斜坡地基挖孔基础水平承载特性现场试验研究

段辉顺 杨文智 崔强 毛矛 刘生奎 户世伟

摘 要：以输电线路工程中常用的扩底形和直柱形原状土基础为研究对象，通过开展斜坡地基条件下水平荷载工况的现场静裁试验，对比分析了直柱形和扩底形基础在荷载一位移曲线、地基承裁力、界面土压力分布以及地基土体破坏模式等方面的差异。试验结果表明：两种结构形式的试验基础水平承载一位移曲线、水平荷裁一转角曲线整体呈缓变形即“直线一曲线一直线”三阶段变化趋势，而两者之间的差异在于荷载一转角曲线在临近曲线段末尾处突然发生翘起；相较于直柱形基础，扩底的设置增加了基底的抵抗力矩，同时降低了基础旋转中心位置，使得扩底形基础承载力较直柱形得到了提高；两种形式基础侧壁土压力均沿深度方向呈抛物线形分布；基础发生破坏时，两种形式基础在临近下坡侧均出现大量羽状裂缝，并伴有地基土隆起，扩底的设置使得基础对周围土体的影响深度和范围均增加。

关键词：架空输电线路；斜坡地形：扩底形基础；直柱形基础；水平静载试验

中图分类号：TU443

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.023

黄土主要分布在我国甘肃、宁夏、陕西和河南等省（区），在河北、山东、内蒙古、青海、新疆及东北等地也有零星分布[1-3]，其微观结构较为特殊，因此在工程中表现出特有的物理力学性质[4-5]。目前在“西电东送”“疆电外送”的大背景下，输电线路不可避免地需要经过广阔的黄土丘陵地区，为满足输电铁塔修建的需要，部分杆塔基础将修建在斜坡地基上。为充分利用山区原状土地基的工程特性，在斜坡地面采用原状土基础是我国输电线路基础发展的一个重要趋势。鲁先龙等[6]提出了4种斜坡地形输电线路基础和杆塔结构的配合方案，分别为铁塔等长腿配等高基础、铁塔等长腿配深浅基础、铁塔长短腿配等高基础、全方位铁塔长短腿配高低主柱基础，目前在多条线路工程中被广泛采用。

杆塔基础在承受拉/压交变荷载作用时，还承受较大的水平荷载，通常情况下，杆塔基础抗拔和抗倾覆稳定性是其设计控制条件。与平地条件地基相比，斜坡地基低坡侧临空面减弱了对杆塔基础的横向约束，降低了杆塔基础的水平承载力。

针对平地地基条件下基础水平承载性能方面的研究，国内外学者开展了大量的研究工作[7-12]，部分研究成果已形成相关行业标准。相比而言，斜坡地基基础水平承载性能方面的研究还处在试验阶段，并且研究对象多为桩基础。如：邓凡[13]通过室内模型试验和有限元数值模拟，研究了水平荷载作用下斜坡桩的工作性状及桩前场地土的位移变化等：乾增珍等[14]采用极限分析法，研究了水平荷载作用下斜坡地形高露头挖孔桩基础的桩土体系稳定性及承载机理：李彰明等[15]对土质边坡进行桩基水平荷载试验，研究水平力作用下桩体变形特征及承载力：郭永建等[l6]利用离心试验机对端承桩与摩擦桩的基础施加水平荷载和竖向荷载，给出了边坡桩基受力性能的研究方法，并进行了受力机理分析。

上述研究工作涉及的对象多为等截面结构形式的桩基础，而输电线路工程为提高基础的抗拔和抗水平承载性能常常在柱底设置一定大小的扩大头。目前针对扩底基础水平承载特性以及扩底的设置对地基基础承载性能影响方面的研究尚显缺乏，由此导致工程设计中关于斜坡地基扩底基础水平承载力的计算缺乏理论依据，依旧按照等截面桩基础进行设计。

本文以输电线路工程中常采用的直柱形与扩底形原状土基础为研究对象，在斜坡倾角为200的黄土斜坡地基上开展现场水平承载性能试验，对比分析了两种结构形式基础在荷载一位移曲线变化特征、水平承载力、土压力分布以及地基破坏模式等方面的特点和差异。旨在通过试验数据分析，为下一步研究斜坡地基扩底基础水平承载力的设计方法提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 工程地质条件

试验地点位于甘肃榆中车道岭，地处黄土高原丘陵区，斜坡倾角β= 20°。地表黄土为第四系上更新统风积新黄土（Q ），淡黄色，土质均匀，大孔发育，具垂直节理。其成分以粉土为主，包含细砂、粉土、黏粒等。对现场取回的黄土试样进行土体基本物理特性指标测试，结果如下：天然密度为1.31 g/cm3，相对密度为2.71，含水率为6.82%，干密度為1.23 g/cm3，天然孔隙比为1.21。

1.2 基础结构及尺寸

根据黄土地区输电线路T程特点以及黄土地基特殊的T程性质，本次试验以扩底形（ KTl）和直柱形（ ZTl）原状土基础为研究对象，根据750 kV输电线路工程的荷载，设计出适用于工程的全尺寸试验基础，如图1所示。

两种结构形式的原状土基础均采用人工掏挖成孔，将事先制作完成的钢筋骨架固定于基坑中，以土代模，一次浇筑成型。除存在扩底与否的差异外，两种基础具有相同的配筋以及混凝土强度等级。基础浇筑完成后达到28 d养护期时进行试验。

1.3 加载装置

试验基础的水平荷载由滑轮组系统提供，滑轮组一端依次与拉力传感器（用于测试滑轮组系统所施荷载）和试验基础相连，另一端与反力地锚相连，中间经转向架调节，将荷载方向调整为水平向，整套加载系统沿斜坡倾向布置，如图2所示。

1.4 测试原件布置

为了测量基础的侧向位移和旋转角度，在试验基础顶面以及沿水平力方向的基础侧面分别布置位移传感器Sl～S6，如图3所示。通过测读Sl～S6传感器的数值（S1～S6），按照式（1）和式（2）可确定基础的转角和水平位移。

为了获得基础周围土体的应力分布，分别在直柱形基础的侧壁、扩底形基础的侧壁和基底布置一定数量的土压力传感器，如图4所示。

1.5 试验加载

试验采用慢速荷载维持法，具体加卸载方案、加卸载终止条件见文献[17]。试验过程中，通过布置在基础顶部的数字式电子位移传感器直接采集并记录基础水平位移，通过土压力传感器采集并记录桩土界面的土压力。

2 试验结果与分析

2.1 基础荷载位移曲线

通过测读每一级荷载下的水平位移，获得试验基础的水平荷载位移曲线，如图5所示。由图5可以看出，两种结构形式的基础荷载位移曲线整体变化规律相似，出现“直线一曲线一直线”三个特征阶段。加载初期，水平荷载较小，基础周围土体在基础侧壁挤压下逐渐加密，荷载位移曲线呈直线变化，该阶段地基土体呈弹性变形性状：随着水平荷载的不断增大，基础周围土体开始出现塑性区，荷载位移曲线呈现出变化率不断增大的非线性变化趋势，该阶段地基土体呈现出塑性变形性状：当水平荷载增大到一定值时（ZTI为200kN，KT1为240 kN），荷载位移曲线变化率趋于稳定，曲线出现直线陡降，该阶段地基土体塑性区已扩大，基础周围土体出现整体破坏。

统计每一级荷载作用下位移传感器Sl～ S6的数据，通过式（1）换算，获得荷载与转角之间的关系曲线，如图6所示。由图6可以看出，荷载一转角曲线与荷载一位移曲线整体变化趋势相似，同样呈现出“直线一曲线一直线”的三个变化阶段。与荷载一位移曲线不同的是，当水平荷载达到某一值时（ZT1对应150kN、KT1对应200 kN），荷载一转角曲线突然发生翘起，随后减小。

2.2 基础水平承载力

按照现行行业规范[17]，取水平位移10 mm对应的水平荷载为基础的极限承载力（见表1）。由表1可以看出，相同允许位移条件下，扩底形基础的水平承载力较直柱形基础的大19%。原因是扩底的设置使得土体在基础底部产生一对大小相同、方向相反的反力（F1、f2），从而产生负弯矩，该弯矩方向与水平力产生的弯矩相反，起到阻止基础侧移或旋转的作用，如图7所示。

2.3 地基一基础界面土压力

通过处理预先埋置在土体内部的土压力传感器的测试数据，分别获得试验基础的土压力分布规律，如图8所示。由图8可以看出：无论是扩底形基础还是直柱形基础，基础侧壁的土压力沿深度方向整体上都呈抛物线形分布，即迎土侧土压力首先随深度的增大逐渐增大，达到某一峰值后转而随深度的增大逐渐减小，达到某一深度土压力变为0（即反弯点），接着背土侧土压力随深度增大逐渐增大，并在基础埋深处达到最大值。试验基础的反弯点可认为是基础旋转时的转动中心，两种结构形式基础的反弯点位置不同。直柱形基础反弯点位置位于距离地面3.54 m深度处，扩底形基础反弯点位置与直柱形基础相比出现下移，在距离地面4.19 m深度处，与扩底的起扩点位置相当。位于扩底形基础KT1下坡侧的基底土压力为负值（受压），上坡侧土压力为正值（受拉），且越偏离基础中心，其值越大。基底土压力正、负值变号处位于靠近基底中心且偏下坡侧的位置，表明基础在水平荷载作用下基底有沿垂直于水平力方向轴向转动的趋势，并且转动轴的位置偏向下坡侧。

2.4 地基破坏模式

试验结束后，通过量测分布于坡面的裂缝范围和尺寸，获得斜坡地基的破坏面，如图9所示。由图9可以看出，两种结构形式的试验基础在下坡侧均出现大量羽状裂缝，并伴随地基土隆起，以上破坏特征以水平力作用线为轴呈对称性分布，这一点与邓凡13]的模型试验结果相同。扩底形基础破坏时地基影响范围较直柱形的大，扩底形基础影响范围为2.9 m（即2.9倍立柱直径），直柱形基础影响范围为1.4 m（即1.4倍立柱直径）。原因是扩底的设置增大了基底的抵抗力矩，使基础的旋转中心位置降低，增强了土体对于基础的嵌固作用，这种作用导致更深的土体受到了基础侧移造成的影响，从而扩大了基础破坏时地基土体的发展深度和影响范围。

3 结论

本文在β= 20°的黄土斜坡地基上开展了扩底形和直柱形基础的现场水平承载特性试验，对比分析了两种基础荷载一位移曲线、水平承载力、界面土压力、地基破坏模式等的差异。主要结论如下：

（1）两种结构形式基础的水平荷载一位移曲线、水平荷载一转角曲线均呈现出“直线一曲线一直线”三个变化阶段。与荷载位移曲线不同的是，荷载一转角曲线在临近曲线段末尾处突然发生翘起，随后呈直线减小，直柱形与扩底形基础的翘起点对应的水平荷载分别为150 kN和200 kN。

（2）与直柱形基础相比，扩底形基础具有更大的水平承载力，以及更宽的裂缝开展范围，原因是扩底的设置增大了基底的抵抗力矩，使得基础转动中心发生下移。

（3）水平荷载作用下，两种结构形式基础侧壁土压力沿深度方向整体均呈抛物线形分布，基底有沿垂直于水平力方向轴向转动的趋势。对于扩底形基础，斜坡的存在使得基底转动轴的位置更偏向于下坡侧。

（4）基础破坏时，地基土体呈现出以水平力作用线为轴的对称性破坏，具体表现为基础下坡侧周边产生大量羽状裂缝，并伴随地基土隆起，扩底形基础破坏范围和深度均较直柱形基础大。

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