大厚度黃土場地聯(lián)合板索基礎(chǔ)及其特性

雒億平，言志信

(1．蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730020;2．國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050; 3．河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山467036)

大厚度黃土場地聯(lián)合板索基礎(chǔ)及其特性

雒億平1，2，言志信1，3

(1．蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730020;2．國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050; 3．河南城建學(xué)院土木工程學(xué)院，河南平頂山467036)

“大開挖”、“掏挖擴(kuò)底”、“爆擴(kuò)樁”為目前我國大厚度黃土場地中主要使用的既抗壓又抗拔的基礎(chǔ)類型，針對(duì)3種基礎(chǔ)形式存在的缺陷和不足，借鑒錨索拉盤、掏挖樁等技術(shù)構(gòu)建了聯(lián)合板索基礎(chǔ)并且獲得了發(fā)明專利授權(quán)。聯(lián)合板索基礎(chǔ)的上板主要承受下壓力和水平力，下板主要承受上拔力。聯(lián)合板索基礎(chǔ)不僅結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、安全可靠、抗動(dòng)荷載能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境破壞小，而且其荷載傳遞明晰、科學(xué)合理，各部分功能明確而又協(xié)同工作。

大厚度黃土場地;板索基礎(chǔ);構(gòu)造;特征

我國地域遼闊，各地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和氣候環(huán)境千差萬別，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中地基基礎(chǔ)極為重要。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，輸電線路建設(shè)中基礎(chǔ)建設(shè)的運(yùn)輸量超過整個(gè)輸電線路運(yùn)輸量的60%，基礎(chǔ)的施工工期占總工期的一半，基礎(chǔ)建設(shè)的費(fèi)用超過整個(gè)輸電線路工程費(fèi)用的20%。在偏遠(yuǎn)的山嶺地區(qū)，基礎(chǔ)建設(shè)的成本甚至超過總線路工程投資的1/2。

在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，上部結(jié)構(gòu)的理論已較為成熟，工程施工也已積累了較多的經(jīng)驗(yàn)并不斷得到豐富和發(fā)展，設(shè)計(jì)思想和理念已較為先進(jìn)。可是，我國地基基礎(chǔ)的研究相對(duì)滯后，以至于工程建設(shè)中時(shí)常出現(xiàn)不僅基礎(chǔ)尺寸比國外大，費(fèi)用高昂，且造成材料的浪費(fèi)和環(huán)境的破壞，開發(fā)新型基礎(chǔ)形式已成為滿足工程建設(shè)需要的緊迫問題。本文針對(duì)黃土地區(qū)輸電工程幾種基礎(chǔ)類型的缺陷和不足，提出一種新型板索基礎(chǔ)并獲得了發(fā)明專利授權(quán)。

1　目前基礎(chǔ)存在的問題及解決途徑探討

在我國大厚度濕陷性黃土地區(qū)，“大開挖”、“掏挖擴(kuò)底”、“爆擴(kuò)樁”等基礎(chǔ)為目前主要使用的既抗壓又抗拔的基礎(chǔ)形式。

“大開挖”基礎(chǔ)以擾動(dòng)的回填土構(gòu)成抗拔土體，保持基礎(chǔ)的上拔穩(wěn)定。由于是回填土，雖經(jīng)夯實(shí)亦難以恢復(fù)原狀土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主要靠擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸來滿足抗拔穩(wěn)定性，勢必加大基礎(chǔ)尺寸，提高了工程成本;同時(shí)由于棄土較多，對(duì)環(huán)境的破壞也較大。

“掏挖擴(kuò)底”基礎(chǔ)是利用天然土構(gòu)成抗拔土體，以保持基礎(chǔ)和地基土體的上拔穩(wěn)定，適用于在施工中掏挖和澆注混凝土?xí)r無水滲入的黏性土地基，它能充分利用大厚度土的特性，具有良好的抗拔性能。

“爆擴(kuò)樁”基礎(chǔ)依靠樁周與土的摩擦力承擔(dān)基礎(chǔ)上拔力，依靠樁周與土的摩擦力以及樁端承載力承擔(dān)基礎(chǔ)下壓力。樁基礎(chǔ)規(guī)范規(guī)定，黃土地區(qū)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層需穿過濕陷性黃土，因此該基礎(chǔ)形式不適于大厚度濕陷性黃土地區(qū)。同時(shí)，“爆擴(kuò)樁”基礎(chǔ)具有一定的隱蔽性，施工難度大、施工工藝復(fù)雜、質(zhì)量難以控制，工后檢測也存在一定的困難，且材料消耗大、工程成本高。

鑒于上述基礎(chǔ)形式所存在的缺陷和不足，基于錨索拉盤技術(shù)已在擋土墻工程中獲得應(yīng)用，其計(jì)算原理及設(shè)計(jì)依據(jù)已進(jìn)行了一些探討［1］，同時(shí)掏挖樁基礎(chǔ)在工程中的施工工藝趨于成熟，其設(shè)計(jì)方法和依據(jù)也較充分［2］。借鑒和利用錨索拉盤技術(shù)和掏挖樁基礎(chǔ)的理論和技術(shù)以及工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)和集成創(chuàng)新，以獲得滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)抗壓和抗拔性能要求，且質(zhì)量可靠、施工方便、成本低廉的新型基礎(chǔ)勢在必行。

2　擴(kuò)底樁基礎(chǔ)相關(guān)研究情況及分析

擴(kuò)底樁常常被視為錨式基礎(chǔ)的一種，對(duì)其上拔特性的研究也始于水平錨板的上拔特性研究。錨板作為提供抗拔力的一種結(jié)構(gòu)，在上拔過程中其極限抗拔力一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

Meyerhoff等(1968)通過小尺寸模型試驗(yàn)研究了砂土及黏性土中水平錨板的上拔特性。通過半模型試驗(yàn)研究了水平錨板的上拔破壞模式，得到了砂土及黏性土中水平錨板上拔承載力的計(jì)算公式［3］。Murrray等(1987)在無黏性土中進(jìn)行了錨板的上拔試驗(yàn)，使用平衡法和極限分析法預(yù)測了錨板的上拔力，并對(duì)多種方法進(jìn)行了對(duì)比;結(jié)果表明，對(duì)于中密砂中的圓形錨板，所用方法均高估了錨板的上拔力［4］。Dickin等(1990)總結(jié)了各個(gè)已有的錨板上拔承載力的計(jì)算方法，并根據(jù)假設(shè)破壞面不同，將這些計(jì)算方法分為了3類:豎直滑動(dòng)破壞面、倒圓錐臺(tái)形破壞面和曲線破壞面，通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了埋深、擴(kuò)底直徑、土體密度對(duì)干砂中擴(kuò)底直徑為0.6～3 m的擴(kuò)底樁上拔特性的影響［5］。Rao等(1994)在特征線方法和對(duì)數(shù)螺旋線破壞面的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了在綜合考慮土體黏聚力、摩擦角及上覆荷載情況下的淺埋水平條形錨板的上拔力計(jì)算公式［6］。何思明(2001)在國內(nèi)外抗拔樁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立土體破裂面方程，在此基礎(chǔ)上研究了抗拔樁的極限承載力，并提出一個(gè)極值原理［7］。Ilamparuthi等(2002)通過松砂、中密砂、密砂中的直徑最大為400 mm的圓形錨板的上拔試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)圓形錨板的上拔承載力受錨板直徑、錨板埋深比和土體密度影響較明顯［8］。劉文白等(2003)在砂土中進(jìn)行了擴(kuò)底樁的抗拔模型試驗(yàn)，研究了擴(kuò)底樁上拔破壞機(jī)理，并提出了求得擴(kuò)底樁極限上拔力的公式［9］。劉華強(qiáng)等(2007)考慮對(duì)數(shù)螺旋線的破壞面并結(jié)合特征線理論，提出一種新的淺埋條形板極限上拔力的計(jì)算方法［10］。趙煉恒等(2010)在上限定理基礎(chǔ)上，根據(jù)線性破壞準(zhǔn)則，以抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為變量參數(shù)，求出極限抗拔力的目標(biāo)函數(shù)與約束條件，將結(jié)果與已有文獻(xiàn)比較，得出巖土體密實(shí)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、錨板埋深率和錨板幾何形狀對(duì)錨板承載力和錨板抗拔破壞區(qū)均有較大影響［11］。劉明亮等(2011)基于PIV技術(shù)對(duì)錨板抗拉破壞模式進(jìn)行識(shí)別，最終得出在峰值處錨板上部土體中間部分位移大、兩邊位移小，位移場呈倒梯形分布的結(jié)論;而且發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)變場沿錨板兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的剪切帶，并向上延伸至地面，且剪切帶內(nèi)伴隨著剪脹現(xiàn)象［12］。

3　聯(lián)合板索基礎(chǔ)

3.1聯(lián)合板索基礎(chǔ)的構(gòu)造

聯(lián)合板索基礎(chǔ)分為單索聯(lián)合板索基礎(chǔ)、雙索聯(lián)合板索基礎(chǔ)、三索聯(lián)合板索基礎(chǔ)。下面先以單索聯(lián)合板索基礎(chǔ)為重點(diǎn)進(jìn)行介紹，以便更加清楚地了解聯(lián)合板索基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、組成及其特性。至于雙索聯(lián)合板索基礎(chǔ)和三索聯(lián)合板索基礎(chǔ)是單索聯(lián)合基礎(chǔ)的發(fā)展，以適應(yīng)需要提供更大抗拔承載力的要求。

單索聯(lián)合板索基礎(chǔ)如圖1所示［13］:包括一個(gè)具有一定厚度的鑲嵌在地表中的上板和一個(gè)埋設(shè)在地下的下板，其上板和下板之間通過錨索(桿)連接，在上板和下板之間的錨索(桿)外部設(shè)有膠管(該膠套管的兩端分別與上板和下板密封相接)，還可在膠套管內(nèi)部充裝防腐填料;錨索(桿)的兩端分別設(shè)有一個(gè)錨頭，上部的錨頭與上板設(shè)有的上承載墊板通過螺母聯(lián)接，下部的錨頭與下板設(shè)有的下承載墊板也通過螺母聯(lián)接。其上板、下板均為鋼筋混凝土板，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。上板采用長方形的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且上板的面積遠(yuǎn)大于下板的面積，上板厚度一般約為550 mm，露出地面厚度為50 mm，上板、下板之間，在膠套管的周圍澆注砂漿，因此上板側(cè)向可以承受水平力，同時(shí)可對(duì)上板與下板之間的錨索(桿)施加預(yù)應(yīng)力。

圖1　輸電鐵塔單索聯(lián)合板索基礎(chǔ)

與單索聯(lián)合板索基礎(chǔ)不同，雙索聯(lián)合板索基礎(chǔ)如圖2所示，包括1個(gè)上板和2個(gè)下板，其上板與每個(gè)下板之間分別通過錨索(桿)連接，2根錨索(桿)的長度相等。因而雙索聯(lián)合板索基礎(chǔ)可減少開挖深度，提供更大的上拔抵抗力，適應(yīng)惡劣地質(zhì)環(huán)境。

而三索聯(lián)合板索基礎(chǔ)如圖3所示，包括1個(gè)鑲嵌在地表中的上板和3個(gè)埋設(shè)在地下的下板，其上板和每個(gè)下板之間分別通過一根錨索(桿)連接，3個(gè)下板呈一字形設(shè)置，其中位于中間的錨索(桿)長度大于位于兩側(cè)的錨索(桿)長度，兩側(cè)的錨索(桿)長度相等。

3.2相關(guān)研究內(nèi)容

聯(lián)合板索基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)，其可行性是需要被認(rèn)知的，即聯(lián)合板索基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要建立在理論、試驗(yàn)、數(shù)值分析和規(guī)范研究基礎(chǔ)上。本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容分為:聯(lián)合板索基礎(chǔ)的工作機(jī)理以及設(shè)計(jì)依據(jù);聯(lián)合板索基礎(chǔ)的上板設(shè)計(jì);聯(lián)合板索基礎(chǔ)的下板設(shè)計(jì);聯(lián)合板索基礎(chǔ)的相關(guān)構(gòu)件設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)實(shí)例;雙索基礎(chǔ)的擴(kuò)展設(shè)計(jì);三索基礎(chǔ)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。作者對(duì)上述問題進(jìn)行了深入研究，限于篇幅，其細(xì)節(jié)不在本文中展示。

圖2　輸電鐵塔雙索聯(lián)合板索基礎(chǔ)

圖3　輸電鐵塔三索聯(lián)合板索基礎(chǔ)

4　聯(lián)合板索基礎(chǔ)特性

當(dāng)聯(lián)合板索基礎(chǔ)受到下壓力的作用時(shí)，基礎(chǔ)上板承受了大部分甚至全部的下壓力。當(dāng)聯(lián)合板索基礎(chǔ)受到上拔力的作用時(shí)，上拔力通過上板及錨索傳遞到基礎(chǔ)下板;亦即上板及錨索主要起傳遞上拔力的作用，而主要承受上拔力的是基礎(chǔ)下板。在聯(lián)合板索基礎(chǔ)受到水平力作用時(shí)，由于錨索無法將水平力傳遞到下板，因此水平力幾乎全部由上板承受。

由此可見，上板主要承受下壓力和水平力，下板主要承受上拔力，這樣的聯(lián)合板索基礎(chǔ)不僅結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、安全可靠、抗動(dòng)荷載能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境破壞小，而且其荷載傳遞明晰、科學(xué)合理，各部分功能互補(bǔ)又協(xié)同工作。

通過理論研究、現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬和設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，該基礎(chǔ)具有以下特性和優(yōu)點(diǎn):

1)能充分地發(fā)揮不同種材料的物理力學(xué)性能，節(jié)省材料，降低造價(jià)。

2)可充分利用原狀土體的抗剪強(qiáng)度，基礎(chǔ)抗拔可靠性較高。

3)該基礎(chǔ)為柔性基礎(chǔ)，能使其本身和上部結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗動(dòng)荷載能力。

4)可避免大開挖，從而能減少棄土量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

5)荷載傳遞機(jī)構(gòu)可兼做地線使用。

6)拆卸方便，如該基礎(chǔ)不再使用，直接剪斷錨索(桿)并挖除上板即可，降低了基礎(chǔ)拆除工程量。

7)上板兼作基礎(chǔ)保護(hù)帽使用。

8)該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載傳遞明晰，結(jié)構(gòu)計(jì)算、設(shè)計(jì)以及施工較為簡便。

9)地腳螺栓焊接在上、下承載板上，與錨索之間可靠連接。

10)不僅適用于大厚度黃土地區(qū)，而且能全面推廣，并用于海洋等各類抗拔工程。

5　結(jié)論

本文針對(duì)目前使用的既抗壓又抗拔幾類基礎(chǔ)存在的缺陷和不足，構(gòu)建了聯(lián)合板索基礎(chǔ)，主要由一個(gè)具有一定厚度的鑲嵌在地表中的上板和一個(gè)埋設(shè)在地下的下板，以及連接上板和下板的錨索(桿)組成。該新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅申請了實(shí)用新型專利，同時(shí)申請了發(fā)明專利，它們均已獲得授權(quán)。

上板承受了大部分甚至全部的下壓力。基于該基礎(chǔ)上板所承受的上板自重力、下壓力和上拔力等豎向力以及水平力，分別研究了軸心荷載和偏心荷載作用下聯(lián)合板索基礎(chǔ)上板地基壓力，并研究了聯(lián)合板索基礎(chǔ)上板抗傾覆穩(wěn)定和水平抗滑移穩(wěn)定;當(dāng)其受到上拔力的作用時(shí)，上拔力通過上板及錨索傳遞到基礎(chǔ)下板，即承受上拔力的是基礎(chǔ)下板;當(dāng)其受到水平力作用時(shí)，水平力幾乎全部由上板承受。

聯(lián)合板索基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、安全可靠、抗動(dòng)荷載能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境破壞小等，而且其荷載傳遞明晰、科學(xué)合理，不同部分功能互補(bǔ)協(xié)同工作。

本文的研究為聯(lián)合板索基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工提供了理論支撐。

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［13］雒億平，范雪峰，付兵彬，等．輸電桿塔板式單索基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)．中國:ZL201220519599．6［P］．2013-04-03．

(責(zé)任審編 孟慶伶)

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

國家自然科學(xué)基金(41372307);國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(KJ〔2013〕12，SGGSJYOOGHJS1400055)

雒億平(1984—)，男，工程師，博士研究生。

言志信(1961—)，男，教授，博士。