碎石土-基岩斜坡桩基参数m值影响因素研究

李晓明，赵庆斌，杨祈敏，赵其华，陈继彬，喻豪俊

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041；

2.成都理工大学，四川 成都　610059）

碎石土-基岩斜坡桩基参数m值影响因素研究

李晓明1，赵庆斌1，杨祈敏1，赵其华2，陈继彬2，喻豪俊2

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041；

2.成都理工大学，四川 成都610059）

四川输电线路经过的山区斜坡场地中，碎石与破碎基岩分布普遍，斜坡桩基碎石土与破碎基岩水平抗力系数的比例系数m值取值是陡峻边坡输电线铁塔桩基设计中亟待解决的问题。根据输电线路实际走线中常见的地形地貌和碎石土-破碎基岩等场地条件，应用FLAC3D数值分析软件建立斜坡桩基概化模型，探讨斜坡坡度、桩径、嵌岩深度对桩基抗力系数比例系数m值的影响，并对斜坡地基m值取值方法进行了建议。研究表明：桩顶位移较小时地基岩土m值随坡度增大而减小，随桩径、嵌岩深度增大而增大。故对位于斜坡输电线路铁塔进行桩基设计时，m值取值应考虑上述因素的影响，适当折减或不折减。

碎石土斜坡；m值；影响因素；塔基。

1　概述

随着四川电力建设的不断发展，在崇山峻岭中输电线路越来越多，其塔位大多分布在碎石土与破碎基岩陡峻边坡上。目前输电线路铁塔桩基设计中，地基岩土水平抗力系数的比例系数m值一般参照当地经验及相关规范推荐值确定，但这些数值均来自于平坦场地单桩水平静载试验所积累的数据，数据较离散，取值困难，且直接使用在陡峻边坡输电铁塔桩基设计中，其安全度、适宜性和经济性等并未得到全面论证，因此研究斜坡桩基碎石土与破碎基岩水平抗力系数的比例系数m值变化规律是十分必要的。

研究中主要以输电线路常见的地形地貌和碎石土与破碎基岩场地，选取深入破碎基岩的桩基建立概化模型，应用FLAC3D数值分析软件，采用慢速维持荷载法进行单桩水平荷载试验模拟，探讨斜坡坡度、桩径、嵌岩深度对岩土水平抗力系数的比例系数m值的影响。

2　分析方法

FLAC3D是专门为岩土工程力学分析而开发的，它是Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件。该软件内置有丰富的弹、塑性材料的本构模型，既能够模拟出多种结构形式，又能够模拟人工结构。本次数值模拟计算程序采用FLAC3D数值分析软件，根据场地、地基条件、桩基础特征建立不同坡度斜坡的概化计算模型。

2.1模拟方案

概化模型地基为稍密状态碎石土、中～强风化基岩，考虑坡度为0°、15°、30°、45°时，不同桩径、不同桩端嵌入基岩深度条件下桩身位移、桩身内力、桩侧地基土体抗力随桩深的变化规律，并由此推定桩基础地基岩土水平抗力系数的比例系数m值的变化规律，确定m值取值。模拟方案见表1。

表1　碎石土与基岩组合地基斜坡场地数值模拟方案

2.2模型建立及参数取值

2.2.1建立模型及岩土体参数

（1）考虑到理论模型的计算精度和计算用时，同时为了消除边界效应的影响，将模型边界设定为：模型长为100 d（d为桩径）、宽为40 d、高为30 d。即桩径为1.4 m时，斜坡模型长140 m，宽56 m，高42 m。

（2）桩基按实际尺寸采用柱型网格建模。地面线下部的桩按照文献7建立无厚度的桩-土接触面单元。基准模型见图1。

根据四川地区崩坡积碎石土和破碎基岩（如变质砂岩、板岩等）物理力学特征，岩土体物理力学指标参见表2。

图1　基准模型图

表2　主要模型计算参数取值

2.2.2 边界条件

计算中模型边界条件的处理遵循以下原则：

（1）底部边界设定水平和竖直方向位移约束。

（2）侧向边界由于斜坡体存在自重应力，且自重应力对斜坡岩体稳定性影响较大，因此侧向边界设定水平向位移约束。

（3）顶部边界为自由边界。

考虑到重力对岩土体力学状态影响较大，故在进行分析之前，关闭数值分析中的时间积分效果的同时，通过一足够小的时间步来实现静力计算（即重力的施加）。

2.3水平荷载试验

加载位置为桩顶下方50 cm处，加载方式采用慢速维持荷载法，加载分级采用逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，暂定每级荷载的增量为300 kN。当出现下列情况之一时，即可终止试验：

（1）桩身已断裂。

（2）桩侧地表出现裂缝或隆起。

（3）坡面处桩身位移超过40 mm。

2.4m值的计算

研究中需监测的物理量为桩深z处桩侧土体水平抗力、相应深度的桩身位移和桩身弯矩。

本次m值计算参照规范中水平静载试验公式计算，当桩顶自由且水平力作用位置位于地面处时，m值按公式（1）确定。

式中：m为地基上水平抗力系数的比例系数（MN/m4）；Hcr为单桩水平临界荷载（kN）；Xcr为单桩水平临界荷载对应的位移（mm）；vx为桩顶位移系数；b0为桩身计算宽度（m）；EI为桩身抗弯刚度（kN·m2）。

3　不同因素对m值的影响分析

下面以场地条件为碎石土-基岩组合地基为例，分析不同因素对m值的影响。

3.1坡度影响

桩长10 m，桩径1.2 m，在不同坡度条件下水平荷载加载到预定荷载，分别计算在不同坡度条件下m值。不同桩顶位移1.5～3 mm、3～10 mm、10～40 mm桩基水平作用力参数m值随坡度变化见图2。

图2　m值—位移—坡度曲线

不同坡度时不同位移区间综合m值变化曲线见图2，可知m值随坡度增大而减小。当桩顶位移1.5～3 mm时，m值的综合取值在141～160 MN/m4；桩顶位移3～10 mm时，m值的综合取值在64～80 MN/m4；桩顶位移10～40 mm时，m值的综合取值在40～60 MN/m4。

3.2桩径影响

在30°坡度条件下桩长10 m，在桩径为1 m、1.2 m、1.4 m时水平加载到预定荷载分别计算m值。桩顶位移1.5～3 mm、3～10mm、10～40 mm时，m值随坡度变化见图3。

图3　m值—位移—桩径曲线

由图3可知，随着桩径的增加，m值近似线性增大。当桩顶位移1.5～3 mm时，m值的综合取值在14～155 MN/m4；当桩顶位移3～10 mm时，m值的综合取值在65 ～81 MN/m4；当桩顶位移为10～40 mm时，m值的综合取值在50～55 MN/m4。

3.3桩端嵌岩深度影响

在30°坡度条件下桩径1.2 m，嵌入基岩深度为3 m、5 m、7 m时水平荷载加载到预定荷载分别计算m值。桩顶位移1.5～3 mm、3～10 mm、10～40 mm时，m值随坡度变化见图4。

图4　m值—位移—桩径曲线

由图4可知，随嵌岩深度的增加，m值近似线性增大。当桩顶位移为1.5～3 mm时，m值的综合取值在135～157 MN/m4；当桩顶位移3～10 mm时，m值的综合取值在75～92 MN/m4；当桩顶位移为10～40 mm时，m值的综合取值在45～52 MN/m4。

4　讨论

（1）桩径—坡度—m值

当场地为碎石土-基岩组合地基，坡度分别为0°、15°、30°、45°时，得出不同坡度和桩径时在不同位移区间的m值曲线见图5。曲线整体呈线性增大趋势，但在桩顶位移较小时随桩径增加m值变化率较大，随桩身位移增大m值变化逐渐减小。

图5　不同坡度条件下桩径-m值曲线

（2）嵌岩深度—坡度—m值

当场地为碎石土-基岩组合地基，坡度分别为15°、30°、45°时，得到一定桩径不同坡度条件下嵌岩深度—m值曲线见图6。由图6可知，随着嵌岩深度的增加，m值整体呈线性增加的趋势，并且m值在桩身位移较小时变化率较大，随桩身位移的增加m值变化率逐渐减小。

图6　不同坡度条件下嵌岩深度-m值曲线

（3）与现有规程规范比较

现有规程规范中，对斜坡桩基岩土m值取值并未说明，仅在《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）附录P的表P.0.2-1进行了简单说明，即“当基础侧面设有斜坡或台阶，且其坡度（横：竖）或台阶总宽与深度之比大于1∶20时，表中m值应减小50%取用”，该条件主要应用于基坑内基础侧面放坡或台阶，造成地基土对桩的作用力减小，因此m值应减小。同理，在自然斜坡上的桩基，作用在桩基上的岩土较地面水平时作用力小，m值也宜查表减小取用。本次数值模拟也验证了该结论。

5　结论及建议

本文采用数值模拟探讨了斜坡上输电线路铁塔桩基碎石土-破碎基岩m值变化趋势，对山区输电线路工程设计时m值的取值提供一定的参考。总结如下：

（1）坡度增大，桩顶位移较小时地基岩土m值随之减小。

（2）桩径增大，桩顶位移较小时地基岩土m值随之增大。

（3）适当增大嵌岩深度，桩顶位移较小时地基岩土m值随之增大。

（4）对位于斜坡输电线路铁塔进行桩基设计时，考虑斜坡坡度时，m值可进行适当折减；考虑桩径越大或嵌岩深度越深，当桩顶位移较小时，m值折减越小，或不折减。

以上结论仅从数值模拟角度进行了分析，有条件时可进行斜坡单桩水平静载试验加以验证，可以得出较为准确的结论。

［1］ JGJ94-2008 ，建筑桩基技术规范［S］.

［2］ 彭社琴，赵其华.基础工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

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［6］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［7］ 孙书伟，等.FLAC3D在岩土工程中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

Study ofInfluential Factors of Pile Foundation Parameters m Value for Gravel Soil ～ bedrock Slope

LI Xiao- ming1，ZHAO Qing-bin1，YANG Qi-min1，ZHAO Qi-hua2，CHEN Ji-bin2，YU Hao-jun2
（1. Sichuan Electric Power Design Consulting Co.，Ltd.，Chengdu610041，China；
2. Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Sichuan transmission lines through the mountain slope area with a wide distribution rubble and broken rock and broken rock ，evaluating the proportional coefficient m of ground horizontal resistance coefficient is a problem to be solved in the design of transmission tower pile foundation of steep slope. According to the actual transmission line of landform and gravel soil～ broken rock site conditions， etc， establish the slope pile foundation generalized model by FLAC3D， effects of slope gradient， pile diameter， rock-socketed depth of pile resistance coefficient proportional coefficient m value is studied， and suggest that the evaluating method of m value of slope foundation. The researches show that， the m value decreases with the increase of slope gradient when displacement of the pile head is small， and increases with the increase of pile diameter， rock-socketed depth. Sotaken into account the above factors， m value should be appropriate reduce or no reduce when design pile foundation of transmission line tower that located the slope.

gravel soil steep； value of m； influence factors； tower foundation.

TU4

B

1671-9913（2016）03-0029-05

2015-08-05

李晓明（1972- ），男，四川人，高级工程师，注册岩土工程师，主要从事岩土工程勘察工作。