn)大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，以上破壞特征以水平力作用線(xiàn)為軸呈對(duì)稱(chēng)性分布，這一點(diǎn)與鄧凡13]的模型試驗(yàn)結(jié)果相同。擴(kuò)底形基礎(chǔ)破壞時(shí)地基影響范圍較直柱形的大，擴(kuò)底形基礎(chǔ)影響范圍為2.9 m（即2.9倍立柱直徑），直柱形基礎(chǔ)影響范圍為1.4 m（即1.4倍立柱直徑）。原因是擴(kuò)底的設(shè)置增大了基底的抵抗力矩，使基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心位置降低，增強(qiáng)了土體對(duì)于基礎(chǔ)的嵌固作用，這種作用導(dǎo)致更深的土體受到了基礎(chǔ)側(cè)移造成的影響，從而擴(kuò)大了基礎(chǔ)破壞時(shí)地基土體的發(fā)展深度和影響范圍。

3 結(jié)論

本文在β= 20°的黃土斜坡地基上開(kāi)展了擴(kuò)底形和直柱形基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)水平承載特性試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種基礎(chǔ)荷載一位移曲線(xiàn)、水平承載力、界面土壓力、地基破壞模式等的差異。主要結(jié)論如下：

（1）兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)的水平荷載一位移曲線(xiàn)、水平荷載一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出“直線(xiàn)一曲線(xiàn)一直線(xiàn)”三個(gè)變化階段。與荷載位移曲線(xiàn)不同的是，荷載一轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)在臨近曲線(xiàn)段末尾處突然發(fā)生翹起，隨后呈直線(xiàn)減小，直柱形與擴(kuò)底形基礎(chǔ)的翹起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載分別為150 kN和200 kN。

（2）與直柱形基礎(chǔ)相比，擴(kuò)底形基礎(chǔ)具有更大的水平承載力，以及更寬的裂縫開(kāi)展范圍，原因是擴(kuò)底的設(shè)置增大了基底的抵抗力矩，使得基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)中心發(fā)生下移。

（3）水平荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力沿深度方向整體均呈拋物線(xiàn)形分布，基底有沿垂直于水平力方向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。對(duì)于擴(kuò)底形基礎(chǔ)，斜坡的存在使得基底轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置更偏向于下坡側(cè)。

（4）基礎(chǔ)破壞時(shí)，地基土體呈現(xiàn)出以水平力作用線(xiàn)為軸的對(duì)稱(chēng)性破壞，具體表現(xiàn)為基礎(chǔ)下坡側(cè)周邊產(chǎn)生大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，擴(kuò)底形基礎(chǔ)破壞范圍和深度均較直柱形基礎(chǔ)大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范：GB50025-2004[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：8，60.

[2] 魯先龍，程永鋒.我國(guó)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)T程現(xiàn)狀與展望[J].電力建設(shè)，2005，26（11）：25-27.

[3] 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：418-432.

[4] 田堪良，王沛，張慧莉.黃土結(jié)構(gòu)性分析及新認(rèn)識(shí)[J].人民黃河，2012，34（4）：145-148.

[5] 張寧寧，駱亞生.易溶鹽對(duì)黃土強(qiáng)度特性的影響[J].人民黃河，2014，36（8）：103-105.

[6] 魯先龍，程永鋒.斜坡地形輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)和桿塔的配合技術(shù)[J].電力建設(shè)，2011，32（8）：29-33.

[7] 張雁，劉金波.樁基手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：155 -184.

[8]楊文智.微型樁水平承載性狀研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2011：56-72.

[9] 馬志濤.水平荷載下樁基受力特性研究綜述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，34（5）：546-551.

[10] 崔強(qiáng)，魯先龍，馮白霞.水平荷載作用下加翼掏挖基礎(chǔ)承載特性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7（3）：457-463.

[11] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.港口工程樁基規(guī)范：JTS167 - 4-2012[S].北京：人民交通出版社，2012：87-79.

[12] 胡立萬(wàn)，周建國(guó).單樁水平承載力計(jì)算方法的比較分析[J].北方交通，2003 （4）：19-22.

[13] 鄧凡.水平荷載下樁與斜坡土體相互作用機(jī)理的試驗(yàn)研究[D].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2009：17 -52.

[14] 乾增珍，魯先龍.斜坡地形高露頭挖孔樁水平承載特性試驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），

2009，28（2）：225-227.

[15] 李彰明，全國(guó)權(quán)，劉丹，等.土質(zhì)邊坡建筑樁基水平荷載試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（6）：930-935.

[16] 郭永建，謝永利，江黎，等.邊坡樁基受力特性的離心模型試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（1）：35-39.

[17] 國(guó)家能源局.架空送電線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL/T5219-2014[S].北京：電力工業(yè)出版社，2014：150-152.