戈壁滩地基掏挖基础抗拔承载特性现场试验★

段辉顺 刘生奎 李 波

(中国能源建设集团公司甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

戈壁滩地基掏挖基础抗拔承载特性现场试验★

段辉顺 刘生奎 李 波

(中国能源建设集团公司甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

以甘肃境内戈壁滩碎石土地基中的直柱、扩底两种结构型式的掏挖基础为研究对象，通过开展全尺寸试验基础的现场上拔试验，获得了试验基础的荷载位移曲线及地基土体的破坏模式，并分析得到基础抗拔承载力和侧摩阻力。

输电线路，戈壁滩碎石土，掏挖基础，现场试验，抗拔承载力

戈壁滩是广泛分布于我国西北地区的一种特殊土地基，一般为冲洪积物，多分布在盆地边缘地带、冲积～洪积扇地段[1]。戈壁滩地区的主要地基类型为碎石土，由于独特的气候特征，与常规碎石土相比，戈壁滩碎石土颗粒间的胶结效应明显，抗剪强度较高，是一种优良的天然地基。

随着我国“疆电外送”能源战略的推进，多条特(超)高压输电线路工程穿越戈壁滩碎石土地基。掏挖基础作为输电线路工程中常采用的一种基础型式，由于其优良的承载性能和良好的环保效应，因此在生态环境脆弱的戈壁滩地区中被经常采用。

输电线路杆塔基础的设计主要受上拔稳定性控制[2]。地基土体的粘聚力是掏挖基础上拔稳定性设计的主要参数之一，以往工程中针对碎石土地基，常常认为粘聚力很小甚至为零。近年来，国内外学者研究表明[3-5]：碎石土地基是一种粘聚强度大的优良地基，具有较强的抗拔承载性能。针对这一问题，本文选择甘肃境内典型戈壁滩碎石土地基，根据750 kV输电线路工程的荷载条件设计出4个全尺寸的试验基础，通过现场基础的上拔试验，获得了基础的变形承载特征以及工程设计相关参数，为该地区输电线路工程设计提供了理论依据。

1 试验概况

1.1试验场地条件

试验场地位于甘肃省金昌市金川区境内，拟建750 kV金昌变附近的戈壁荒滩，该试验点地貌单元属山前冲洪积平原，地形平坦、开阔，地势由西南向东北微倾，地面坡降约10‰，地面海拔约1 720 m，如图1所示。

采用灌水法分别在试验现场层深0 m，-0.4 m，-1 m处测试了土体的重度，试验结果见图2，从图中可以看出，该场地的土体重度随着深度呈增加趋势，即深度处土体重于浅层处土体。

现场直剪试验表明，该场地的抗剪强度参数c,φ值分别为15.3 kPa和47°。

1.2试验基础设计

为了对比分析扩底的设置对掏挖基础抗拔承载性能的影响，本次试验以直柱、扩底两种结构型式的掏挖基础为研究对象，如图3所示。为了试验研究成果便于工程应用，根据750 kV输电线路杆塔基础的作用荷载设计出1∶1全尺寸的试验基础，各试验基础的尺寸参数见表1。

表1 试验基础尺寸参数 m

基础编号d1d2hΔh1Δh2Z1号114——K1号11.540.50.2Z2号116——K2号11.560.50.2

1.3加载系统与方案

试验加载装置由千斤顶、钢梁、反力支座、连接件等构件组成，其中作用于试验基础的上拔荷载由千斤顶提供，试验加载系统见图4。

根据输电线路杆塔基础的受力特点，本次试验采用维持荷载加载法[6]。加载初期可根据以往经验采用快速荷载法，当基础变形较大时，采用慢速维持法。试验进行中，通过预先布置在基础顶部和地面处的位移传感器测试地基基础的上拔位移。

2 试验结果分析

2.1荷载—位移曲线

试验过程中每个试验基础均加载到破坏状态，即该级荷载值无法稳定或变形不断增大而荷载加不上的状态，或者上拔位移超过25 mm的状态[2]。通过记录每一级上拔荷载对应的上拔位移，获得每个试验基础的荷载位移曲线，如图5所示。从图中可以看出，Z1号基础荷载位移曲线变化特征较好地符合缓变型曲线，而其他三个试验基础的荷载位移曲线变化趋势均具有陡降型曲线的特征，即荷载位移曲线在经历一段线弹性变形阶段后，突然发生跌落。

2.2承载力取值

由上述分析可知，4个试验基础荷载位移曲线类型分为陡降型和缓变型两种，为方便试验数据之间的对比，同时考虑到数据分析的一致性，本文统一取破坏荷载前一级荷载为基础的抗拔承载力，表2列出了各试验基础的破坏荷载及抗拔承载力。

表2 基础抗拔承载力试验分析结果 kN

从表2中可以看出，相同截面尺寸、相同埋深的直柱、扩底两种不同结构型式的掏挖基础抗拔承载力存在差异，并且这种差异与基础的埋深有关。埋深为4 m的Z1号和K1号，其上拔破坏荷载相同，均为4 000 kN，而抗拔承载力Z1号略大于K1号，这主要由于两个试验基础的荷载等级设置大小不同所致，可近似认为两个试验基础抗拔承载性能相当；埋深为6 m的Z2号和K2号基础，扩底型基础K2号的极限承载力较Z2号高33%，扩底的承载性能优势很明显。

相同结构型式、截面尺寸，基础的抗拔承载能力随着埋深的增加而增强。对于直柱型基础，埋深从4 m增加至6 m，基础抗拔承载力增加50%，即单位深度抗拔承载力增加450 kN；对于扩底型基础，埋深从4 m增加至6 m，基础抗拔承载力增加105%，单位深度抗拔承载力增加616 kN。由此可见，相同截面尺寸的扩底基础，单位深度承载力增加的幅度大于直柱型基础，这也说明扩底的设置对提高掏挖基础抗拔承载力的效果是显著的。

2.3地基破坏模式

如图6所示为试验结束后观察到的地面裂纹分布图。从图中可以看出，地基发生破坏时，地基土体自基础中心开始出现裂纹，后呈发散状逐渐向外扩散，最终形成一定范围的隆起区域，该隆起区域的范围与基础的尺寸参数有关。

如表3所示为4个试验基础的地基隆起范围，从表中试验数据可以看出，基础埋深越大，隆起范围越大，并且对于相同埋深的两种结构型式基础，扩底型较直柱型隆起范围要大，埋深为4 m时，扩底型较直柱型隆起范围大1.6 m，埋深为6 m时，扩底型较直柱型隆起范围大1.8 m。

表3 地基土体隆起范围统计表 m

基础编号埋深隆起范围Z1号41.6K1号43.2Z2号61.8K2号63.6

2.4工程设计参数

直柱型掏挖基础与短桩承载特性相似。根据桩基规范[7]，单桩抗拔承载力可采用式(1)进行计算。

T=q×u×h+G

(1)

其中，T为基础抗拔承载力；G为基础自重；u为基础截面面积；h为基础埋深；q为基础埋深范围内平均侧摩阻力，为工程设计中的主要参数之一。

将式(1)进行整理，可得出基础平均侧摩阻力q的计算公式如式(2)所示。

(2)

其中,T可由现场试验分析可以获得，G,u,h分别为已知的基础尺寸参数。将表2中所示Z1号和Z2号基础抗拔承载力试验结果代入式(2)可以得出基础平均侧摩阻力q=286 kPa。

3 结论与建议

本文选取典型戈壁滩碎石土地基场地，开展了直柱、扩底两种结构型式掏挖基础的现场上拔试验，通过试验分析获得如下结论：

1)通过分析4个试验基础的荷载位移曲线，得出为缓变型曲线，为陡降型曲线，荷载位移曲线的变化特征与基础的结构型式无明显关联；

2)试验分析表明：相同结构型式、截面尺寸，基础的抗拔承载能力随着埋深的增加而增强，并且扩底型掏挖基础单位深度抗拔承载力增量大于直柱型，由此表明，戈壁滩碎石土地基中扩底的设置对提高掏挖基础抗拔承载力的效果是显著的；

3)试验分析表明：基础破坏时，随着基础的上拔会带动基础周围一定范围内土体发生隆起最终形成一定范围的破坏区域；基础埋深越大，隆起范围越大，并且对于相同埋深的两种结构型式基础，扩底型较直柱型隆起范围要大；

4)对于承载性能等同于抗拔桩的直柱型掏挖基础，可采用桩基规范中推荐的侧摩阻法计算其抗拔承载力，通过该方法反算出该戈壁滩碎石土地基场地的平均侧摩阻力值为286 kPa，可作为工程设计的理论依据。

[1] 鲁先龙,程永峰.戈壁抗拔基础承载性能试验与计算[M].北京:中国电力出版社,2015.

[2] 崔 强，孟宪乔，杨少春.扩径率与入岩深度对岩基挖孔基础抗拔承载特性影响的试验研究[J].岩土力学，2016,37(S2):195-202.

[3] RM Tong,XL Lu.Uplift load-movement response of bell pier foundations in Gobi gravel[J].Geotechnical Engineering,2014,167(4):380-389.

[4] 鲁先龙，乾增珍，童瑞铭,等.戈壁地基扩底掏挖基础抗拔试验及其位移计算[J].岩土力学，2014,35(7):1871-1877.

[5] 张振华，崔 强，安占礼.上拔与水平荷载综合作用下某碎石土场地扩底基础地基土体破裂面形态分析[J].固体力学学报，2014,35(专刊)：41-47.

[6] DL/T 5219—2014,架空送电线路基础设计技术规定[S].

[7] JGJ 94—2008,建筑桩基规范[S].

Experimentalstudyontheinfluenceoffoundationsizeparametersontheupliftbearingcapacityofthespreadfoundationingravelsoil★

DuanHuishunLiuShengkuiLiBo

(ChinaEnergyConstructionGroupCorporationGansuElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Lanzhou730050,China)

This paper selected the shaft and spread foundations in gravel soil located in Gansu province as the study objects. The 4 full-size test foundations under uplift load were tested, the load-displacement curves and the failure mode of test foundations were obtained. Through analysis the load-displacement curve variation characteristics, the uplift bearing capacity were achieved.

transmission line, gravel soil, digging foundation, field test, uplift bearing capacity

TU411

A

1009-6825(2017)27-0061-03

2017-07-15★：甘肃省电力设计院科技项目(2015KJ-XL-02)

段辉顺(1972- )，男，高级工程师