（岩土工程专业论文）插入式基础抗拔试验研究.pdf

摘要 近三十年来，国内外对承受水平和铅直荷载的输电线路杆塔基础进行了大量 卓有成效的试验研究。但是，从现有研究成果来看，基础上拔理论繁多，众说不 一，所推荐的预估承载力公式的适用性和可靠程度也比较有限。从土力学观点来 看，基础上拔机理远比其它土工问题复杂，土的抗拉性能、土体中裂缝开展过程、 填土质量以及土的渐进性破坏等因素，严重影响着基础上拔的性能。论文通过插 入式基础的真型抗拔试验，对在送电线路中应用已是十分广泛的插入式基础抗拔 机理进行了深入的研究和探讨，得出了一些有意义的结论。其主要内容包括以下 几个方面： 1 、概述了插入式基础国内外研究现状、插入式基础抗拔力计算理论的发展以 及存在的一些问题，论述了研究插入式基础抗拔机理工作的重要意义。 2 、分析真型试验的试验原理，并设计出一套轴向抗拔加载试验装置，详细介 绍了各种试验和数据采集仪器，以及基础进行真型抗拔试验的试验方法及步骤。 3 、本次5 7 个试件的角钢抗拔试验表明，作用力从插入角钢传到混凝土基础 是一个非常复杂的过程。除了混凝土的强度外，作用在插入角钢上的拉力，材料 特性以及在整个基础中的应力分布对基础设计都有重要的影响。当设计人员在设 计基础时，只能够采用在滑动摩阻状态下的粘着应力值。另外，试验结果还表明： 在一定的拉应力下，插入角钢与混凝土之间的粘着力能通过插入角钢与混凝土之 间的位移反映出来。这是由于横断面的收缩，使得粘着应力明显降低，即泊松比 效应。对具有明显屈服点的钢材，在实际施工中，可以把摩阻临界值作为极限拉 力。在带有承剪连接件的插入角钢上进行试验结果表明：粘着应力与承剪连接件 的受力存在很大的附加作用，但是，在原则上不允许进行组合叠加。 4 、分析了插入式基础的受力特点、内部传力特点、构造设计特点，并提出了 插入式基础的4 种基本破坏模式。然后详细论述了土重法、刘文白法、c h a r l e s 法 三种计算方法，针对这些方法中都没有考虑地基土法向反力的不足，对插入式基 础上拔承载力的计算方法提出了一些改进，最后对这些方法的计算结果进行对比a 关键词：插入式基础；输电线路；抗拔极限承载力；室内真型试验；角钢；锚固件 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h et h r e ed e c a d e sl a t e l y , an u m b e ro fe x p e r i m e n t a ls t u d yu s e dt or e s i s t h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ll o a d so f s p r e a df o u n d a t i o n s a r ec a r r i e do u tw o r l d w i d e h o w e v e r , a c c o r d i n gt o t h ee x i s t i n gr e s e a r c hf r u i t s ，b o t ht h e a p p l i c a b i l i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h e p r o p o s e df o r m u l ao nb e a r i n gc a p a c i t y , w h i c hd e r i v e df r o mm a n yt h e o r i e so fu p l i f t f o u n d a t i o n s ，i sr e s t r i c t e d i nv i e wo fs o i lm e c h a n i c s ，t h eu p l i f tm e c h a n i s mi s m o r e c o m p l i c a t e d t h a na n yo t h e rs o i le n g i n e e r i n g p r o b l e m s f a c t o r ss u c h a su p l i f tb e h a v i o ro f s o i l ，c r a c kd e v e l o p m e n t ，f i l l e ds o i lq u a l i t ya n dp r o g r e s s i v ef a i l u r ea r es h o w nh a v i n g g r e a t l yi n f l u e n c e do np u l l o u tb e h a v i o r i n t h i sp a p e r , b a s e do nt h em o d e lt e s to fi n s e r t e d f o u n d a t i o n ，t h eu p l i f tm e c h a n i s m ，o fi n s e r t e df o u n d a t i o n ，w h i c h h a sb e e na p p l i e d w i d e l yi nt r a n s m i s s i o nt o w e r , i ss t u d i e da n dd i s c u s s e dd e e p l y a n dt h e n ，s o m eu s e f u l r e s u l t sa r eo b t a i n e d t h e p r i n c i p a lc o n t e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h ei n v e s t i g a t i o ns t a t eo f i n s e r t e df o u n d a t i o ni sp r e s e n t e dg e n e r a l l yi nt h e p a p e r t h ed e v e l o p m e n to f u p l i f tb e a r i n gc a p a c i t y t h e o r i e si ss u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gt h e s i g n i f i c a n c eo f t h ei n v e s t i g a t i o na b o u tt h ea n t i p u l l i n gm e c h a n i s m s e c o n d l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em o d e lt e s ti sd i s c u s s e d ap u l l o u tl o a d i n gt e s t e q u i p m e n t i sd e s i g n e d ，a n dt h e n ，ag r e a td e a lo ft e s t sa n dd a t a - g a t h e r i n ga p p a r a t u s e sa r e i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ee x a m i n a t i o na p p r o a c h e s a n d p r o c e s s e s f u r t h e r m o r e ，t h er e s u l t so fl a b o r a t o r yt e s t s ，t o t a l l y5 7s m a l l - s c a l es p e c i m e n s ，a r e p r e s e n t e dt h a ti t i sam u c hc o m p l e xp r o c e s st h a t1 0 a db e i n gt r a i l s f e n e df r o mi n s e r t e d a n g l es t e e lt oc o n c r e t ef o u n d a t i o n b e s i d e st h ec o n c r e t es t r e n g t h ，f a c t o r st h a tt e n s i l e f o r c eo na n g l es t e e l m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ef o u n d a t i o n h a v ei n f l u e n c eo nt h ef c ) u n d a t i o nd e s i g n t o o b o n ds t r e s si nt h es t a t eo fb o n d - s l i p s h o u l db ea d o p t e di nt h ef o u n d a t i o nd e s i g n i na d d i t i o n ，t h et e s tr e s u l t sa l s od e m o n s t r a t e t h a tb o n d s l i pr e s p o n s eb e t w e e na n g l es t e e la n dc o n c r e t ef o u n d a t i o ni nt e n s i o nc o u l db e r e f l e c t e dw i t ht h ed i s p l a c e m e n t sb e t w e e na n g l es t e e la n dc o n c r e t e ，b e c a u s eb o n ds t r e s s i s o b v i o u s l yd e c r e a s i n gw i t ht h ec r o s ss e c t i o ns h r i n k i n g ，t h a ti s e f f e c t so fp o i s s o n s r a t i o f o rt h eo b v i o u sy i e l dp o i n to fa n g l es t e e l ，t h ec r i t i c a lf r i c t i o n a lr e s i s t a n c ec o u l d b er e g a r d e da su l t i m a t ep u l l o u tc a p a c i t y t h et e s tr e s u l t so fi n s e r t e df o u n d a t i o nw i t h s h e a rf a s t e n i n ga p p a r a t u ss h o w e dt h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb o n ds t r e s sa n ds h e a r f a s t e n i n ga p p a r a t u si sv e r yg r e a t ，h o w e v e r , t h e y c o u l d n tb es u p e r p o s e di np r i n c i p l e t ot h ee n d t h ef e a t u r e so fl o a d 、l o a d t r a n s f e r r i n g a n dc o n s t r u c to fi n s e r t e d i i 摘要 f o u n d a t i o n sa r e a n a l y z e d a n dt h e n ，t h e f o u rb a s i cm o d e l so ff a i l u r eo fi n s e r t e d f o u n d a t i o na r ee x p r e s s e d ，i nd e t a i l st h i sp a p e rf o c u s e do n t h r e em e t h o d so fc o n eo fe a r t h s o l u t i o n ，l i uw e n b a i s ，c h a r l e s so fi n t e r p r e t a t i o n a i m e da tt h e s em e t h o d so f i g n o r e s t h eb a s es o i ln o r m a lf o r c e ，t h ea n a l y s i sm e t h o do fp u l l o u tb e a r i n gc a p a c i t yo f i n s e r t e d f o u n d a t i o ni sa m e n d e d f i n a l l y , t h ef o u rm e t h o d s r e s u l t sa r ec o m p a r e d k e y w o r d ：i n s e r t e df o u n d a t i o n ；t r a n s m i s s i o nl i n e ；p u l l o u td t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ； l a b o r a t o r ym o d e lt e s t ；a n g l es t e e l ；f a s t e n i n g i i i 彭立才河海大掌硕士掌位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 近三十年来，国内外对承受水平和铅直荷载的输电线路杆塔基础进行了大量 卓有成效的试验研究n 卜【1 8 】【2 2 h 3 2 l 【3 4 】“【4 0 1 【5 8 】i 删【删1 7 5 】【7 8 l 【8 l 】【9 2 】【9 5 1 。在大量原型和模型 试验的基础上，提出了多种基土破坏模式和杆塔基础承载力计算方法，揭示了杆 塔基础承载力的深度效应、尺寸效应、基型影响和渐进性破坏等问题，初步满足 了工程设计的需要。但是，从现有研究成果来看，基础上拔理论繁多，众说不 一，所推荐的预估承载力公式的适用性和可靠程度也比较有限，其主要原因在两 个方面：1 ) 多数研究均只进行杆塔基础受力与位移量测，并局限于仅根据此成 果进行杆塔基础承载力分析，而对决定基础承载力的根本因素基础周边土体 的变形过程与应力分布规律缺乏准确的系统观测与分析；2 ) 虽然已发现杆塔基 础承载力与埋深、基础的尺寸、类型和形状等有关，但缺乏深入的相关机理研究 成果，尚不能充分揭示其原因与规律。从土力学观点来看，基础上拔机理远比其 它土工问题复杂，土的抗拉性能、土体中裂缝开展过程、填土质量以及土的渐进 性破坏等因素，严重影响着基础上拔的性能。而浅层土体中，铅直向阻力小于水 平向阻力，所以杆塔基础周边土体的变形破坏过程更为复杂。 插入式基础【1 3 】【1 4 】【4 3 】【5 8 】 9 5 1 是将铁塔塔腿主材插入到坡度 与其完全一致的主柱里，直到基础底板中，端部采取一定的 锚固措施( 如图1 1 ) 。由于铁塔主材所产生的内力不是作 用在主柱顶上，而是直接传递到基础底板，主柱、底板基本 上处于轴心拉、压受力状态，从而使基础主柱、底板的受力 状况大大改善，基础所受的水平方向作用力和偏心弯矩大大 图卜i 插入式基础示意简图 减小，因此减小了基础尺寸和节约了材料：同时，由于基础水平力的减小，使基 础的抗倾覆和抗滑移稳定性也得到显著提高。插入式基础结构简单，十分有利于 电力工程统筹规划，是一种简单、实用的基础型式。 随着我国西部大开发的进步展开，在特高压输电线路中，格构式钢管塔以 及同杆双回路和同杆多回路铁塔的大量应用，插入式基础在许多领域内也得到了 广泛的应用。目前，我国的送电线路中在强风化地区使用插入式基础虽已取得了 一定的施工和设计经验【4 4 】【5 1 1 5 3 】【6 5 】【6 7 】 7 4 】【7 5 【8 3 】【8 4 】，但是由于各地地质岩性的分布情 况及其风化程度的差异，影响承载力的因素较多，破坏机理尚不明确，特别是 5 0 0 k v 送电使用插入式基础国内尚无先例，为了更好的发挥插入式基础的优势， 完善设计理论，有必要对插入式基础的受力机理和影响承载力的因素进行系统研 1 第一章爿 论 究，以便为今后工程设计提供理论依据。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 抗拔基础广泛应用于输电线路杆塔、电视通讯塔、高耸构筑物以及各种承受 各种上拔荷载作用的构筑物基础【6 】【1 3 】口3 】【3 5 m 1 7 9 l 【8 3 】【9 2 1 。主要基础型式有抗拔桩基 础、抗拔扩展基础、抗拔锚板基础以及抗拔条形基础等。承载力研究一直是抗拔 基础的研究重点，因为他直接关系到基础的设计。国外对杆塔基础的研究应用已有 几十年的历史。早期的经验设计公式主要是通过大范围的输电线路杆塔基础的现 场试验得出( 例如a d a m sa n dh a y e s 1 1 ( 1 9 6 7 ) ；g i f f e l s 等p s i ( 1 9 6 0 ) ； i r e l a n d 2 0 ( 1 9 6 3 ) ) ，目前，多数设计方法都是以单位重力作用下的小比例模型试 验的破坏面和极限平衡原理的应用为基础，根据所采用的破坏机理不同，可以分 为以下几类： 图1 3m o p s m e t h o d 模霉| a r u t h ia n dm u t b u k r a i s h 4 1 】( 1 9 9 9 ) ) 等研究 人员已经在室内做过许多在单位重力作用下 半模和全模试验，提出了许多改进。 m 8 。o o n a l d ( 1 9 6 3 ) 对浅基础提出了新的改进，对于浅基础，假设9 = ( 0 为基础上拔角，妒为内摩擦角) ；对于深基础，假定圆形破坏面直径：1 7 5 d 。 2 鱼；立才河海大学司e 士掌位论文 c l e m e n c ea n dv e e s a e r t ( 1 9 7 7 ) 近似认为这个假定的破坏面为截头圆锥体， 口a 庐，从基础底部扩展上去。抗拔承载力等于截头圆锥体土重与沿破坏面的抗 剪强度之和，对于h d 5 的基础，破坏面在底板上扩展2 d 3 d 的范围内。 s u t h e r l a n d ( 1 9 6 5 ) 也发现破坏模式随着砂的密度不同而不一样，同时得出结 论：b a l l a 的分析方法只有对松散至中密的砂土才是准确的。s u t h e r l a n d 等 ( 1 9 8 8 ) 通过考虑平面破裂面方程，提出对于浅基础和深基础都适用的简化理论， 这里的0 是相对密度d r 和巾的函数。 s a r a n 等( 1 9 8 6 ) 也假设了一个截头圆锥体破坏面，并且从浅基础的应力一应 变双曲线中分析了荷载一变形的特点。 m i t s c ha n dc l e m e n c ef 1 9 8 5 ) 做了3 个螺旋锚杆的室内试验和现场试验研究， 表明圆形破坏面已应用在螺旋锚杆基础上，他认为这个破坏面主要取决于埋深 h 、安装方法和土的相对密度d r 。 b o b b i t ta n dc l e m e n c e 6 1 ( 1 9 8 7 ) 也认为，对于螺旋锚杆基础，考虑其破坏面为 截头圆锥体形破坏面较合理，0 = 巾。 m u r r a ya n dg e d d e s 【蚓( 1 9 8 7 ) 通过极限平衡分析后，认为破坏面是一个弧形的 破坏面，但是采用o = _ 来推导平面破裂面的最终等式。 g h a l y ”】等( 1 9 9 1 ) 把螺旋锚杆基础上拔破坏机理划分为浅埋式、过渡式和深 埋式。他们研究发现0 值随着h d 的变化而变化，对于浅埋式锚杆基础， 一s 华，与h d 无关；对在松散至中密的砂土浅埋式锚杆基础研究表明， 一单，并且在h d 4 时，0 值几乎与密度无关；对于深埋式锚杆基础，0 值 比报告中的要大的多。 3 、b a l l a ( 1 9 6 1 ) 破坏面( 如图卜4 ) b a l l a 5 1 ( 1 9 6 1 ) 在对蘑菇形基础做的半模型试验的基础上，提出一个在基础表面垂 图i 4b a l l a 破坏面樽犁 直，曲线与地表面近似呈s 。一导的破裂面， b a l l a 对这个破裂面进行简化，假定此破裂 面是一以为l _ 半径的圆弧 面，h 为锚板厚度， 抗拔极限承载力计算采k o t t e r 等式。b a k e ra n dk o n d n e r ( 1 9 6 6 ) 在h d 7 0 0 ( 0 2 ) 3 9 41 3 9 2 8 ( 0 3 ) 3 9 3 93 4 5 0 i i i ( 0 4 ) 3 8 3 43 9 4 63 9 6 6 ( 0 5 ) 4 0 6 73 9 6 5 ( 0 ，6 ) 3 8 4 23 9 3 2 3 2 3 分析比较 3 2 3 1 插入角钢的种类对抗拔极限承载力的影响 不同试件的抗拔极限承载力的试验结果如表3 一l 所示，表中第1 列数据表明 在埋入长度相同的o 7 m 无锚固件试件中，混凝土标号相同、配筋率相同的条件 下，因埋入角钢从普通a 3 钢l 1 0 0 x 8 变为1 6 m n 钢的l 1 2 5 x 1 0 ，则抗拔极限承载力 由2 1 2 2 k n 提高到7 3 6 5 k n 。这是由于a 3 钢的抗拉屈服强度较1 6 m n 钢的低，当 a 。钢发生屈服后，本身截面发生径缩，粘结力将迅速下降，达到破坏，而1 6 m n 钢由于其抗拉屈服强度近似是a 3 钢的1 5 倍，截面发生径缩所需的荷载要大， 而且因是l 1 2 5 x 1 0 ，角钢表面面积大，与混凝土间的接触面积大，粘结力会有所 提高，所以抗拔极限承载力提高了近2 5 倍。 图3 1 是埋深0 7 m 不同角钢的荷载一相对位移曲线图。每个试件的极限承 载力基本上是以自身的荷载一相对位移曲线进行判断的，当荷载不再增加，或增 加很小时，相对位移却不断加大，曲线出现拐点，则认为该处是荷载极限承载 力。图3 一l 明显地表示出i 类试件( 普通a 3 钢l 1 0 0 x 8 ) 在3 0 0 k n 以下发生屈服， 达到了极限承载力，曲线发生拐点，而i i 类试件( 1 6 m n 钢l 1 2 5 x 1 0 ) ，在7 0 0 k n 以上才出现上述现象。 图3 2 是埋深1 0m 不同角钢的荷载一相对位移曲线图。从此图上可明显看 出i 类试件在4 0 0 k n 时发生屈服，达n t 极限承载力，曲线发生拐点，而i i 类 试件在荷载达到7 0 0 k n 仍未发生屈服。在i 类试件发生屈服前，两类试件曲线几 乎重叠在一起，这说明角钢在发生屈服前，属于弹性范围，在该范围内角钢与混 凝土间的抗拔力与角钢的种类无关。但一旦i 类试件角钢发生屈服，角钢与混凝 土间的粘结力很快减小，角钢拔出混凝土的相对位移随荷载变化明显加快，曲线 变陡。同时未发生屈服的类试件试验曲线仍是弹性范围的直线。 1 9 j 噶章试验结果分析 0 5 聪 薯；： 霉3 5 3 0 4 0 图3 2 荷载一相对位移曲线图( 不同角钢1 0 w ) 从以上试验结果可认为，1 6 m n 钢的插入式基础比a 。钢的插入式基础抗拔极 限承载力可提高2 5 倍。 3 2 3 2 角钢埋深对抗拔极限承载力的影响 表3 - 1 中第1 行的前3 列均是i 类( 同种插入角钢、同种柱子截面、同标号 混凝土、同样的配筋率) 无锚固试件，只是角钢的埋深不同，分别为o 7 m 、 1 0 m 、1 2 m ，它们的极限承载力随埋深的增加而增加，分别是2 1 2 2 k n 、 4 0 3 ，2 k n 、4 5 8 9 k n ，说明插入式基础的抗拔力与插入角钢的埋深近似成线性关 系，随埋深的加大而增加。从增加的趋势来看，由0 7 m 增加到1 0 m ，抗拔力的 增加很快，但由1 0 m 增加到1 2 m ，抗拔力的增加比较缓慢，这说明角钢的埋深 达到一定量后，对抗拔力的提高增加不大，所以在设计中应选择一个最佳的方 案。 直；立才河海大掌司e 士掌位论文 图3 3 是i 类试件不同埋深的荷载一相对位移曲线比较图。从图中3 条曲线 的不同拐点可清楚地分析出：埋深越大，插入角钢的极限承载力越大；并且随着 埋深的加大，曲线的差别将减小。图3 4 是i i 类试件不同埋深的荷载一相对位 移曲线比较图。因这类试件在埋深1 o m 以上的没做到极限承载力，所以看不出 曲线的拐点比较，但3 条曲线的曲率不同，由此可分析出对于埋深小的插入基 础，相对位移随荷载的变化较大，埋深越大，相对位移随荷载的变化较缓慢，曲 率越小：同时也看出，随埋深的增加这种变化趋势相接近，曲线差别减小。同样 说明，在一定的外荷载作用下，当埋深达到一定程度后，基础抗拔力的提高不 大。 3 2 - 3 3 锚固件对抗拔极限承载力的影响 对于i 类试件，由于在有锚固件的混凝土柱子中，锚固件上埋有压力传感 2 l 第三章试验结果分析 器，在一定程度上影响了混凝土的振捣，所以混凝土与插入角钢间的握裹性差， 使试件的抗拔极限承载力略有下降( 见表3 - i 中的第1 行) 。但这并不能说明锚固 件没有作用，在进一步的拉力作用下，使角钢拔出、试件完全破坏时所需的荷载 值不一样，这将在后面提到。图3 5 是i 类试件埋深均1 2 m 的无锚固和所有锚 固形式的荷载一相对位移曲线比较图。图中的5 条曲线比较近似，它们的屈服拐 点也比较接近，说明在弹性范围内锚固件尚未起到作用，只有当摩擦传到插入角 钢的一定深度后，锚固件才起到防止角钢从混凝土中拔出的作用。 图3 6 是i i 类试件埋深均1 4 m 的无锚固和所有锚固形式的荷载一相对位移 曲线比较图。5 条曲线在4 0 0 k n 以内相互交错，很接近。从4 0 0 k n 以后，无锚固 试件的位移量相对增加的略快于有锚固试件，说明在荷载达到定程度后，锚固 件逐渐起到抑制角钢向外拉出的作用。有锚固的其它4 条曲线在4 0 0 k n 以后仍是 很接近，说明锚固形式间的差异在荷载达到最终破坏前差别不大，尤其是在达到 极限承载力前，锚固件尚未充分起到作用。 对于i i i 类试件，无锚固件与有锚固件的试件，其抗拔极限承载力变化不 竺兰! 翌兰查兰竺主竺苎塑 大，基本上只提高1 0 k n ( g k3 8 3 k n 到3 9 3 k n ) 。 3 2 3 4 混凝土强度对抗拔极限承载力的影响 表3 1 中埋深相同的1 - 2 m 无锚固试件( 第3 列) ，从第1 类到第1 i i 类，它 们是同等混凝土截面，插入角钢也相同，只是混凝士的强度( 标号由c 2 5 降到c 1 5 ) 不同及配筋率略有不同，则其抗拔极限承载力也随之降低，从4 5 8 k n 降低到 3 8 3 k n ，下降了1 6 。说明混凝土强度越低，与插入角钢间的握裹力越差。 图3 7 是这两类曲线的比较图。从图中可清楚地看出两条曲线的拐点差别， 而且在同一荷载作用下，i i i 类试件的相对位移较i 类试件的大( 曲线的曲率 大) ，这充分说明了c 1 5 比c 2 5 的抗拔力要低。 图3 7 荷载一相对位移曲线图( 不同砼强度) 3 2 3 5 混凝土配筋率对抗拔极限承载力的影响 对于i i i 类试件，埋入角钢种类相同，埋入深度亦相同，混凝土强度一致， 柱子截面面积相同，只有配筋率从0 2 增加到0 6 ，由表3 1 可以看出，无锚 固件时，抗拔极限承载力为3 8 3 4 4 0 6 7 k n ：单角钢锚固时，其抗拔极限承载力 为3 9 3 9 3 9 4 6 k n ：双层角钢锚固时，其抗拔极限承载力为3 4 5 o 3 9 6 6 k n 。但 无论是有无锚固件，或是锚固件的形式不同，其抗拔极限承载力变化都不大，基 本上是在3 9 3 k n 左右，说明混凝土的配筋率对埋入角钢的抗拔力影响不大。但配 筋率对柱子本身的抗拉强度有着直接的影响，在进行最终破坏试验中，配筋率低 的柱子在角钢四周很快出现裂缝，对有锚固件的试件来说，在锚固件的位置，混 凝土外四周出现混凝土膨胀，沿柱子长度方向有近乎通长的纵向裂缝，说明尽管 配筋率对埋入角钢的极限抗拔力影响不大，但当混凝土配筋率过小时( 小于 0 5 ) ，混凝土柱将会出现工程中不允许的裂缝。 0；m坫加8弘帖 一目v馋剞蓠罂 第三：章试验结果分析 照片3 1 i i i 类试件混凝土破坏形式 3 3 插入角钢拔出的最终破坏荷载 选择了典型的几种试件进行了拔出角钢的最终破坏试验，其荷载值及角钢被 拔出混凝土的相对位移值列入表3 2 中。 表3 - 2角钢拔出的最终破坏荷载值 角钢埋深( m ) 07l - 0l _ 2 无锚周无锚胤无锚同 单层角钢双层角钢 破坏荷载值4 4 7 ( k n )6 4 0 ( k n )6 4 2 ( k n ) 类试件角钢拔出量1 4 3 ( 吼)1 5 7 ( m m )4 0 ( m m ) i i破坏荷载值7 3 8 ( k n ) 类试件角钢拔出量1 5 ( m m ) i i i 破土 ：荷载值 4 1 0 ( k n )4 5 7 ( k n )5 7 1 ( k n ) 类试件角钢拔量7 4 ( m i l l ) 9 4 ( m ) 1 8 3 ( ) 3 3 1 插入角钢的种类对最终破坏荷载值的影响 表3 2 中第1 列是角钢埋深相同( 0 7 m ) 但插入角钢从普通a 3 钢l l o o x 8 变为 1 6 m n 钢的l 1 2 5 x 1 0 ，则最终破坏荷载值由4 4 7 k n 提高到7 3 8 k n ，提高了1 6 倍， 接近1 6 m n 钢与普通a 3 钢的屈服强度的比( a 3 钢的屈服强度为2 1 6 2 3 5 k n ，1 6 m n 钢的屈服强度为2 7 4 3 4 3 k n ) 。这说明插入角钢的种类直接影响着 插入基础的抗拔力，插入角钢一旦屈服，角钢与混凝土间的摩擦迅速减小，基础 很快达到极限荷载，并向最终破坏发展。照片3 2 是普通a 3 钢的角钢被拔出后 的照片。 直；立才河 句j 大学硕士掌位论文 照片3 2 普通a 3 钢的角钢被拔出后的情况 照片3 - 31 6 m n 角钢被拔出后的情况 i i 类试件在角钢拔出后的位移量很小，在拔出后角钢仍是弹性变化，所以卸 荷后的残余变形很小。照片3 - 3 是1 6 m n 角钢被拔出后的照片。从两张拔出的照 片上可直观地比较出普通a 。钢的角钢拔出量明显比1 6 m n 钢的角钢拔出量大。 3 3 2 角钢埋深对最终破坏荷载值的影晌 表3 2 中第1 行是i 类试件随埋深增加最终破坏荷载值的变化情况。从数值 的变化来看，由埋深0 7 m 加深到1 _ 0 m ，最终破坏荷载值明显增加( 由4 4 7 k n 提高 到6 4 0 k n ) ，但继续加深到1 2 m ，最终破坏荷载值却几乎不再增加，说明插入角 钢的埋深对插入基础的抗拔力是有影响的，但其影响并不是无限的，当埋深增加 到一定程度后，抗拔力不会再有明显的提高。 3 3 3 锚固件对最终破坏荷载值的影晌 对i 类试件，曾试图对锚固试件进行拔出试验，但直至角钢被拉断，角钢也 没有彻底拔出，说明锚固件在荷载增加到极限后的作用很大。 在i i i 类试件中，进行了角钢锚固件的试验，在这类试件中由于没有压力传 感器的埋设，锚固件的作用发挥的比较好。无锚固件的最终破坏荷载是4 1 0 k n ， 单层锚固件的最终破坏荷载是4 5 7 k n ，双层锚固件的最终破坏荷载是5 7 1 k h 。被 2 5 一 兰三! 兰竺竺苎竺兰! 拔角钢由于锚固件的锚固作用，角钢在不断的被拉伸，但却延缓了彻底的拔出， 所以角钢被拔出的残余位移量随锚固件的作用而逐步加大，试验结束后，把混凝 土柱子砸开，看到锚固角钢已被挤压弯曲成几乎一个平面( 见照片3 - 4 ) ，说明锚 固件在破坏试验中起到了很大的作用。 照片3 - 4 角钢锚固件破坏后的情况 3 3 4 混凝土强度对最终破坏荷载值的影响 对于同种截面面积、同种插入角钢，但混凝土强度及配筋率不同的i 类和 i i l 类试件，在同一埋深的情况下，最终破坏荷载随混凝土强度的降低( 由c 2 5 降 到c 1 5 ) 及配筋率的降低( 由0 8 降到0 5 ) 丽明显下降，从6 4 0 k n 降到4 1 0 k n ，角 钢拔出量由4 0 m m 增加到7 4 r a m ，说明了混凝土强度对插入基础最终破坏荷载的影 响较大。 3 4 插入式角钢应力沿埋深的分布 插入角钢的应力是通过该点所测的应变计算得出。为了分析应力的传递，把 应力沿角钢埋深绘在图中，得到应力沿角钢埋深的分布。 在较小的同一荷载作用下，应力沿角钢的深度逐渐减小，后1 2 个应变片 的读数为0 ，或极小，没有应力作用，也就是说角钢与混凝土间的粘结力主要是 由前端部分承受。随着荷载的逐渐加大，同一深度的应力也在加大，粘结力也逐 渐向深处传递，由更多的角钢与混凝土间的摩擦来承担对外力的平衡，此时，有 的试件在这中间将要屈服破坏，达到极限承载力：当荷载达到一定的程度后，前 部分的应变片开始破坏，角钢与混凝土间的粘着摩阻已转变为滑动摩擦，角钢与 混凝土间的相对位移明显加大；随着荷载的继续增加，连续几个应变片发生破 坏，前部的握裹效应已消失，摩擦主要是由角钢深处的部位承担，因而角钢深部 的应力继续增大。 直；立才河海大掌硕士学位论文 圈3 8 ( c ) 角铜埋琛一应力变化曲线( 1 12 卜1 ) 2 7 一 兰兰! 苎竺竺墨竺竺 图3 8 ( a ) 图3 8 ( d ) 是几个不同角钢插入深度试件的应力沿角钢埋深的分 布曲线。图中线是在此荷载作用下，试件开始发生屈服，达到极限承载力， 线以上是在达到极限承载力之前，这时没有应变片坏的现象，均是斜线，线表 示在试件发生屈服后，各应变片尚无破坏现象出现，仍是斜线，线以下表示上 部有应变片发生破坏，角钢与混凝土之问在这段已经不存在摩擦作用，荷载直接 向下传递，在图中用直线段表示，直至下一个应变片指示出的应力值。 3 4 1 插入角钢的种类对应力分布的影响 图3 9 是在相同的角钢埋深0 7 m 下，i 类试件与i i 类试件的应力分布比较 图。为了比较方便，图中均取同一荷载( 3 4 6 k n ) 下的应力曲线。从2 条曲线上可 以了解到，2 种插入角钢的应力分布曲线趋势是一致的，i 类试件的曲线略低于 i i 类试件的曲线，说明在同一荷载作用下，i 类试件由于角钢的强度低于i i 类 试件角钢的强度，所以在同一深度下应力值偏大。 图3 一1 0 是在相同的角钢埋深1 0 m 下，i 类试件与i i 类试件的应力分布比较 图。图中2 条曲线的规律与图3 3 2 基本一样，但此时( 荷载：4 9 2 k n ) 两者的差 别加大了，说明随荷载的增加，角钢的强度作用越大。从图上可看出，此时i 类 试件已有1 个应变片( 埋深2 0 0 m m 处) 破坏，在插入角钢前部分已没有粘结力 存在了，但这时最深处一个应变片( 埋深8 0 0 m m 处) 读数很小，即粘结力几乎 还没有传递到该处；而i i 类试件的第1 个应变片没有坏，而且该处的应力虽不 如第1 类试件大，但这时最深处的应变已经有所反应，即已有应力的传递了，应 力比i 类试件要大。这点说明了1 6 m n 钢的插入角钢在荷载传递上比普通a 3 钢要均匀，普通a 3 钢在较大荷载作用下，钢材自身发生屈服，进入塑性范围的 变化，而1 6 m n 钢的插入角钢此时仍在弹性范围内受力，荷载传递均匀。 彭立才河海大掌硕士掌位论文 应力值( k n ) 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 图3 9 角钢埋深一应力变化曲线( 不同角钢0 7 w ) 图3 1 0 角钢埋深一应力变化曲线( 不同角铜1 o w ) 3 4 2 角钢埋深对应力分布的影响 图3 1 l 是i 类无锚固试件在角钢埋深不同的情况下应力分布曲线比较图。 图( a ) 是在荷载为3 4 6 k n 左右，插入角钢深度分别为0 7 m 、1 0 m 、1 2 m 三种试件 的应力分布曲线，3 条曲线中0 7 m 的曲线在最下面，说明在同荷载作用下，埋深 小的试件其应力大，埋深大的应力小，这一规律在角钢埋深的前部分最明显。图 ( b ) 是在荷载为4 9 2 k n ，插入角钢深度分别为1 0 m 、1 2 m 两种试件的应力分布曲 线( 这时插入角钢深度为o 7 m 的试件已经完全破坏) ，此时埋深1 0 m 的试件已在 前部分的第1 个应变片发生了破坏，各处的应力也明显比1 2 m 的应力大。 o m瑚蚕|伽|咖瑚 _ 、逸墼l 鱼；立才河海大掌司e 士掌位论文 图3 一1 2 是i i 类无锚固试件在角钢埋深不同的情况下应力分布曲线比较图。 图( a ) 是在荷载为3 4 6 k n 左右，插入角钢深度分别为o 7 m 、1 0 m 、1 4 m 三种试件 的应力分布曲线，其规律与i 类试件大致相同即埋深小的曲线在最下面，埋深大 的在最上面。图( b ) 是在荷载为7 3 7 k n ，此时埋深0 7 m 的试件，在前部分的第1 个应变片已发生了破坏。 以上两个图反应出插入角钢埋深越深，应力随荷载的变化越缓慢；角钢应力 值越小。 3 4 3 锚固件对应力分布的影响 图3 1 3 是i 类试件无锚固件与各种锚固件形式间应力分布图的比较。从图 上看，各个曲线比较接近，只有在插入角钢的深部略有不同，螺栓锚的应力值偏 大，中间是无锚固件，角钢锚应力值最小。分析认为螺栓锚与插入角钢的连接强 度弱( 焊缝长度短) ，很可能在较大荷载作用下已被剪断，这时它所承担的抗拔力 几乎为0 ，荷载很快传递给了角钢深部的粘结力，而角钢锚固件的连接相对较 牢，在较大荷载作用下，锚固件起到了一定的承压力，减轻了粘结力的传递。 图3 - 1 4 是i i 类试件无锚固件与各种锚固件形式间应力分布图的比较。从图 上看，各个曲线非常接近，说明这类试件在该荷载作用下，锚固件的作用尚未充 分发挥出来，角钢前部的摩擦阻力已足够抗衡外拉力。 通过上述分析，认为锚固件只有在较大荷载作用下才能充分发挥其作用；对 于插入角钢强度低的试件，其锚固件作用比强度高的作用发挥的好一些；角钢锚 比螺栓锚因连接方式好，因而可更好地起到锚固作用。 3 l 圈3 1 3 角钢埋深一应力变化曲线( i 类不同锚固) 3 4 4 混凝土强度对应力分布的影响 图3 一1 5 是i 类无锚固试件与i l l 类无锚固试件的应力分布比较图，其中i 类试件混凝土标号是c 2 5 ，配筋率是0 8 ，i i i 类试件混凝土标号是c 1 5 ，配筋 率是0 6 ，认为可以近似忽略配筋率的差异，只考虑混凝土强度的不同。 图中显示出在同一荷载作用下，在i i i 类试件中产生的应力明显比i 类试件 大，说明混凝土强度对插入角钢的抗拔力有较大的影响。 3 2 o 咖 伽 啪 啪 咖 枷 嘉鋈 3 3 嘉鋈 3 3 粘结力除以受摩擦的面积即是粘结应力。但粘结力在插入式基础中不是一个 常量，因而粘结应力也不是一个定数。图3 1 7 是一个典型的粘结应力与角钢和 混凝土间相对位移间的关系曲线。该图是i 类试件，角钢插入深度为1 2 m ，无锚 固，荷载加到角钢几乎拔出的程度，这样能充分反应出粘结应力与角钢和混凝土 间相对位移的关系。图中5 条的曲线，分别代表不同深度处的粘结应力， 其中指埋深为o - 2 0 0 m m ，指埋深为2 0 0 4 0 0 r a m ，指埋深为4 0 0 - 6 0 0 m m ，指 埋深为6 0 0 8 0 0 m m ，指埋深为8 0 0 1 0 0 0 m m 。从图中可看到，5 条曲线均随相对 位移的变化而变化，并且它们问的相互规律不同。最开始，埋深浅( 0 2 0 0 m m ) 的 线最高，说明其粘结应力最大，其次分别是埋深2 0 0 - 4 0 0 m m 的线、4 0 0 - 6 0 0 m m 的线，而埋深在6 0 0 8 0 0 m m 的线和8 0 0 1 0 0 0 m m 的线均几乎是0 ， 说明在外拉力较小、相对位移不大时，摩擦主要是由角钢前部分承受，摩擦尚未 传到角钢深处；随着荷载的增加，角钢与混凝土间的相对位移加大，埋深浅的粘 结应力逐渐减小，渐渐地由线和线所代替，而此时埋深深的线和线也开 始上升，说明随着荷载的增加，摩擦开始向角钢深处传递，前端的粘结力渐渐减 小，后端的粘结力渐渐加大；当荷载继续加大时，角钢前端的摩擦彻底消失， 线趋近于0 ，线也渐渐地下降，中部的线占主导地位，但后部分的线迅速 上升，直至最后出现埋深2 0 0 4 0 0 m m 的线、4 0 0 6 0 0 m m 的线也趋近于o ，埋 深在6 0 0 8 0 0 m m 的线占主导，最深处的线在最后破坏前也没有像其它曲线那 样上升到较高，说明粘结力没有全部传递到角钢最深处，就将发生角钢拔出的破 坏。 通过以上的分析，认为角钢与混凝土间的粘结力是在不同深度随角钢与混凝 土间的相对位移( 外荷载) 变化的，但在设计中只能取一个常量进行设计，因 此，应以平均粘结应力为准。我们把每种试