输电线路装配式基础下压计算时底面积取值研究

第37卷增刊1岩土力学Vol.37Supp.12016年6月RockandSoilMechanicsJun.2016收稿日期：2015-11-19基金项目：国家电网公司科技项目（No.GCB17201500141）。ThisworkwassupportedbythescientificandtechnologicalprojectinStateGridCorporationofChina(GCB17201500141).第一作者简介：程永锋，男，1969年生，博士，教授级高级工程师，主要从事输变电工程地基基础及电网防灾减灾技术的研究工作。E-mail：[e-mail]通讯作者：郑卫锋，男，1977年生，博士，高级工程师，主要从事电力工程地基基础研究工作。E-mail：[e-mail]：10.16285/j.rsm.2016.S1.062输电线路装配式基础下压计算时底面积取值研究程永锋，郑卫锋，鲁先龙，孟宪政（中国电力科学研究院，北京100192）摘要：输电线路混凝土板条与角钢支架组合的装配式基础已在工程中得到应用，由于底板板条间存在空隙，基础在下压计算时底板面积取值尚不明确。通过地基土极限承载力理论分析，相邻板条间存在土拱效应，可将整个底板下的浅层土体近似等效为刚性体共同抵抗下压荷载。不同板条间距的现场试验表明，板条间距变化对荷载位移曲线基本无影响，板条下与空隙处的土压力差值在3倍底板宽度埋深时差距较小，在5倍底板宽度埋深时差别可忽略，且由于应力扩散作用板条间距变化对深层土压力无影响。根据理论研究与现场试验成果，建议装配式基础在下压计算时底板计算原则应按照底板板条包围的整体面积进行计算。关键词：输电线路；装配式基础；混凝土板条；下压承载计算；现场试验中图分类号：TU528文献识别码：A文章编号：1000－7598(2016)增1－0477－05ResearchoncriteriatodefinebottomareaofassembledfoundationoftransmissionlineincalculationofcompressiveloadCHENGYong-feng,ZHENGWei-feng,LUXian-long,MENGXian-zheng(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China)Abstract:Theassembledfoundationfortransmissionline,whichiscomposedofconcretelathsandanglesteelscaffolds,hasbeenappliedtopractice.Duetothegapoflaths,thebottomareaofthefoundationisnotclearlydefinedwhencalculatingthecompressiveload.Theoreticalresearchontheultimatebearingcapacityoffoundationindicatesthatsoilarchingeffectexistsbetweentheadjacentslabs.Theshallowsoilundertheslabofassembledfoundationcanbeapproximatelyequivalenttoarigidbody,whichresiststhecompressiveloadtogetherwiththeslabsasawhole.Thein-siteexperimentsatdifferentlathintervalstestifythatthedifferenceofsoilpressuresunderthelathsandatthegapoflathsisrelativelylargeintheshallowsoil.Butthesoilpressuresarebasicallythesameinthedeeplayerwherethechangeofthelathintervalhasnosignificantimpactonsoilpressure.Thedifferencevaluebetweensoilpressureunderthelathsandthatatthegapoflathsissmallinthepositionof3timeslathswidth.Andthedifferencevaluecanbeneglectedintheposition5timeslathswidth.Theresearchresultsuggeststhatthewholeareasurroundedbythelathsispreferableinthecalculationofcompressiveloadontheassembledfoundationcomposedofconcretelaths.Keywords:transmissionline;assembledfoundation;concretelath;calculationofcompressiveload;in-siteexperiment1引言输电线路杆塔基础型式多种多样[1]，在缺水、砂石采集困难等自然条件恶劣或运输距离远的输电线路工程中，混凝土板条与角钢支架组合的装配式基础（简称“混凝土板条基础”）已得到应用[25]。图1为混凝土板条基础示意图。下压计算时，由于底板的混凝土板条间存在空隙，基础底面积A的取值尚未有充分的理论与试验依据，设计人员不得不采用保守算法，按照板条尺寸面积nbL（n为板条数量；b为板条宽度；L为底板长）计算，空隙处不参与计算，导致混凝土板条密集布置或加大板条尺寸，基础材料量大，经济性差，为此开展理论与现场试验研究，探讨其取值原则，为混凝土板条基478岩土力学2016年础的推广应用提供技术参考。(a)基础立面图(b)基础底板平面图图1混凝土板条与角钢支架组合的装配式基础（单位：mm）Fig.1Assembledfoundationconsistingofconcretelathsandanglesteelscaffolds(unit:mm)2理论分析探讨混凝土板条基础的单个底板可以等效为小的条形基础，其极限破坏模式可以用普朗特尔地基极限承载力模型进行分析[6]。如图2所示，普朗特尔地基极限平衡区可分为主动区Ⅰ、过渡区Ⅱ和被动区Ⅲ。极限状态条件下地基滑动面地表扩展距离L（即图1中的AF）与地基土内摩擦角的关系式为2tantan(45/2)eLb（1）式中：L为地基滑动面地表扩展距离；b为基础宽度；为土体内摩擦角。图2土体破坏示意图Fig.2Sketchofsoilfailure图3为地基潜在滑动面地表扩展距离与土体内摩擦角的关系曲线。无论土体内摩擦角取值大小，潜在滑动面扩展地表扩展距离L均大于1倍板条宽度b。混凝土板条基础在底板设计时，砂土条件下板条基本密集布置，黏土条件下板条间距a一般不大于板条宽度b，即相邻板条往往处于彼此潜在滑动面地表扩展距离L以内。随着下压荷载的增加，各板条下塑性区扩展及相邻板条间应力相互叠加的影响，可以推断地基浅层潜在滑动面的形状如图4所示。相邻板条间的地基土形成一拱形压密区，板条间的土拱效应[79]可将整个底板下的浅层土体近似等效为刚性体，共同抵抗上部杆塔传来的下压荷载。土体内摩擦角/(°)图3潜在滑动面地表扩展距离与土体内摩擦角关系曲线Fig.3Curveofsurfaceextendingdistancesofpotentialslipsurfaceandinternalfrictionangles图4底板板条的地基浅层潜在滑动面形状Fig.4Shapeofpotentialslipsurfaceofassembledfoundationlaths3现场试验在砂质黏土地基，以混凝土板条为试验对象，开展浅层平板载荷试验[10]，通过调整不同板条间距，获得荷载-位移曲线，监测不同深度与位置处的土压力变化规律，探讨基础底面积取值原则。3.1场地地质条件试验地点位于安徽绩溪，场地为砂质黏土，层厚3m，呈灰黄、灰黑色，稍湿～湿，软塑～可塑偏软，成分为花岗岩风化产物，主要物理力学指标见表1。表1砂质黏土的主要物理力学参数Table1Mainphysico-mechanicalparametersofsandyclay重度/(kN/m3)黏聚力c/kPa内摩擦角/(°)压缩模量Es1-2/MPa承载力特征值fak/kPa18.52096.01203.2试验结构尺寸如图5所示，板条尺寸（长×宽×高）为1000mm×100mm×50mm，板条间距a分别为50、100、200mmbb板条1b板条2板条3aabⅡⅠⅢⅡⅢADFCEGpB地面角钢支架混凝土横梁混凝土板条16251602001470(基础埋深)板条宽度b板条宽度a板条数量n1625(底板长L)1625(底板宽P)100751251025300基础扩展距离基础宽度b/m增刊1程永锋等：输电线路装配式基础下压计算时底面积取值研究479等3种工况，土压力盒分别布置在距离板条底板下100、300、500mm处的3层界面上，每一层土体界面上布置9个土压力盒，中间3个布置在板条空隙处，其余6个对称布置在两侧板条下。(a)土压力盒埋深(b)土压力盒平面位置(c)土压力盒现场埋置图5土压力盒埋设位置图（单位：mm）Fig.5Illustrationofburiedpositionsforearthpressurecells(unit:mm)3.2试验方案试验加载反力装置采用压重平台反力装置见图6。加载方法采用快速维持荷载法[1112]，土压力盒数据通过土压力测试仪测量。3.3试验结果3.3.1荷载位移曲线图7为不同板条间距条件下基顶荷载位移曲线。从图中可以看出，荷载-位移曲线呈线性状态，但竖向位移值均较大，可能受到砂质黏土的回填夯实不密影响；尽管板条间距不同，但曲线规律性基本一致，可见板条间距变化对基础下压承载性能影响不显著。(a)底部板条布置(b)上部加载横梁(c)加载示意图(d)试验全景图6不同板条间距的下压试验现场Fig.6Fieldtestingofconcretelaths图7不同板条间距条件下的荷载-位移曲线Fig.7Load-displacementcurvesofdifferentlathspacings3.3.2土压力变化规律图8为不同板条间距、不同埋深条件下的土压力变化规律曲线。图中，5条曲线的理论值暂按底板包围的整体面积计算获得。以图8(a)为例，间距为50mm时，6根板条围成的宽度B=850mm，板条长L=1m。当下压荷载为450kN时，理论计算值为压力值/底板面积，即450/(0.85×1)=529kPa，曲线点为土压力盒的试验实测值。表2为最大下压荷载时的理论计算值与试验实测值的对比。表中，试验实测值为底板下-100mm埋深位置处的土压力值，包括板条下2个土压力盒的平均值、板条和空隙处的3个土压力盒的平均值。表3为最大下压荷载时的土压力均值与差值。表中，土压力盒均值为3个土压力盒的平均值，差值为最大值与最小值之间的差距百分比。16012080400050100150200250300350400450竖向下压荷载/kN竖向下压位移/mm50mm间距100mm间距200mm间距板条1000（底板长度L）土压力盒板条下100500300底板宽度B100100100a100板条宽b0(空隙处)0.3(板条下)-0.3(板条下)土压力盒位置/mm板条土压力盒空隙处50aaaa100①②③④⑤⑥⑦⑧⑨土压力盒板条下480岩土力学2016年由图8、表2、3可知，（1）随着下压荷载增加，土压力逐渐增大；（2）基础底板压力理论计算值均大于土