直柱扩底型岩石嵌固基础抗拔承载特性数值分析

直柱扩底型岩石嵌固基础抗拔承载特性数值分析

张之1王运华1韩杨春2丁士君2崔强2

1.新疆驰誉电力工程咨询有限公司新疆乌鲁木齐830002；2.中国电力科学研究院北京100192

摘要：基于新疆达坂城浅埋直柱扩底型岩石嵌固基础上拔承载现场试验的结果，对试验场地的岩体力学参数进行参数反演。采用反演参数，进行深埋直柱扩底型岩石嵌固基础上拔承载数值模拟计算。分析数值模拟结果，认为该型式基础随基础埋深变化呈现3种破坏模式：陡变型破坏、过渡型破坏及缓变型破坏。通过对比每种破坏模式相对应的Q-s曲线及塑性区破坏规律，对直柱扩底型岩石嵌固基础的抗拔特性进行了分析。

关键词：输电线路；直柱扩底型基础；上拔承载力；数值模拟

Numericalanalysisofupliftbearingcapacityforstraightcolumnpedestalfoundationofpowertransmissionline

WANGYunhua1，HANYangchun2，DINGShijun2，CUIQiang2

（1.XinjiangChiyuPowerEngineeringConsultingLtd.，Urumqi830001，China；2.ChinaElectricPowerResearchInstitute，Beijing100192，China.）

Abstract：BasedontheupliftbearingcapacitytestsoftherockembeddedfoundationinXinjiangDabancheng，parameterinversionofrockmechanicsparametersoftestsiteiscarriedout，andbasedontheparametersobtainedfromtheinversion，thenumericalsimulationofupliftbearingcapacityofaburiedrocksocketedfoundationunderdeepembeddedcolumnsiscarriedout.Analysisofthenumericalsimulationresultsshowsthatthereare3failuremodes：steepchange，transitionfailureandslowchangefailure.BycomparingtheQ-scurveandplasticzonefailureruleofeachfailuremode，theupliftcharacteristicsoftherocksocketedfoundationwithastraightcolumnandexpandedbottomareanalyzed.

Keywords：powertransmissionline；Straightcolumnpedestalfoundation；upliftbearingcapacity；numericalsimulation

1引言

随着国民经济的高速发展，对电力能源依赖性越来越强，而我国幅员辽阔，能源分布不均，因此，建立完善的输电网络必不可少，输电线路沿线的工程地质条件越来越复杂，所采用的基础型式也多种多样[1~3]。直柱扩底型岩石嵌固基础作为一种新型基础，能充分发挥原状土承载性能，具有良好的抗拔性能，同时具有节省材料、加快工程施工进度、降低工程造价、对周边环境扰动较小等优点，因此在杆塔基础中应用广泛。目前，对直柱扩底型基础抗拔特性的研究，主要从桩长、桩径和深径比等桩自身尺寸参数因素[4~7]，以及土体摩擦角、粘聚力和泊松比等场地地质条件因素[8~10]两个方面进行研究，然而在输电线路基础方面研究很少。由于输电线路基础自身专业特性，其抗拔承载特性与桩基础有比较大的不同，需要进行专业研究。

本文基于浅埋条件下（≤3.0m）直柱扩底型基础上拔荷载现场试验的结果，对试验场地的岩体力学参数进行反演，在岩体力学参数实测值的范围内，反演出计算误差较小的数值模拟计算参数。并采用反演参数，进行了深埋条件下（≥3.0m）的直柱扩底型基础上拔荷载的数值模拟计算。通过分析计算结果，研究分析了该型基础的抗拔承载特性，为输电线路直柱扩底型基础的设计与施工提供参考。

2现场试验及岩体力学参数反演

2.1现场试验概况

试验场地位于新疆省达坂城地区，场址区宏观地貌属山区，微地貌为丘陵，为原先山地开挖整平而成。现场岩体为中等风化的石英细砂岩，细沙结构，层状构造，胶结物以泥质为主。灰绿色，遇水稍崩解，粒径15cm，节理裂隙较发育，岩性较完整，可取到短柱状岩样。根据岩土工程勘察报告与原位直剪试验，统计试验目标层岩体的主要物理力学参数见表1。

结合现场试验的地形条件，按基础埋深共设计了5个试验基础，基础基本型式见图1。图中H为基础埋深，D为底板直径，d为立柱直径，所有基础露头高度e均为0.2m，扩底端高度m均为0.4m，底部高度t均为0.1m，具体几何参数见表2。

试验采用的加载装置极限加载能力可达15000kN，足以满足本次试验需要。试验过程中，为确保地表破裂面自由发展，反力墩与基础之间的净距不小于1倍的基础埋深。

图1现场试验基础示意图

Fig.1Sketchofin-sitetestfoundations

2.2现场试验结果及分析

2.2.1基础极限抗拔位移与荷载的确定

通过数据采集系统，记录得到5条Q-s曲线（图7）。图中Q-s曲线均表现为“缓变型”，此类型曲线基于不同的失效准则，极限抗拔位移与荷载的确定方法各有不同，一般可分为图解法、允许位移法及数学模型法。

图2Q-s曲线特征段及抗拔位移与荷载的确定

Fig.2Characteristicsofupliftload-displacementresponseanddeterminationsofdisplacementandbearingcapacity

本文采用图解法中常用的L1-L2法确定每条Q-s曲线所对应的极限抗拔位移与荷载。即将每条Q-s曲线划分为如图2所示的3个阶段，图中点L1对应的SL1、TL1分别为基础在初始弹性段的弹性极限抗拔位移和荷载；点（STIU，TTIU）为基础在中间过渡段正常使用状态下，位移与荷载的代表值；点L2对应的SL2、TL2为基础在破坏段的塑性极限抗拔位移和荷载。本文取SL2和TL2作为基础的极限抗拔位移与荷载，7条现场试验Q-s曲线的取值结果如表2所示。

2.2.2基础破坏半径的确定

试验过程中，Q-s曲线记录保存后，保持加载系统不卸载，使用白色石灰粉标记基础上拔时造成的地表裂缝（图3）。将裂缝的几何特征扫描至CAD中，绘制其几何分布图（图4），并通过图形面积反算破坏半径，反算结果见表2。

图4试验基础地表裂缝分布

Fig.4Crackdistributionoftestedfoundations

2.3岩土力学参数反演的方法

基于现场试验的基础尺寸，建立的计算模型尺寸如图5所示，为提高计算效率，均采用1/2计算模型。建通过改变H与D的赋值建立5个基础模型如图6所示。

图6基础计算模型

Fig.6Calculationmodeloffoundations

计算过程中，基础设为弹性模型，周边岩体设为摩尔-库仑模型，基础与岩体界面设置接触面。模型底面施加竖直向约束，四周施加水平向约束，顶部为自由面。

2.4参数反演的结果及误差分析

基于岩体现场实测的物理力学参数，反演出岩体的力学计算参数见表1。表中基础参数为《工程地质手册》[11]推荐值，接触面参数为软件手册推荐计算值，并非反演值。

图7为反演模拟值与现场试验值的Q-s曲线对比图，按L1-L2法对图中模拟值的Q-s曲线进行取值分析，结果如表2所示。根据表中数据，分别从破坏半径、极限抗拔位移与荷载评定反演参数是否满足计算精度。

表1基础、岩体及接触面的物理力学参数

Table1Physicalandmechanicalparametersoffoundations，rockmassandcontactsurface

表中破坏半径的模拟值与试验值的相对误差最高23%，最低13%，平均误差18.2%。考虑到破坏半径的模拟值取自极限荷载条件下，地表塑性区的分布半径。而破坏半径的试验值的测定时间晚于该时机，且测定方法是通过测定地表裂缝范围反演破坏半径，因此认为二者的拟合误差偏高是合理可接受的。极限抗拔位移的模拟值与试验值的相对误差最高为17%，最低为6%，平均误差为9.4%。极限抗拔荷载的模拟值与试验值的误差最高25%、最低3%、平均误差13.4%，拟合程度均较高。说明参数反演所得的计算参数合理，适宜进行更大埋深直柱扩底型基础抗拔承载特性的数值模拟计算。

3大埋深直柱扩底型基础抗拔承载数值模拟计算

3.1计算模型的建立

计算模型外部尺寸如图5所示，所有基础露头高度e均为0.2m，扩底端高度m均为0.4m，底部高度t均为0.1m，通过改变基础尺寸（表3），建立计算模型进行计算。

表3试验基础几何尺寸

Table3Geometricsizeparametersoffoundations

3.2数值模拟结果

结合参数反演的结果，统计计算所得基础Q-s曲线如图8所示，按图2中L1-L2法对图中模拟值的Q-s曲线进行取值分析，结果如表4所示。

图8数值模拟的荷载位移曲线图

Fig.8Q-scurvesofnumericalsimulation

表4数值模拟的极限承载力、破坏半径汇总表

Table4Ultimatebearingcapacityandfailureradiusofnumericalsimulation

3.3直柱扩底型基础抗拔承载特性分析

通过分析基础在不同比例极限荷载下所对应的塑性区图分布图，按基础埋深总结出典型的3种破坏模式，分别以3.0m、5.0m及8.0m埋深的直柱扩底型基础作为样本进行论述分析。

（1）陡变型破坏模式

如图9所示，当基础埋深较浅时（1m~3m），基础具备陡变型破坏的典型特征：①塑性区随上拔荷载增加自下而上逐渐贯通至地表，最终形成“倒梯形”塑性区；②塑性区与地表贯通时，荷载位移曲线出现陡增。

（i）90%（j）100%

图9直柱扩底型岩石嵌固基础塑性区发展规律（埋深3m）

Fig.9Plasticzonedevelopmentoffoundation（H=3.0m）（2）过渡型破坏模式

如图10所示，当基础埋深逐渐加深时（4m～6m），基础具备过渡型破坏典型特征：①加载初期，扩大端处土体呈“球形”扩展，随上拔荷载增加自下而上逐渐贯通至地表，最终形成“U”形塑性区；②塑性区与地表贯通时，上拔荷载并未达到100%极限荷载，随着荷载增加，塑性区继续扩展直至达到极限荷载，同时伴随荷载位移曲线出现陡增。

（i）90%（j）100%

图10直柱扩底型岩石嵌固基础塑性区发展规律（埋深5m）

Fig.10Plasticzonedevelopmentoffoundation（H=5.0m）（3）缓变型破坏模式

如图11所示，当基础埋深较深时（>6m），基础符合缓变型破坏模式：①塑性区随上拔荷载增加逐渐由底部开始扩展，自下而上逐渐扩张至“球形”，荷载达到60%时塑性区趋于稳定，但不贯通至地表，进一处说明基础已进入深埋阶段，仅在基础底部周围岩体发生局部剪切破坏；③荷载-位移曲线缓慢增加并未出现陡增现象。

（i）90%（j）100%

图11直柱扩底型岩石嵌固基础塑性区发展规律（埋深8m）

Fig.11Plasticzonedevelopmentoffoundation（H=8.0m）5结论

本文基于浅埋条件下5个直柱扩底型基础上拔荷载现场试验的结果，以岩体现场实测的物理力学参数为基准，反演出数值模拟的计算参数。并采用反演参数，完成了深埋条件下直柱扩底型基础的数值模拟计算。通过分析数值模拟结果，浅埋条件下（1m~3m），基础周边岩土体随上拔荷载增加出现剪切破坏，塑性区自下而上呈“倒梯形”扩展，对应的Q-s曲线在基础失稳时出现陡增现象，此时基础呈陡变型破坏模式；随着基础埋深增加（4m～6m），塑性区随上拔荷载增加自下而上呈“U”形扩展，对应的Q-s曲线逐渐向缓变型曲线过渡，此时基础呈过渡型破坏模式；深埋条件下（>6m），基础周边岩土体随上拔荷载增加出现桩土接触面剪切破坏现象，基础扩大端处的塑性区自下而上呈“球形”扩展，且基础失稳时，塑性区不会与地表贯通，对应的Q-s曲线呈缓变型，此时基础呈缓变型破坏模式。

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