输电线路微型桩模型设计及多通道加载实验方法

杨　雷，董　梅，张大长，宋林辉，黄飞龙

（1.连云港供电公司，连云港江苏222000；南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816）

输电线路微型桩模型设计及多通道加载实验方法

杨雷1，董梅1，张大长2，宋林辉2，黄飞龙2

（1.连云港供电公司，连云港江苏222000；南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816）

根据输电线路基础的受力特点以及江苏省输电线路通道走廊上的工程地质条件，阐述了微型桩基础的特点以及在输电线路工程中的适应性；探讨并提出微型桩试验模型的设计和制作方法。研究并提出采用多杠杆、滑轮和钢丝绳的微型桩模型试验的实验方法，可以进行多通道、多方向的复合加载。制作微型桩的室内模型试验，研究桩基荷载-变形力特性，为微型桩基础的承载力设计理论研究以及工程设计应用提供理论依据。

微型桩基；试验模型；多向加载；多通道

高压输电线路中的杆塔基础所承受的荷载大、形式复杂，且同时承受下压荷载、水平荷载和上拔荷载的作用。目前输电线路中常用的杆塔基础形式主要有扩展基础、大板基础、灌注桩基础等［1，2］。扩展式基础配筋量和土方开挖量大、占地面积大、施工机具笨重、搬运困难；大板式基础成本较高、土方量大、施工复杂，特别是在淤泥土质中底板施工存在较大难度，不易保证工程质量，基础易产生不均匀沉降；灌注桩基础造价高、质量不易控制，尤其在淤泥土质中成孔施工较难把握。

江苏省连云港地区多为柔弱基地，针对该类开挖基础施工困难、承载力不容易满足要求，采用单桩、群桩基础时基础造价较高，且受到许多地质条件的限制。目前，我国关于微型桩基础承载力特性及设计方法的研究尚少，在输电线路杆塔基础工程中的应用也不太多。输电线路中抗拔荷载与抗倾覆能力是微型桩基础设计控制条件，但目前国内尚没有关于微型桩的专门设计方法可以参考［3，4］。根据微型桩基础的特点，探讨了微型桩试验模型的设计和制作方法；提出微型桩模型试验方法；制作微型桩的室内模型试验方案，研究桩基荷载-变形特性，为微型桩基础的承载力设计理论研究以及工程设计应用提供理论依据。

1　微型桩基础

微型桩是在树根桩基础上发展起来的一种新型小型钻孔灌注桩，直径（d）通常小于0.4 m但长细比较大（一般大于30）［5-8］。通过小型钻孔灌注设备在地基中国成孔，然后在孔中下入设计所需要的钢筋笼和注浆管，采用压力注浆成桩或者灌注细石混凝土成桩。

微型桩杆塔基础是一种适用于输电线路工程软土地基区域的一种新型环保基础，其优越性如下：（1）压力注浆可明显改善桩周土体的工程力学特性、提高地基基础承载力；（2）相同承载力要求下，微型桩基础材料用量较小；（3）微型桩施工机具简单，对环境和场地适应性强；（4）微型桩基础泥浆排放量较少，施工振动和噪声较小，有利于保护环境。

随着微型桩技术的不断发展，近些年尝试在软土地基输电线路工程中应用。但是，由于国内外还没有微型桩基础的相关设计公式和方法，同时施工过程的参数取值也无相关规范加以界定，现场施工随机性大，因此在应用中遇到了很大的困难。

2　微型桩基础试验模型设计

模型桩要求符合以下特点：d小于等于400 mm，长径比大于等于30，且制作方便。因此，材料不考虑相似比而采用有机玻璃；d分别采用20 mm，30 mm，桩长（L）分别取600 mm，850 mm，模型设计长径比为30 和28.3。桩模型与承台通过氯仿将桩模型和承台模型紧密的连接在一起，单桩及群桩模型的具体尺寸如图1所示，承台模型有180 mm×180 mm、270 mm×270 mm 2种。

如表1所示，该项目设计制作了6组模型基础，包括4个单桩基础和2组3×3群桩基础，群桩基础为2 组3×3竖群桩基础。微型桩模型的d分别为20 mm，30 mm，群桩的桩间距为3d，群桩基础的承台厚度按文献［9］计算确定。

表1试验模型参数及荷载工况

对6个微型桩基础分别开展下压、上拔及水平加载试验，考察不同桩基参数下的荷载-变形特性。

2　桩基试验模型制作

2.1试验用土

该项目模型试验用土取自某工程场地土中厚度最大、承载力较低的淤泥质土，在现场开挖后运至实验室，装入土箱，并埋置各单桩及群桩模型基础。

通过堆载预压和真空降水2种措施同时进行固结，待土地基本完成固结后开始基础承载力试验研究；同时，对土箱内的土体进行土工试验，试验用土的土性如表2所示。

表2试验用土的相关参数

2.2桩基埋置

模型桩粘贴好应变片后，在模型桩的表面均匀涂满AB胶并均匀撒上一层细沙，既能保护好应变片不被土中的细石或其他杂物划坏，也能增加桩身表面与土体之间的摩擦力，更加有利于观察模型桩在分级荷载作用下的荷载位移曲线等规律。涂裹细沙的模型桩如图2（a）所示。

2.3桩-土固结

将淤泥质粉质黏土分层回填于试验土箱中，依次将相应的微型群桩模型及单桩模型埋入土中，在埋入到预定高度之后回灌土浆至承台底部，并在承台上部回填淤泥质土，压实至设计高度，现场布置如图2（b）所示。回填完毕后在淤泥质土上堆质量块，对土体进行堆载预压固结，并同时在土箱4个角落处的降水点进行真空降水固结。2种固结方式同时进行，对土体进行为期6周的固结。

图2模型桩基础

3　多通道加载实验方法

3.1加载方法

试验采用自主设计制作的一种多通道同步多点加载试验装置进行加载，分别进行下压、上拔、水平荷载试验。试验组件包括模型箱、基础模型、加载杠杆组件、反力横梁、杠杆支座组件等。

下压承载力试验时加载杠杆固定端安装在杠杆支座下侧，在杠杆中部与基础模型连接，杠杆加载端设有多个挂点用于悬挂质量块，实现多点加载，如图3所示。

图3下压试验装置

上拔承载力试验时加载杠杆固定端安装在杠杆支座上侧，在杠杆的一端通过钢绞线与基础模型连接，另一端悬挂重物，可实现多点加载。

水平承载力试验时，利用钢绞线与基础模型上的立柱连接，另一端通过定滑轮悬挂重物，从而实现逐级加载。其中，定滑轮固定于底座上，底座由该项目自主设计加工并固定于模型土箱的箱壁上，如图4所示。

由于施加水平工况时已经有部分下压工况的作用，下压工况使得加载杠杆与立柱之间的接触面产生摩擦力，使得立柱在水平工况下的水平位移受到摩擦力而减小，水平位移读数便会偏小。该项目在立柱顶端布置一块矩形镜面钢板，其上放置数根小钢棍，这样既将加载杠杆与立柱之间的摩擦力降到最低，同时镜面钢板伸出部分也可用于布置竖向位移计，便于记录桩模型的荷载位移曲线。

3.2加载制度

3.2.1下压试验

在固结结束后，根据试验土的具体土工参数以及《建筑桩基设计规范》的相关规定，对试验模型桩的承载力进行预估，分别计算出各自的大致极限承载力。按文献［10］4.3.4条，进行分级加载，逐级等量加载，分级荷载取预估下压极限承载力的1/10。考虑到加载杠杆和试块篮的自重等因素，该项目第一级荷载采取分级荷载的2～3倍。

3.2.2水平试验

为了模拟现场施工时对微型桩的作用，该项目在对模型桩预压第一级竖向荷载后开始进行水平静载试验，试验过程中竖向下压荷载一直保持不变。考虑模型试验的特殊性，依然采用快速维持荷载法。根据试验土的具体土工参数及《建筑桩基设计规范》的相关规定，对群桩模型进行水平力预估，然后分5级进行加载。5级荷载结束便进行下一级竖向荷载的加载，继续进行下压试验。水平静载试验的试验步骤与下压试验类轴对称似，并及时绘制群桩模型的水平荷载位移曲线。

3.2.3上拔试验

下压试验结束后，将试验土重新进行堆载预压，让土体与桩身重新产生良好的固结。与下压试验类似，根据下压试验得到的竖向抗压极限承载力，考虑上拔时只有桩身摩阻力，桩端摩阻力很小可以忽略，根据《建筑桩基设计规范》的相关规定进行计算后，预估试验桩的上拔承载力为各自抗压极限承载力的70%左右。

该项目分级荷载取预估极限承载力的1/8，其中第一级荷载根据加载篮的自重因素取分级荷载的2～3倍。上拔试验每级荷载维持时间取2 h，具体加载制度与下压试验类似。

3.3测试方案

三是大力营造森林防火的浓厚氛围。按照“大声势、高频率、广覆盖”的要求，在全市组织开展森林防火“宣传月”活动。在重点林区、重点村镇大密度设置、悬挂、刷新和张贴高标准、人性化的防火宣传标语、标牌、横幅；充分利用广播、电视、报纸、微信、微博等媒体媒介，采取开动宣传车、张贴标语、刊发警示短语短信、送明白纸进村入户等形式，及时宣传推广经验做法和典型案例，做到宣传到户到人，营造全社会关注森林防火、参与森林防火的浓厚氛围，切实增强全民的森林防火意识。

3.3.1应变测试

图4水平荷载工况现场装置

为了掌握分级施加荷载过程中模型桩的应变发展特点及规律，应在模型桩的典型部位粘贴电阻应变片，测试加载过程不同部位的应变。长度为600 mm的模型桩中，应变片粘贴位置分别为距两端100 mm处、1/2管长。长度为850 mm的模型桩中，应变片粘贴位置分别为距低端100 mm处、300 mm处、500 mm处、700 mm处。模型桩两侧对称布置2道应变片，应变片的布置及编号如图5所示。

图5模型桩的应变片布置

在对3×3群桩模型进行分级加载的过程中，只需在典型的部分模型桩上贴应变片以观察应变发展，并不需要在全部模型桩上贴应变片，故在9根模型桩中选取了典型的5根用于贴应变片。应变片型号为BE120-5AA，其尺寸分别为10mm×4mm，该应变片的最大有效应变均为2%～3%，即约20000～30000με。

3.3.2位移测试

为了准确测定加载过程中群桩或单桩的下沉、上拔和水平位移情况，以得到竖向和水平方向的荷载-位移曲线。在立柱顶面对称的两侧设置2个竖向位移计，在立柱侧面设置1个水平位移计，位移计量程均为±50 mm。

4　下压试验结果

根据GB50007—2011［11］，计算得到单桩DZ1的预估承载力为0.6 kN，参考文献［10］开展该单桩的下压承载力试验，考虑到该模型试验的特殊性，单桩承载力本来就很小，故按照极限承载力的1/6逐级增加荷载进行加载试验，即每级荷载为0.06 kN。

（1）下压荷载-位移（F-s）曲线。试验得到的F-s如图6所示，试验中加至0.66 kN时F-s曲线的下降趋势已经很明显，故停止加载。根据文献［10］规定，对于陡降型荷载-沉降曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值，所以单桩DZ1的抗压承载力由试验确定为0.6 kN。

图6单桩DZ1的F-s曲线

试验加载过程中单桩DZ1的地表没有明显裂缝，单桩四周土体没有明显凹陷。

（2）典型测点应变发展特点。试验加载过程中，DZ1布置有8个应变片，应变发展如图7所示。

图7单桩基础DZ1的典型应变发展

5　结束语

根据输电线路基础的受力特点以及江苏省输电线路通道走廊上的工程地质条件，阐述了微型桩基础的特点以及在输电线路工程中的适应性；探讨并提出微型桩试验模型的设计和制作方法。研究并提出采用多杠杆、滑轮和钢丝绳的微型桩模型试验的实验方法，可以进行多通道、多方向的复合加载。制作微型桩的室内模型试验，研究桩基荷载-变形力特性，为微型桩基础承载力设计理论研究及工程设计应用提供理论依据。

［1］陈俊吉，邹小平.关于输电线路杆塔基础设计的探讨［J］.建筑知识，2014，26（1）：11-15.

［2］刘树堂.输电杆塔结构及其基础设计［M］.北京：中国电力出版社，2008：57-61.

［3］苏荣臻，杨文智.黄土地基微型桩杆塔基础施工工艺［J］.电力建设，2013，34（8）：121-124.

［4］苏荣臻，李晋珍，田 宇.粉土地基微型桩基础抗压承载力试验研究［J］.建筑科学，2012，28（1）：55-58.

［5］庞烈鑫.树根桩在黄土隧道基底加固中的应用研究［D］.陕西：西南交通大学，2006.

［6］陈 伟，刘 涛，孙金坤.微型桩在深基坑处理中的应用［J］.施工技术，2006，35（S2）：69-70.

［7］张秋晗，甘凤林.输电铁塔微型桩基础中桩-土共同作用研究［J］.吉林电力，2013，41（1）：34-36.

［8］屈 勇.输电线路微型桩基础承载性能的数值模拟［J］.电力建设，2011，32（2）：59-61.

［9］住房和城乡建设部.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［10］住房和城乡建设部.JGJ 106—2014建筑基桩检测技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［11］住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

Micropile Foundation Model Design and Multichannel Loading Testing Method for Transmission Lines

YANG Lei1，DONG Mei1，ZHANG Dachang2，SONG Linhui2，HUANG Feilong2
（1.Lianyungang Power Supply Company，Lianyungang 222000，China；2.College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China）

According to the conditions of transmission line micropile foundation in Jiangsu province，the characteristic of micropile foundation and its applicability are introduced.The design method and its fabrication of micropile foundation are investigated.The testing method using numerous levers，roller and wire cable is proposed.With the method the multichannel and multidirectional loading can be carried out.The testing model of micropile foundation is prepared and its load-deformation behavior is studied.The research results is valuable for the study of calculation theory of bearing capacities and the engineering application of micropile foundation.

micropile foundations；test model；multidirectional loading；multichannel

TU392

B

1009-0665（2016）01-0076-04

2015-08-11；

2015-10-19
2014年度江苏省电力公司科研项目资助、2014年江苏省科技厅前瞻性联合研究（BY2014005-11）

杨雷（1964），男，江苏连云港人，高级工程师，从事输变电工程的研究开发等工作；

董梅（1973），女，江苏连云港人，工程师，从事输变电工程的研究开发等工作；

张大长（1971），男，浙江绍兴人，教授，从事输变电工程及土木工程的研究开发及教学工作；

宋林辉（1980），男，江苏高安人，副教授，从事岩土工程及基础工程的研究及教学工作；

黄飞龙（1989），男，四川广安人，硕士研究生，从事土木工程的研究工作。