斜坡地基挖孔基礎水平承載特性現場試驗研究

段輝順 楊文智 崔強 毛矛 劉生奎 戶世偉

摘 要：以輸電線路工程中常用的擴底形和直柱形原狀土基礎為研究對象，通過開展斜坡地基條件下水平荷載工況的現場靜裁試驗，對比分析了直柱形和擴底形基礎在荷載一位移曲線、地基承裁力、界面土壓力分布以及地基土體破壞模式等方面的差異。試驗結果表明：兩種結構形式的試驗基礎水平承載一位移曲線、水平荷裁一轉角曲線整體呈緩變形即“直線一曲線一直線”三階段變化趨勢，而兩者之間的差異在于荷載一轉角曲線在臨近曲線段末尾處突然發生翹起；相較于直柱形基礎，擴底的設置增加了基底的抵抗力矩，同時降低了基礎旋轉中心位置，使得擴底形基礎承載力較直柱形得到了提高；兩種形式基礎側壁土壓力均沿深度方向呈拋物線形分布；基礎發生破壞時，兩種形式基礎在臨近下坡側均出現大量羽狀裂縫，并伴有地基土隆起，擴底的設置使得基礎對周圍土體的影響深度和范圍均增加。

關鍵詞：架空輸電線路；斜坡地形：擴底形基礎；直柱形基礎；水平靜載試驗

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.023

黃土主要分布在我國甘肅、寧夏、陜西和河南等省（區），在河北、山東、內蒙古、青海、新疆及東北等地也有零星分布[1-3]，其微觀結構較為特殊，因此在工程中表現出特有的物理力學性質[4-5]。目前在“西電東送”“疆電外送”的大背景下，輸電線路不可避免地需要經過廣闊的黃土丘陵地區，為滿足輸電鐵塔修建的需要，部分桿塔基礎將修建在斜坡地基上。為充分利用山區原狀土地基的工程特性，在斜坡地面采用原狀土基礎是我國輸電線路基礎發展的一個重要趨勢。魯先龍等[6]提出了4種斜坡地形輸電線路基礎和桿塔結構的配合方案，分別為鐵塔等長腿配等高基礎、鐵塔等長腿配深淺基礎、鐵塔長短腿配等高基礎、全方位鐵塔長短腿配高低主柱基礎，目前在多條線路工程中被廣泛采用。

桿塔基礎在承受拉/壓交變荷載作用時，還承受較大的水平荷載，通常情況下，桿塔基礎抗拔和抗傾覆穩定性是其設計控制條件。與平地條件地基相比，斜坡地基低坡側臨空面減弱了對桿塔基礎的橫向約束，降低了桿塔基礎的水平承載力。

針對平地地基條件下基礎水平承載性能方面的研究，國內外學者開展了大量的研究工作[7-12]，部分研究成果已形成相關行業標準。相比而言，斜坡地基基礎水平承載性能方面的研究還處在試驗階段，并且研究對象多為樁基礎。如：鄧凡[13]通過室內模型試驗和有限元數值模擬，研究了水平荷載作用下斜坡樁的工作性狀及樁前場地土的位移變化等：乾增珍等[14]采用極限分析法，研究了水平荷載作用下斜坡地形高露頭挖孔樁基礎的樁土體系穩定性及承載機理：李彰明等[15]對土質邊坡進行樁基水平荷載試驗，研究水平力作用下樁體變形特征及承載力：郭永建等[l6]利用離心試驗機對端承樁與摩擦樁的基礎施加水平荷載和豎向荷載，給出了邊坡樁基受力性能的研究方法，并進行了受力機理分析。

上述研究工作涉及的對象多為等截面結構形式的樁基礎，而輸電線路工程為提高基礎的抗拔和抗水平承載性能常常在柱底設置一定大小的擴大頭。目前針對擴底基礎水平承載特性以及擴底的設置對地基基礎承載性能影響方面的研究尚顯缺乏，由此導致工程設計中關于斜坡地基擴底基礎水平承載力的計算缺乏理論依據，依舊按照等截面樁基礎進行設計。

本文以輸電線路工程中常采用的直柱形與擴底形原狀土基礎為研究對象，在斜坡傾角為200的黃土斜坡地基上開展現場水平承載性能試驗，對比分析了兩種結構形式基礎在荷載一位移曲線變化特征、水平承載力、土壓力分布以及地基破壞模式等方面的特點和差異。旨在通過試驗數據分析，為下一步研究斜坡地基擴底基礎水平承載力的設計方法提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 工程地質條件

試驗地點位于甘肅榆中車道嶺，地處黃土高原丘陵區，斜坡傾角β= 20°。地表黃土為第四系上更新統風積新黃土（Q ），淡黃色，土質均勻，大孔發育，具垂直節理。其成分以粉土為主，包含細砂、粉土、黏粒等。對現場取回的黃土試樣進行土體基本物理特性指標測試，結果如下：天然密度為1.31 g/cm3，相對密度為2.71，含水率為6.82%，干密度為1.23 g/cm3，天然孔隙比為1.21。

1.2 基礎結構及尺寸

根據黃土地區輸電線路T程特點以及黃土地基特殊的T程性質，本次試驗以擴底形（ KTl）和直柱形（ ZTl）原狀土基礎為研究對象，根據750 kV輸電線路工程的荷載，設計出適用于工程的全尺寸試驗基礎，如圖1所示。

兩種結構形式的原狀土基礎均采用人工掏挖成孔，將事先制作完成的鋼筋骨架固定于基坑中，以土代模，一次澆筑成型。除存在擴底與否的差異外，兩種基礎具有相同的配筋以及混凝土強度等級。基礎澆筑完成后達到28 d養護期時進行試驗。

1.3 加載裝置

試驗基礎的水平荷載由滑輪組系統提供，滑輪組一端依次與拉力傳感器（用于測試滑輪組系統所施荷載）和試驗基礎相連，另一端與反力地錨相連，中間經轉向架調節，將荷載方向調整為水平向，整套加載系統沿斜坡傾向布置，如圖2所示。

1.4 測試原件布置

為了測量基礎的側向位移和旋轉角度，在試驗基礎頂面以及沿水平力方向的基礎側面分別布置位移傳感器Sl～S6，如圖3所示。通過測讀Sl～S6傳感器的數值（S1～S6），按照式（1）和式（2）可確定基礎的轉角和水平位移。

為了獲得基礎周圍土體的應力分布，分別在直柱形基礎的側壁、擴底形基礎的側壁和基底布置一定數量的土壓力傳感器，如圖4所示。

1.5 試驗加載

試驗采用慢速荷載維持法，具體加卸載方案、加卸載終止條件見文獻[17]。試驗過程中，通過布置在基礎頂部的數字式電子位移傳感器直接采集并記錄基礎水平位移，通過土壓力傳感器采集并記錄樁土界面的土壓力。

2 試驗結果與分析

2.1 基礎荷載位移曲線

通過測讀每一級荷載下的水平位移，獲得試驗基礎的水平荷載位移曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，兩種結構形式的基礎荷載位移曲線整體變化規律相似，出現“直線一曲線一直線”三個特征階段。加載初期，水平荷載較小，基礎周圍土體在基礎側壁擠壓下逐漸加密，荷載位移曲線呈直線變化，該階段地基土體呈彈性變形性狀：隨著水平荷載的不斷增大，基礎周圍土體開始出現塑性區，荷載位移曲線呈現出變化率不斷增大的非線性變化趨勢，該階段地基土體呈現出塑性變形性狀：當水平荷載增大到一定值時（ZTI為200kN，KT1為240 kN），荷載位移曲線變化率趨于穩定，曲線出現直線陡降，該階段地基土體塑性區已擴大，基礎周圍土體出現整體破壞。

統計每一級荷載作用下位移傳感器Sl～ S6的數據，通過式（1）換算，獲得荷載與轉角之間的關系曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，荷載一轉角曲線與荷載一位移曲線整體變化趨勢相似，同樣呈現出“直線一曲線一直線”的三個變化階段。與荷載一位移曲線不同的是，當水平荷載達到某一值時（ZT1對應150kN、KT1對應200 kN），荷載一轉角曲線突然發生翹起，隨后減小。

2.2 基礎水平承載力

按照現行行業規范[17]，取水平位移10 mm對應的水平荷載為基礎的極限承載力（見表1）。由表1可以看出，相同允許位移條件下，擴底形基礎的水平承載力較直柱形基礎的大19%。原因是擴底的設置使得土體在基礎底部產生一對大小相同、方向相反的反力（F1、f2），從而產生負彎矩，該彎矩方向與水平力產生的彎矩相反，起到阻止基礎側移或旋轉的作用，如圖7所示。

2.3 地基一基礎界面土壓力

通過處理預先埋置在土體內部的土壓力傳感器的測試數據，分別獲得試驗基礎的土壓力分布規律，如圖8所示。由圖8可以看出：無論是擴底形基礎還是直柱形基礎，基礎側壁的土壓力沿深度方向整體上都呈拋物線形分布，即迎土側土壓力首先隨深度的增大逐漸增大，達到某一峰值后轉而隨深度的增大逐漸減小，達到某一深度土壓力變為0（即反彎點），接著背土側土壓力隨深度增大逐漸增大，并在基礎埋深處達到最大值。試驗基礎的反彎點可認為是基礎旋轉時的轉動中心，兩種結構形式基礎的反彎點位置不同。直柱形基礎反彎點位置位于距離地面3.54 m深度處，擴底形基礎反彎點位置與直柱形基礎相比出現下移，在距離地面4.19 m深度處，與擴底的起擴點位置相當。位于擴底形基礎KT1下坡側的基底土壓力為負值（受壓），上坡側土壓力為正值（受拉），且越偏離基礎中心，其值越大。基底土壓力正、負值變號處位于靠近基底中心且偏下坡側的位置，表明基礎在水平荷載作用下基底有沿垂直于水平力方向軸向轉動的趨勢，并且轉動軸的位置偏向下坡側。

2.4 地基破壞模式

試驗結束后，通過量測分布于坡面的裂縫范圍和尺寸，獲得斜坡地基的破壞面，如圖9所示。由圖9可以看出，兩種結構形式的試驗基礎在下坡側均出現大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，以上破壞特征以水平力作用線為軸呈對稱性分布，這一點與鄧凡13]的模型試驗結果相同。擴底形基礎破壞時地基影響范圍較直柱形的大，擴底形基礎影響范圍為2.9 m（即2.9倍立柱直徑），直柱形基礎影響范圍為1.4 m（即1.4倍立柱直徑）。原因是擴底的設置增大了基底的抵抗力矩，使基礎的旋轉中心位置降低，增強了土體對于基礎的嵌固作用，這種作用導致更深的土體受到了基礎側移造成的影響，從而擴大了基礎破壞時地基土體的發展深度和影響范圍。

3 結論

本文在β= 20°的黃土斜坡地基上開展了擴底形和直柱形基礎的現場水平承載特性試驗，對比分析了兩種基礎荷載一位移曲線、水平承載力、界面土壓力、地基破壞模式等的差異。主要結論如下：

（1）兩種結構形式基礎的水平荷載一位移曲線、水平荷載一轉角曲線均呈現出“直線一曲線一直線”三個變化階段。與荷載位移曲線不同的是，荷載一轉角曲線在臨近曲線段末尾處突然發生翹起，隨后呈直線減小，直柱形與擴底形基礎的翹起點對應的水平荷載分別為150 kN和200 kN。

（2）與直柱形基礎相比，擴底形基礎具有更大的水平承載力，以及更寬的裂縫開展范圍，原因是擴底的設置增大了基底的抵抗力矩，使得基礎轉動中心發生下移。

（3）水平荷載作用下，兩種結構形式基礎側壁土壓力沿深度方向整體均呈拋物線形分布，基底有沿垂直于水平力方向軸向轉動的趨勢。對于擴底形基礎，斜坡的存在使得基底轉動軸的位置更偏向于下坡側。

（4）基礎破壞時，地基土體呈現出以水平力作用線為軸的對稱性破壞，具體表現為基礎下坡側周邊產生大量羽狀裂縫，并伴隨地基土隆起，擴底形基礎破壞范圍和深度均較直柱形基礎大。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國建設部.濕陷性黃土地區建筑規范：GB50025-2004[S].北京：中國建筑工業出版社，2004：8，60.

[2] 魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎T程現狀與展望[J].電力建設，2005，26（11）：25-27.

[3] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：418-432.

[4] 田堪良，王沛，張慧莉.黃土結構性分析及新認識[J].人民黃河，2012，34（4）：145-148.

[5] 張寧寧，駱亞生.易溶鹽對黃土強度特性的影響[J].人民黃河，2014，36（8）：103-105.

[6] 魯先龍，程永鋒.斜坡地形輸電線路基礎和桿塔的配合技術[J].電力建設，2011，32（8）：29-33.

[7] 張雁，劉金波.樁基手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：155 -184.

[8]楊文智.微型樁水平承載性狀研究[D].北京：中國地質大學，2011：56-72.

[9] 馬志濤.水平荷載下樁基受力特性研究綜述[J].河海大學學報（自然科學版），2006，34（5）：546-551.

[10] 崔強，魯先龍，馮白霞.水平荷載作用下加翼掏挖基礎承載特性研究[J].地下空間與工程學報，2011，7（3）：457-463.

[11] 中華人民共和國交通運輸部.港口工程樁基規范：JTS167 - 4-2012[S].北京：人民交通出版社，2012：87-79.

[12] 胡立萬，周建國.單樁水平承載力計算方法的比較分析[J].北方交通，2003 （4）：19-22.

[13] 鄧凡.水平荷載下樁與斜坡土體相互作用機理的試驗研究[D].武漢：長江科學院，2009：17 -52.

[14] 乾增珍，魯先龍.斜坡地形高露頭挖孔樁水平承載特性試驗研究[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），

2009，28（2）：225-227.

[15] 李彰明，全國權，劉丹，等.土質邊坡建筑樁基水平荷載試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（6）：930-935.

[16] 郭永建，謝永利，江黎，等.邊坡樁基受力特性的離心模型試驗[J].長安大學學報（自然科學版），2010（1）：35-39.

[17] 國家能源局.架空送電線路基礎設計技術規定：DL/T5219-2014[S].北京：電力工業出版社，2014：150-152.