輸電線路擠擴(kuò)支盤樁試驗(yàn)及承載力計(jì)算研究

趙貞欣，周 衛(wèi)，張 琰，李 旭，李占嶺

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

擠擴(kuò)支盤灌注樁(圖1)具有多層分散承載的特點(diǎn)。與等直徑灌注樁相比，充分利用了好土層的地基承載力，具備良好的抗壓和抗拔能力。目前，對(duì)于擠擴(kuò)支盤樁荷載傳遞機(jī)理、破壞性狀、承載能力以及內(nèi)力位移的研究，大都限于豎向和橫向荷載的單獨(dú)作用，而輸電線路基礎(chǔ)以拉壓交變和水平荷載共同作用，需對(duì)其受力機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外，盡管部分地區(qū)及行業(yè)已編制了詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范，但這些規(guī)范也不盡相同，因此，需要對(duì)在輸電線路中應(yīng)用的計(jì)算方法進(jìn)行研究。本文結(jié)合真型試驗(yàn)對(duì)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，對(duì)輸電線路擠擴(kuò)支盤樁單樁抗壓、抗拔承載力計(jì)算方法進(jìn)行探討。

圖1 擠擴(kuò)支盤樁構(gòu)造示意圖

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

擠擴(kuò)支盤樁基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在滄州地區(qū)某變電站北側(cè)，該試樁場(chǎng)地位于華北東部沼澤化濱海平原和濱海灘涂地帶，地勢(shì)開闊平坦。根據(jù)勘測(cè)報(bào)告，試樁區(qū)域場(chǎng)地地層巖性除表層為填土外，均為海陸相交互沉積形成的淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、砂類土為主。

1.1 試驗(yàn)方案

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容是通過擠擴(kuò)支盤樁的下壓+水平聯(lián)合工況、上拔+水平聯(lián)合工況現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)，得到擠擴(kuò)支盤樁的承載性能，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地的具體狀況，本次試驗(yàn)共5根試驗(yàn)樁，設(shè)計(jì)樁徑均為700mm，承力盤直徑1400mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)20m。承力盤位置示意圖見圖2，具體試驗(yàn)工況見表1。

圖2 承力盤位置示意圖

表1 擠擴(kuò)支盤樁基礎(chǔ)試驗(yàn)工況

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 下壓+水平聯(lián)合工況

(1)極限承載力結(jié)果

1#試樁的下壓+水平聯(lián)合工況靜載荷試驗(yàn)下的荷載－位移曲線見圖3。

圖3 1#試樁下壓靜載試驗(yàn)Q－s曲線

取沉降量s=40mm對(duì)應(yīng)的荷載值作為下壓極限承載力，1#試樁在下壓+水平聯(lián)合工況作用時(shí)的下壓極限承載力為3600kN，比設(shè)計(jì)值提高了約25%。由于承力盤的存在，使得擠擴(kuò)支盤樁受下壓荷載時(shí)具有端承樁的力學(xué)特點(diǎn)，沉降－荷載曲線呈緩變型，具有較大的承載潛能。

圖4 1#試樁樁身軸力－深度曲線

由圖4可以看出，軸力在承力盤上下發(fā)生突變(圖中虛線框所示)，軸力明顯降低，上盤軸力降低約658kN，下盤軸力降低約570kN。這部分軸力由承力盤承擔(dān)，并傳遞到盤底部的土層上。這是擠擴(kuò)支盤樁荷載傳遞的突出特點(diǎn)，也是擠擴(kuò)支盤樁承載力相對(duì)較高的原因所在。

圖5 1#試樁支盤端承力與總荷載關(guān)系曲線

由圖5可知，總荷載小于2000kN階段，上盤端承力增加較快，下盤端承力緩慢增長(zhǎng)；總荷載在2000kN～3000kN階段，上盤端承力增加變緩，下盤端承力增加較快；當(dāng)總荷載超過3000kN以后，上下兩盤端承力均增加較快；當(dāng)總荷載達(dá)到極限荷載3600kN時(shí)，上、下兩盤的端承力分別為658kN和570kN，分別占總荷載的18.3%和15.8%。可見，擠擴(kuò)支盤樁的受力特征具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，各支盤的端承力并非是同步發(fā)揮、同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)的。

1.2.2 上拔+水平聯(lián)合工況

(1)極限承載力結(jié)果

2#、3#、4#試樁的下壓+水平聯(lián)合工況靜載荷試驗(yàn)下的荷載－位移曲線見圖6。

圖6 2#、3#、4#試樁上拔靜載試驗(yàn)U－δ曲線

取沉降－荷載曲線陡變起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載值作為抗拔極限承載力，2#、3#、4#試樁在上拔+水平聯(lián)合工況作用時(shí)的抗拔極限承載力分別為2200kN、2400kN、1980kN。2#、3#試樁為擠擴(kuò)支盤樁，4#試樁為直孔灌注樁，2#、3#試樁比4#試樁抗拔承載力分別提高了約11%和21%。本次試驗(yàn)直孔灌注樁的承載力遠(yuǎn)大于規(guī)范計(jì)算值1390kN，偏大的原因可能是直孔樁存在超灌的現(xiàn)象。

2 擠擴(kuò)支盤樁承載力設(shè)計(jì)方法研究

擠擴(kuò)支盤樁的承載力有支盤端阻力、樁側(cè)阻力及樁端阻力組成，一般計(jì)算公式可由三項(xiàng)組成：主樁總側(cè)阻力，各盤端阻力的總和，樁端端阻力。這種表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)式，一般著作、論文、規(guī)范和規(guī)程都是如此，只是各種“修正系數(shù)”的差別。

本文通過分析各種規(guī)范擠擴(kuò)支盤樁承載力計(jì)算規(guī)定，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)擠擴(kuò)支盤樁承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。

2.1 單樁抗壓極限承載力計(jì)算

2.1.1 不同規(guī)范單樁下壓承載力公式

表2 不同規(guī)范單樁下壓承載力公式

2.1.2 規(guī)范值和試驗(yàn)值對(duì)比分析

表3 擠擴(kuò)支盤樁極限承載力結(jié)果對(duì)比

由表3可知，規(guī)范①誤差較大，主要原因是該規(guī)范規(guī)定的公式中計(jì)算總極限側(cè)阻力時(shí)未考慮支盤設(shè)置土層高度的折減，其他三種規(guī)范是由于考慮支盤設(shè)置土層高度的折減方法和支盤端阻力修正系數(shù)的不同引起的計(jì)算結(jié)果不同，其中規(guī)范②計(jì)算值與試驗(yàn)值最為接近。

四種規(guī)范計(jì)算得到的擠擴(kuò)支盤樁的抗壓極限承載力均大于試驗(yàn)值，工程設(shè)計(jì)中是偏于不安全的。原因可能由以下兩個(gè)方面：一是在該地質(zhì)條件下，規(guī)范中承力盤的端阻力系數(shù)和側(cè)阻折減系數(shù)對(duì)本樁型來說偏大，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)成樁機(jī)具情況適當(dāng)折減；二是在地下水位以下成樁，樁身尺寸及承力盤形狀可能與實(shí)際設(shè)計(jì)值有出入。

表4 擠擴(kuò)支盤樁承載力類型所占比例結(jié)果對(duì)比

從表4可以看出，四種規(guī)范極限側(cè)阻力基本上占總極限承載力的60%，兩盤情況下支盤端承力占總極限承載力的30%，樁端阻力占總極限承載力的10%，與試驗(yàn)值相比，規(guī)范公式中樁身側(cè)阻力所占比重略大些，總體來說與試驗(yàn)值比較接近。

根據(jù)試驗(yàn)與規(guī)范值對(duì)比情況，輸電線路基礎(chǔ)單樁抗壓承載力公式推薦采用《擠擴(kuò)支盤灌注樁技術(shù)規(guī)程》(CECS192:2005)。本試驗(yàn)端阻和側(cè)阻影響系數(shù)按照規(guī)范取值乘以0.9的折減系數(shù)后與試驗(yàn)值較接近。實(shí)際工程應(yīng)用中，有地下水的軟土地基情況，建議公式中側(cè)阻和端阻影響系數(shù)適當(dāng)減小使用。

2.2 單樁抗拔承載力計(jì)算

2.2.1 不同規(guī)范單樁上拔承載力公式

表5 單樁抗拔承載力公式的分析比較

續(xù)表5

2.2.2 規(guī)范值與試驗(yàn)值比分析

根據(jù)以上幾種規(guī)范規(guī)定的估算公式計(jì)算的極限承載力與試驗(yàn)值對(duì)比況見表6。

表6 擠擴(kuò)支盤樁抗拔極限承載力結(jié)果對(duì)比

由表6可知，規(guī)范③計(jì)算的抗拔極限承偏于保守；規(guī)范①和規(guī)范②計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值接近，且略小于試驗(yàn)值。

表7 擠擴(kuò)支盤樁承載力類型所占比例結(jié)果對(duì)比

從表7可以看出，除規(guī)范①公式支盤端阻力是以等效側(cè)阻力的形式表達(dá)，其余兩種規(guī)范支盤端承力在極限承載力中所占的比重與試驗(yàn)值接近，因都未考慮樁體自身的重量，極限側(cè)阻力所占比重與試驗(yàn)值相差較多。規(guī)范②計(jì)算公式考慮自重后2號(hào)樁、3號(hào)樁極限承載力值分別為2068kN和2191kN，與試驗(yàn)值更為接近。

分析各種規(guī)范的優(yōu)缺點(diǎn)及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，本文推薦擠擴(kuò)支盤樁抗拔極限承載力公式采用《擠擴(kuò)支盤灌注樁技術(shù)規(guī)程》(CECS192:2005)規(guī)定公式。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，1#試樁在下壓+水平組合荷載作用下豎向抗壓承載力特征值為1800kN，2#試樁在上拔+水平組合荷載作用下豎向抗拔承載力特征值為1100kN，3#試樁在上拔+水平組合荷載作用下豎向抗拔承載力特征值為1200kN，4#試樁在上拔+水平組合荷載作用下豎向抗拔承載力特征值為990kN。

擠擴(kuò)支盤樁具有較大的抗壓承載潛能，其抗拔極限承載力比普通直孔灌注樁提高了10%～20%。

(2)按不同地區(qū)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程所建議的單樁承載力估算公式進(jìn)行了承載力計(jì)算和分析比較，本工程單樁抗壓承載力公式推薦采用《擠擴(kuò)支盤灌注樁技術(shù)規(guī)程》(CECS192:2005)，結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－2008)，公式中樁端阻力項(xiàng)考慮樁端尺寸效應(yīng)系數(shù)。實(shí)際工程在類似本試驗(yàn)場(chǎng)地有地下水的軟土地基情況，公式中端阻力系數(shù)適當(dāng)減小使用。

對(duì)于抗拔計(jì)算，《擠擴(kuò)支盤灌注樁技術(shù)規(guī)程》(CECS192:2005)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值基本接近，單樁抗拔極限承載力公式推薦該規(guī)范公式。

[1]JGJ 94－2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范 [S].

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