露头高度对掏挖基础抗倾覆稳定性影响分析.docx

文章编号：（）露头高度对掏挖基础抗倾覆稳定性影响分析丁士君，程永锋，鲁先龙（中国电力科学研究院工程力学研究所，北京）摘要：在山地场地和为提高导线悬挂高度条件下，高露头基础与常规基础比较，更容易发生倾覆失稳。 建 立 了掏挖基础抗倾覆稳定平衡方程，根据不同露头高度基础在倾覆弯矩和水平荷载作用工况下的载荷试验结果，分 析了掏挖基础承载特性和倾覆转动中心位置的变化规律并将试验结果分析和理论研究相结合，研 究 了 不 同 露 头高度和埋置深度对掏挖基础抗倾覆稳定性和基础水 平承载力的影响，表明露头越高掏挖基础抗倾覆能力 越低关键词：输电线路；露头高度；抗倾覆稳定性；水平承载力中图分类号：文献标志码：， ， （ ，）：， ， ， ， ：；随着我国经济社会和电网建设的发展，线路走廊条件越来越复杂在山区，需根据地形、地质、自 然环境等条件，采用新的斜坡地形杆塔基础工程技 术方案，适时选择采用高露头基础；在华东、华南等 地区，土地资源更显珍贵，要求线路走廊更窄，档距 更大，跨越高度更高，需利用高露头基础作为提高 导线悬挂高 度 的 措 施 之 一，以 提高土地的使 用 效 率在一般杆塔基础设计中，抗拔稳定性是控制 条件，而对于高露头基础无论上拔工况还是下压工况，抗倾覆稳定性是其设计控制条件之 一本 文采用理论分析与试验研究相结合，分析露头高度对 掏挖基础抗倾覆稳定性的影响分析模型和平衡关系的建立原状土掏挖基础抵抗倾覆弯矩作用一般情况 下主要依靠 部分，其分析模型见图以基础立柱与扩大端交汇面为分析平面，建立平衡关系如下：作者简介：丁士君，男，工程师，从事电力土建结构的研究，： 式中： 为地 基 系 数， ； 和 分 别 为 基 础立柱和扩大端圆柱横截面直径， 和 为相应计算直径，当 实 际 直 径 时， （），否则 （）， 亦 按 此原则取值； 为 计 算 状 态 倾 覆 转 动 角，； 为 扩 大端最大竖向压力值与最小竖向压力值之差，是基 础底部和抗拔压力的综合取值，图掏挖基础倾覆极限状态分析示意图（） 式中： 为 基 础 立 柱 地 表 处 横 截 面 作 用 弯 矩，； 为基 础 立 柱 地 表 处 横 截 面 水 平 作 用 荷 载，； 为 立 柱 水 平 抗 力 产 生 的 抵 抗 弯 矩， ； 为扩底端侧壁水平抗力产生的抵抗弯 矩，； 为扩底端竖向不均匀压力作用产生 的抵抗弯矩，； 为掏挖基础立柱段埋深，根据大量的 试 验，掏挖基础在倾覆弯 矩 作 用下，其倾 覆 转 动 中 心 位 于 锥 形 扩 大 端 埋 深 范 围 内，埋深取为 ，其中，基础立柱侧壁 土抗力 按 法 计 算，当 基 础 转 动 角 度 为 时， 则：掏挖基础倾覆稳定性试验试验概况为分析不同露头高度对掏挖基础倾覆稳定的影响，进行 个原状土掏挖扩底基础单向水平载荷试验，如图 所示基础露头和埋深不同，立柱 和扩底直径均 相 同，基 础 编 号 与 设 计 尺 寸 见 表 试验场地地基土为粉质粘土（ ） 基础扩底圆柱侧壁土抗力按线性计算，则（ ） （ ）（ ）图试验基础外形示意图表试验基础与加载基本信息列表水平荷载距地表高度露深比立柱直径扩底直径扩底圆柱高度基础埋深基础编号掏挖扩底基础 试验结果从图破坏特征看，水平力背向一侧基础相对地基土有明显的上抬现象，也就是说基础扩大端水平力 背侧上翘，局部基础对地基土作用力方向竖直向上， 一方面说明掏挖基础稳定性分析中应允许基底与地 基脱开，但不应超过扩大端上部土体局部抗拔压力限 值；另一方面表明扩大端竖向平均竖向压力值 取决 于地基土对扩大端竖向抗力的综合效应基础破坏形态在试验中水平荷载作用时，基础极限状态按水平极限位移或荷载无法维持且位移不断增大的原 则确定，加载破坏情况如图 所示从基础加载破 坏特征看，在水平荷载作用下地表附近水平力同侧 地基土体被压缩，水平力背向基础与地基土分离， 在水平力作用一侧有放射状裂纹，是基础对地基土 挤压形成载荷试验荷载与位移关系曲线试验 荷 载 位 移 曲 线 关 系 见 图，依 据 不 同 承图试验加载破坏表征图试验基础水平荷载与位移关系曲线图 各基础 向倾覆转动中心位置的变化锥形埋深范围内载力取值原则，基础承载力如表 所示表不同判定标准时试验基础承载力极限承载力对应极限位移试验结果与理论计算对比分析基础编号承载力取值依据， 计算 值当按表 中极限位移取不大于 时对应 转动角度，按式（）计 算 值 如 表 所 示，另 根 据 基底抵抗弯矩情况计算不同基础平均抗压承载力， 见表平均压力 值 与 基 础 埋 深、地基物理力学性 质等参数密切相关另外，大量的研究表明： 取值 与极限位移、地基土类型等因素有关，表 中 值 仅适用于 基 础 地 表 处 水 平 位 移 不 大 于 的 状态水平极限位移取 最大加载量 水平极限位移取 最大加载量水平极限位移取 最大加载量 水平极限位移取 最大加载量注：表中加载工况为单向水平加载从表 分析，基础水平承载力取值大小受基础 露头高度、埋深、极限状态确定原则等因素影响 向倾覆转动中心位置根据不同高度的测点位移计算 向转动中心 位置，得到试验加载过程中转动中心埋深随水平荷 载的变化关系如图 所示从图 可以看出，在初始阶段由于上部土体抗 力即可抵抗倾覆弯矩作用，转动中心埋深较浅，随着荷载的增大，转动中心随之下移，在接近破坏时，转动中心位置变化较小，此时转动中心位于扩大端露头高度对倾覆稳定的影响由式（）变换得到单向水平荷载作用下，当水平荷载作用点距离基础地表处断面中心距离为时，基础的水平承载力为 （） 以试验基础为例，基础尺寸为： ， ， ， ， ；地基参 数 ： ，；地 表 处 基 础计算地基参数倾覆旋转角度（）扩大端计算直径水平承载力基础编号立柱计算直径立柱埋深平均压力地基系数（ ） 水平极限位移取 ，因此，计算得到基础水平承载力随露头高度的变化关系如图 所示当露头高度提高时，增加基础埋深是提高基础承载力的有效途径之一，同样参照试验基础，扩大 端和立柱直 径 等 尺 寸 不 变，露 头 高 度 从 按 递增，埋深从 按 递增，地表处 基础水平极限位移取为 ，由于埋深的增加， 基础底部竖 向 抗 力 也 随 之 增 大，该 值 参 照 表 取值，得到基础水平承载力随露头高度和埋深与露头高度比值的变化关系分别如图 所示从图 可知，当露头高度和基础埋置深度同时 增加时，基础水平承载力并不一定增大甚至减小， 这与露头高度和基础埋置深度增大的趋势密切相 关，同样，基础深露比增大基础水平承载力也并不 一定增大甚至可能会减小图基础水平承载力随露头高度的变化关系图水平承载力随露头高度和深露比的变化关系图下，当以 为 水 平 极 限 位 移 取 值 时，其 值为 ）理论和试验分析均表明当掏挖基础露头提 高时，提高埋置深度是增加基础抗倾覆能力的有效 途径之一，但由于增大趋势的影响，水平承载力并 不一定随露头高度和深露比的增加而增加参考文献：结论）掏挖基础主要通过基础侧壁水平抗力和扩 大端与地基原状土间竖向不均匀压力来抵抗倾覆 弯矩作用，由于抗拔稳定性是掏挖基础主要稳定分 析状态之一，因此，掏挖基础宜允许基底与地基脱 开，但应不超过地基土局部抗拔受压承载能力）试 验表 明掏挖基 础水平 承载力受基础埋 深、露头高度等因素影响，及掏挖基础在受倾覆弯矩作用承载 过 程 中，其 竖 向 倾 覆 转 动 中 心 不 断 变 化，在接近极限状态时变化趋势减小）通过理论计算与试验分析，试验场地条件鲁先龙，程永锋我国输电线路基础工程现状与展望 电力建设，（）：李培栋，史雪飞，金莺环，等提高导线悬挂高度前后 费用对比分析黑龙江科技信息，：张子富，杨靖波提高导线悬挂高度的杆塔结构优化 架 空 送 电 线 路基础设计技术规定 北京：中国电力出版社，试验研究电网与清洁能源，：孙训方，方孝淑，关 来 泰材 料 力 学北 京：高 等 教育出版社，国家电网公司国家电网公司环境保护管理办法 （试行），丁士君，鲁先龙，滕军林