大厚度黄土场地联合板索基础及其特性

雒亿平，言志信

(1．兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730020;2．国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃兰州730050; 3．河南城建学院土木工程学院，河南平顶山467036)

大厚度黄土场地联合板索基础及其特性

雒亿平1，2，言志信1，3

(1．兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730020;2．国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃兰州730050; 3．河南城建学院土木工程学院，河南平顶山467036)

“大开挖”、“掏挖扩底”、“爆扩桩”为目前我国大厚度黄土场地中主要使用的既抗压又抗拔的基础类型，针对3种基础形式存在的缺陷和不足，借鉴锚索拉盘、掏挖桩等技术构建了联合板索基础并且获得了发明专利授权。联合板索基础的上板主要承受下压力和水平力，下板主要承受上拔力。联合板索基础不仅结构简单、造价低廉、安全可靠、抗动荷载能力强、对环境破坏小，而且其荷载传递明晰、科学合理，各部分功能明确而又协同工作。

大厚度黄土场地;板索基础;构造;特征

我国地域辽阔，各地工程地质、水文地质条件和气候环境千差万别，基础设施建设中地基基础极为重要。据有关统计，输电线路建设中基础建设的运输量超过整个输电线路运输量的60%，基础的施工工期占总工期的一半，基础建设的费用超过整个输电线路工程费用的20%。在偏远的山岭地区，基础建设的成本甚至超过总线路工程投资的1/2。

在我国的基础设施建设中，上部结构的理论已较为成熟，工程施工也已积累了较多的经验并不断得到丰富和发展，设计思想和理念已较为先进。可是，我国地基基础的研究相对滞后，以至于工程建设中时常出现不仅基础尺寸比国外大，费用高昂，且造成材料的浪费和环境的破坏，开发新型基础形式已成为满足工程建设需要的紧迫问题。本文针对黄土地区输电工程几种基础类型的缺陷和不足，提出一种新型板索基础并获得了发明专利授权。

1　目前基础存在的问题及解决途径探讨

在我国大厚度湿陷性黄土地区，“大开挖”、“掏挖扩底”、“爆扩桩”等基础为目前主要使用的既抗压又抗拔的基础形式。

“大开挖”基础以扰动的回填土构成抗拔土体，保持基础的上拔稳定。由于是回填土，虽经夯实亦难以恢复原状土的结构强度，主要靠扩大基础尺寸来满足抗拔稳定性，势必加大基础尺寸，提高了工程成本;同时由于弃土较多，对环境的破坏也较大。

“掏挖扩底”基础是利用天然土构成抗拔土体，以保持基础和地基土体的上拔稳定，适用于在施工中掏挖和浇注混凝土时无水渗入的黏性土地基，它能充分利用大厚度土的特性，具有良好的抗拔性能。

“爆扩桩”基础依靠桩周与土的摩擦力承担基础上拔力，依靠桩周与土的摩擦力以及桩端承载力承担基础下压力。桩基础规范规定，黄土地区采用桩基础，基础持力层需穿过湿陷性黄土，因此该基础形式不适于大厚度湿陷性黄土地区。同时，“爆扩桩”基础具有一定的隐蔽性，施工难度大、施工工艺复杂、质量难以控制，工后检测也存在一定的困难，且材料消耗大、工程成本高。

鉴于上述基础形式所存在的缺陷和不足，基于锚索拉盘技术已在挡土墙工程中获得应用，其计算原理及设计依据已进行了一些探讨［1］，同时掏挖桩基础在工程中的施工工艺趋于成熟，其设计方法和依据也较充分［2］。借鉴和利用锚索拉盘技术和掏挖桩基础的理论和技术以及工程经验，结合二者的优点进行开发和集成创新，以获得满足上部结构对基础抗压和抗拔性能要求，且质量可靠、施工方便、成本低廉的新型基础势在必行。

2　扩底桩基础相关研究情况及分析

扩底桩常常被视为锚式基础的一种，对其上拔特性的研究也始于水平锚板的上拔特性研究。锚板作为提供抗拔力的一种结构，在上拔过程中其极限抗拔力一直是国内外学者的研究重点和难点。

Meyerhoff等(1968)通过小尺寸模型试验研究了砂土及黏性土中水平锚板的上拔特性。通过半模型试验研究了水平锚板的上拔破坏模式，得到了砂土及黏性土中水平锚板上拔承载力的计算公式［3］。Murrray等(1987)在无黏性土中进行了锚板的上拔试验，使用平衡法和极限分析法预测了锚板的上拔力，并对多种方法进行了对比;结果表明，对于中密砂中的圆形锚板，所用方法均高估了锚板的上拔力［4］。Dickin等(1990)总结了各个已有的锚板上拔承载力的计算方法，并根据假设破坏面不同，将这些计算方法分为了3类:竖直滑动破坏面、倒圆锥台形破坏面和曲线破坏面，通过离心机试验研究了埋深、扩底直径、土体密度对干砂中扩底直径为0.6～3 m的扩底桩上拔特性的影响［5］。Rao等(1994)在特征线方法和对数螺旋线破坏面的基础上，推导出了在综合考虑土体黏聚力、摩擦角及上覆荷载情况下的浅埋水平条形锚板的上拔力计算公式［6］。何思明(2001)在国内外抗拔桩试验的基础上，建立土体破裂面方程，在此基础上研究了抗拔桩的极限承载力，并提出一个极值原理［7］。Ilamparuthi等(2002)通过松砂、中密砂、密砂中的直径最大为400 mm的圆形锚板的上拔试验研究，发现圆形锚板的上拔承载力受锚板直径、锚板埋深比和土体密度影响较明显［8］。刘文白等(2003)在砂土中进行了扩底桩的抗拔模型试验，研究了扩底桩上拔破坏机理，并提出了求得扩底桩极限上拔力的公式［9］。刘华强等(2007)考虑对数螺旋线的破坏面并结合特征线理论，提出一种新的浅埋条形板极限上拔力的计算方法［10］。赵炼恒等(2010)在上限定理基础上，根据线性破坏准则，以抗剪强度指标为变量参数，求出极限抗拔力的目标函数与约束条件，将结果与已有文献比较，得出岩土体密实度、抗剪强度指标、锚板埋深率和锚板几何形状对锚板承载力和锚板抗拔破坏区均有较大影响［11］。刘明亮等(2011)基于PIV技术对锚板抗拉破坏模式进行识别，最终得出在峰值处锚板上部土体中间部分位移大、两边位移小，位移场呈倒梯形分布的结论;而且发现剪切应变场沿锚板两侧出现对称的剪切带，并向上延伸至地面，且剪切带内伴随着剪胀现象［12］。

3　联合板索基础

3.1联合板索基础的构造

联合板索基础分为单索联合板索基础、双索联合板索基础、三索联合板索基础。下面先以单索联合板索基础为重点进行介绍，以便更加清楚地了解联合板索基础的结构形式、组成及其特性。至于双索联合板索基础和三索联合板索基础是单索联合基础的发展，以适应需要提供更大抗拔承载力的要求。

单索联合板索基础如图1所示［13］:包括一个具有一定厚度的镶嵌在地表中的上板和一个埋设在地下的下板，其上板和下板之间通过锚索(杆)连接，在上板和下板之间的锚索(杆)外部设有胶管(该胶套管的两端分别与上板和下板密封相接)，还可在胶套管内部充装防腐填料;锚索(杆)的两端分别设有一个锚头，上部的锚头与上板设有的上承载垫板通过螺母联接，下部的锚头与下板设有的下承载垫板也通过螺母联接。其上板、下板均为钢筋混凝土板，具有足够的强度和刚度。上板采用长方形的钢筋混凝土结构，并且上板的面积远大于下板的面积，上板厚度一般约为550 mm，露出地面厚度为50 mm，上板、下板之间，在胶套管的周围浇注砂浆，因此上板侧向可以承受水平力，同时可对上板与下板之间的锚索(杆)施加预应力。

图1　输电铁塔单索联合板索基础

与单索联合板索基础不同，双索联合板索基础如图2所示，包括1个上板和2个下板，其上板与每个下板之间分别通过锚索(杆)连接，2根锚索(杆)的长度相等。因而双索联合板索基础可减少开挖深度，提供更大的上拔抵抗力，适应恶劣地质环境。

而三索联合板索基础如图3所示，包括1个镶嵌在地表中的上板和3个埋设在地下的下板，其上板和每个下板之间分别通过一根锚索(杆)连接，3个下板呈一字形设置，其中位于中间的锚索(杆)长度大于位于两侧的锚索(杆)长度，两侧的锚索(杆)长度相等。

3.2相关研究内容

联合板索基础作为一种新型基础，其可行性是需要被认知的，即联合板索基础的设计要建立在理论、试验、数值分析和规范研究基础上。本设计的研究内容分为:联合板索基础的工作机理以及设计依据;联合板索基础的上板设计;联合板索基础的下板设计;联合板索基础的相关构件设计;设计实例;双索基础的扩展设计;三索基础的扩展设计。作者对上述问题进行了深入研究，限于篇幅，其细节不在本文中展示。

图2　输电铁塔双索联合板索基础

图3　输电铁塔三索联合板索基础

4　联合板索基础特性

当联合板索基础受到下压力的作用时，基础上板承受了大部分甚至全部的下压力。当联合板索基础受到上拔力的作用时，上拔力通过上板及锚索传递到基础下板;亦即上板及锚索主要起传递上拔力的作用，而主要承受上拔力的是基础下板。在联合板索基础受到水平力作用时，由于锚索无法将水平力传递到下板，因此水平力几乎全部由上板承受。

由此可见，上板主要承受下压力和水平力，下板主要承受上拔力，这样的联合板索基础不仅结构简单、造价低廉、安全可靠、抗动荷载能力强、对环境破坏小，而且其荷载传递明晰、科学合理，各部分功能互补又协同工作。

通过理论研究、现场试验、数值模拟和设计研究发现，该基础具有以下特性和优点:

1)能充分地发挥不同种材料的物理力学性能，节省材料，降低造价。

2)可充分利用原状土体的抗剪强度，基础抗拔可靠性较高。

3)该基础为柔性基础，能使其本身和上部结构具有较强的抵抗动荷载能力。

4)可避免大开挖，从而能减少弃土量，保护生态环境。

5)荷载传递机构可兼做地线使用。

6)拆卸方便，如该基础不再使用，直接剪断锚索(杆)并挖除上板即可，降低了基础拆除工程量。

7)上板兼作基础保护帽使用。

8)该基础结构荷载传递明晰，结构计算、设计以及施工较为简便。

9)地脚螺栓焊接在上、下承载板上，与锚索之间可靠连接。

10)不仅适用于大厚度黄土地区，而且能全面推广，并用于海洋等各类抗拔工程。

5　结论

本文针对目前使用的既抗压又抗拔几类基础存在的缺陷和不足，构建了联合板索基础，主要由一个具有一定厚度的镶嵌在地表中的上板和一个埋设在地下的下板，以及连接上板和下板的锚索(杆)组成。该新型基础结构不仅申请了实用新型专利，同时申请了发明专利，它们均已获得授权。

上板承受了大部分甚至全部的下压力。基于该基础上板所承受的上板自重力、下压力和上拔力等竖向力以及水平力，分别研究了轴心荷载和偏心荷载作用下联合板索基础上板地基压力，并研究了联合板索基础上板抗倾覆稳定和水平抗滑移稳定;当其受到上拔力的作用时，上拔力通过上板及锚索传递到基础下板，即承受上拔力的是基础下板;当其受到水平力作用时，水平力几乎全部由上板承受。

联合板索基础结构简单、造价低廉、安全可靠、抗动荷载能力强、对环境破坏小等，而且其荷载传递明晰、科学合理，不同部分功能互补协同工作。

本文的研究为联合板索基础的设计施工提供了理论支撑。

［1］SONG Z H，HU Y X，RANDOLPH M F．Numerical Simulation of Vertical Pullout of Plate Anchors in Clay［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2008，134 (6):866-875．

［2］孙晓立，杨敏，莫海鸿．利用荷载传递法计算扩底抗拔桩的位移［J］．岩土工程学报，2008，30(12):1815-1820．

［3］MEYERHOFF G G，ADAMS J I．The Ultimate Uplift Capacity of Foundations［J］．Canadian Geotechnical Journal，1968，5 (4):225-244．

［4］MURRAY E J，GEDDES J D．Uplift of Anchor Plates in Sand［J］．Journal of Geotechnical Engineering，1987，113(3):202-215．

［5］DICKIN E A，LEUNG C F．Performance of Piles with Enlarged Bases Subject to Uplift Forces［J］．Canadian Geotechnical Journal，1990，27(5):546-556．

［6］RAO K S S，KUMAR J．Vertical Uplift Capacity of Horizontal Anchors［J］．Journal of Geotechnical Engineering，1994，120 (7):1134-1147．

［7］何思明．抗拔桩破坏特性及承载力研究［J］．岩土力学，2001，22(3):308-310．

［8］ILAMPARUTHI K，DICKIN E A，MUTHUKRISHNAIAH K．Experimental Investigation of the Uplift Behavior of Circular Plate Anchors Embedded in Sand［J］．Canadian Geotechnical Journal，2002，39(3):648-664．

［9］刘文白，周建．扩底桩的上拔试验及其颗粒流数值模拟［J］．岩土力学，2004，25(增2):201-206．

［10］刘华强，黄景忠．水平锚板极限抗拔力研究［J］．岩土工程技术，2007，21(1):25-27．

［11］赵炼恒，罗强，李亮，等．水平浅埋条形锚板极限抗拔力上限计算［J］．岩土力学，2010，31(2):516-521．

［12］刘明亮，朱珍德，刘金元．基于PIV技术的锚板抗拉破坏模式识别［J］．河海大学学报(自然科学版)，2011，39(1): 84-88．

［13］雒亿平，范雪峰，付兵彬，等．输电杆塔板式单索基础结构．中国:ZL201220519599．6［P］．2013-04-03．

(责任审编 孟庆伶)

Combined Plate-Cable Foundation and Its Characteristics in Loess Site w ith Large Thickness

LUO Yiping1，2，YAN Zhixin1，3
(1．School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou Gansu 730020，China;2．The Research Institute of Economics and Technology of Gansu Province Electric Power Company，State Grid Corporation of China，Lanzhou Gansu 730050，China; 3．School of Civil Engineering，Henan University of Urban Construction，Pingdingshan Henan 467036，China)

Large excavation，digging foundation expansion and explosive-enlarged hole pile are the primary foundation types which could resist the pressure and uplift force in loess site with large thickness in China．Based on the defects and shortcomings of these three foundation types，the combined plate-cable foundation was established and authorized by the invention patent through utilizing the technology of anchor-cable pulling plate，digging pile and so on．The upper plate of the com bined plate-cable foundation primarily bears low pressure and horizontal force and the lower plate of the combined plate-cable foundation primarily bears uplift force．The combined plate-cable foundation is not only simple-structured，inexpensive，reliable，strong in resisting dynamic load and environment friendly，but also exp licit in load transfer，reasonable and cooperative in consisting components．

Loess site with large thickness;Plate-cable foundation;Con form ation;Characteristics

TU475+．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．28

1003-1995(2016)11-0107-04

2015-12-18;

2016-06-28

国家自然科学基金(41372307);国家电网公司科技项目(KJ〔2013〕12，SGGSJYOOGHJS1400055)

雒亿平(1984—)，男，工程师，博士研究生。

言志信(1961—)，男，教授，博士。