输电塔根键基础抗拔承载特性现场试验研究

杨森林，陈 旭，汪 皓，张 君，范锐

(1.国网青海省电力公司， 青海 西宁 810001；2.重庆交通大学，重庆 400074；3.青海送变电工程有限公司，青海 西宁 810001；4.国网青海省电力公司建设公司，青海 西宁 810001 )

0 引言

输电塔基础是输电线路的重要组成部分，某些条件下常规基础承载力往往不能满足使用要求，因而采用新型掏挖类变截面根键基础(以下简称“根键基础”)[1]，该基础主要是在传统桩基础的侧面植入根键而形成，基础桩体侧面植入的根键可以有效发挥周围原状土的作用而抵抗上部荷载，提高基础的承载力，减小基础的变形。部分学者从室内模型试验、现场足尺试验等方面对其承载特性进行了研究，如徐亮[2]和桂美兵[3]等通过模型试验对根键桩的根键布置和层数对承载力的影响进行了探究，提出了根键优化布置的建议。葛楠[4]等和袁乾坤[5]通过对普通抗拔桩和根键式抗拔桩的对比分析，得出了根键交错排列方式有助于提高根键发挥效率和基础抗拔承载力的结论。

通常情况下，由于输电线路及塔基自重较小，其主要控制荷载为上拔荷载，尤其在高海拔地区风荷载作用下导致根键基础产生较大的上拔力，但目前根键基础承载特性研究多数采用桩顶静载的方式，无法合理解释上拔荷载作用下根键基础的受力特性。因此本文主要通过现场抗拔试验分析不同根键层数的根键基础抗拔承载力特性。

1 试验概况

1.1 试验场地

本次试验场地位于青海省海东市互助土族自治县，北倚祁连山脉，海拔3 600 m 左右，属大陆寒温带气候[6]。试验桩孔掏挖过程中，每间隔1 m 取原状土样，土样物理力学性质指标见表1 所列。

表1 现场土体物理力学性质指标

1.2 基础形式

根键基础作为异形变截面基础，与传统桩基础相比较增加了根键，而根键的存在能够有效提高基础与周围土体接触面积，减少构件重量及数量，利用基础周围土体的原状性，提高基础承载性能[1]。本文研究的基础形式主要为单层根键基础和双层根键基础，该基础由传统桩基础和植入的根键2 个部分组成，如图1 所示。

图1 根键基础形式

1.3 试验方案

表2 上拔现场试验方案

1.3.1 施工流程

试验设计根键基础桩径1.2 m，埋深为3 m，每层沿井壁均匀布置8 根根键。根键采用H 型钢制作，H 型钢规格为200 mm×204 mm×12 mm×12 mm，顶进周围原状土体0.6 m 深。单层根键基础根键埋深2.6 m，双层根键基础第一层根键埋深1.5 m、第二层根键埋深2.6 m。根键采用液压千斤顶对向顶进孔壁原状土，预留长度为0.2 m，完成植入根键和钢筋笼绑扎后浇筑C30 混凝土，待达到混凝土养护周期后，进行上拔加载试验。施工具体流程：桩孔掏挖—根键植入—钢筋笼绑扎—浇灌混凝土。

1.3.2 上拔试验加载装置

上拔试验加载系统主要由反力桩、钢梁、高强螺纹钢、5 000 kN 千斤顶、加载锚板及螺纹钢螺帽组成。为避免在上拔加载过程中反力基础沉降过大影响试验结果，试验中所有反力基础均采用扩底基础，其埋深为5 m，扩底桩底部直径为2 m，上部桩身直径为1.2 m；将反力钢梁置于两反力基础上部，千斤顶置于反力钢梁中心位置并保证与锚板在同一轴线上；通过高强螺纹钢和螺纹钢螺帽与基础加载板锚固。上拔加载系统布置如图2 所示。

图2 上拔加载系统

1.3.3 试验加载方案

试验上拔加载方法采用JGJ 106—2002《建筑基桩检测技术规范》[7]中的慢速维持荷载法，采用液压千斤顶进行分级加载，上拔最大位移量控制在20 mm。

1.3.4 数据测量设备

为了准确监测基础竖向位移，采用了电子位移传感器进行量测，进行上拔荷载试验时，在基础桩身顶部对称布置2 只量程为50 mm 位移传感器。为了测量基础桩身应力变化，在基础不同埋深的各截面对称布置6 只电阻应变式钢筋计。为了分析根键在原状土中的应力变化，每层根键均在3 个正方向根键上下翼板和腹板两侧粘贴电阻应变片，应变片粘贴在原状土和混凝土界面处。

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2 试验结果及分析

2.1 上拔荷载—位移曲线分析

图3 为加载过程中得到的上拔荷载—位移曲线。由图3 可知，在加载初期基础位移变化比较缓慢，在上拔荷载小于400 kN 时，2 种基础的竖向位移量都小于3 mm，在上拔荷载达到500 kN 时单层根键基础位移量为3.6 mm，而双层根键基础的位移量为0.7 mm。当上拔荷载达到大于800 kN 时基础位移曲线发生突变，2 种基础的位移都急速加剧，可知根键基础抗拔极限荷载为800 kN，高于传统的掏挖类桩基础的抗拔承载力[8]。总的来说，增加一层根键对竖向抗拔极限承载力并未有太大的提升，但在不发生破坏的情况时，相同上拔荷载条件下双层根键基础的位移量小于单层根键基础。

图3 上拔荷载位移曲线

2.2 轴力分布分析

本次试验虽然桩身混凝土的抗拉强度远小于钢筋抗拉强度，但在分析施加竖向上拔荷载过程中基础桩身轴力分布时，不能忽略混凝土的抗拉强度。本文采用GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》[9]中的混凝土受拉本构关系对混凝土的受力进行计算。

2.2.1 根键基础轴力分析

图4 中(a)和(b)分别是单层根键基础和双层根键基础在不同荷载情况下轴力随深度的分布图。由图5 可知，2 种基础的轴力都随着基础埋深的增大而减小，在上拔荷载较小时，基础桩体的轴力分布还比较均匀；随着上拔荷载的增大，在桩体埋深1.7 m 以上的部位，轴力衰减较小且分布比较均匀，但在1.7 m 以下的部分，轴力的衰减较快且逐渐向基础底部传递，符合荷载传递规律。根键基础的轴力分布在靠近底部的根键处发生明显的突变，但对于双层根键基础中埋深较浅的上层根键处的轴力分布则没有明显的突变现象，说明根键作用的发挥具有深度效应。而且基础桩身轴力分布曲线斜率均在根键位置有突变现象，且单层根键基础最为突出，说明根键基础对竖向上拔荷载的抵抗作用主要发生在根键位置。

图4 根键基础竖向上拔轴力分布图

图5 根键基础竖向上拔侧摩阻力分布图

2.3 侧摩阻力分布分析

图5 中 (a)和(b)分别为单层根键基础和双层根键基础的侧摩阻力随埋深变化情况。根键基础侧摩阻力的发挥过程是由轴力的变化来进行反映，由图5 可知，当根键埋深附近出现拐点时，侧摩阻力出现峰值效应，且峰值影响深度集中在2.75 m 位置。单层根键基础在根键位置突变，说明根键阻力发挥较大作用；对于双层根键基础而言，由于双层根键基础上下层根键均发挥竖向抗拔作用，而上层根键埋深较浅，根键上覆土压力较小，所以侧摩阻力变化没有突变现象，峰值效应不明显。说明两个基础侧摩阻力影响类型不同。

根键基础在竖向上拔荷载较小时，根键带动上部土体一起上拔，减小了土中应力，说明对于双层根键基础，埋深很浅的上层根键对竖向上拔位移量的控制效果不明显，上层土体在上拔过程中先行发生剪切破坏，这也是两个基础在竖向上拔极限承载力相差不大的原因。

2.4 根键弯矩分析

现场试验基础桩身与根键交互位置对称贴有电阻应变片。上拔过程中，由于应变片对称布置，每个根键以及同层根键受力状况是一样的，如图6 所示。在加载初期，根键上翼板与原状土接触，竖向上拔荷载会使根键产生相反的抵抗力来平衡上拔力。但在竖向上拔过程中，根键弯矩随荷载的增加整体呈增长趋势，说明根键对基础产生的竖向位移有控制作用。两个基础的根键均在特定荷载值段使弯矩先减小再增加，该荷载值都为极限荷载的前一级荷载700 kN。由荷载位移曲线可以看出，此时处在位移增长率最大的时候，说明此时所施加的荷载不稳定，处于位移增长失控的前期，这与现场试验现象契合。

图6 根键基础竖向上拔根键弯矩图

相同荷载工况条件下，双层根键基础上下两层根键弯矩之和大约与单层根键基础弯矩相同，双层根键基础的下层根键所受弯矩比上层根键大，说明在竖向上拔过程中，上层根键周围的原状土应力小，抗剪强度低，对竖向上拔荷载敏感，上拔过程中先于下层根键产生竖向应力，反映出根键基础荷载传递规律也是从基础顶部到上层根键先行传播的机理。

根键上的应力分布和弯矩变化接近于悬臂梁受均布荷载情况。均布荷载的大小与所受竖向上拔荷载的大小、根键周围土体物理力学性质及根键密度等因素有关。当根键密度较大时，各个根键独立承担上拔荷载，其上均布荷载和弯矩较大；当根键密度较小时，根键上部土体可能形成土拱效应，同根键一起抵抗上部荷载，故此时根键上部均布荷载和弯矩较小。

3 结论

根据本次试验可得到以下结论：

1)输电塔不同根键层数的根键基础在不发生破坏的情况时，相同荷载条件下，双层根键基础的位移量小于单层根键基础，相同位移条件下双层根键基础比单层根键基础的抗拔承载力更高。

2)与传统掏挖类基础相比，根键基础竖向抗拔性能更加优越，且大部分抗拔力由根键提供。

3)根键基础的轴力分布在靠近基础底部的根键处发生较为明显的突变，但是双层根键基础作用效果不明显，说明根键作用的发挥具有深度效应。

4)根键上的应力分布和弯矩变化与悬臂梁受均布荷载情况类似，其大小与上拔荷载的大小、土体物理力学性质及根键密度等因素有关。