1、2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying1 论文软土地基复合沉井基础抗拔承载特性现场试验研究林祥军1,张金龙2,杨文智2,崔 强2(1.国网连云港供电公司,江苏 连云港 222000;2.中国电力科学研究院有限公司,北京 102401)摘要:本文以软土地基中的复合沉井基础为研究对象,开展了 2 种不同埋深的真型基础现场抗拔承载性能试验,对比分析了试验基础的荷载位移曲线、抗拔承载力和地基破坏模式。研究结果表明:沉井深度的增加,导致基础荷载位移曲线由“陡降型”转变为“缓变型”,变形特征由“弹脆性”转变为“弹塑性”,抵抗大变形的能力提高;
2、沉井深度增加 1 倍,其抗拔承载力及极限位移分别提高 21%和 1.1 倍;上拔荷载作用下的复合沉井基础,其周围土体经历了“土体受拉破坏局部剪切破坏整体剪切破坏”的变化过程,其影响范围主要受上部承台结构尺寸及地基土性质的影响。关键词:软土;复合沉井基础;现场试验;抗拔承载特性中图分类号:TU443文献标识码:AField experimental study on uplift bearing characteristics of composite open caisson foundation in soft soilLin Xiangjun1,Zhang Jinlong2,Yang We
3、nzhi2,Cui Qiang2(1.States Grid Lianyungang Power Supply Company,Lianyungang 222000,China;2.China Electric Power Research Institute,Beijing 102401,China)Abstract:In this paper,the composite open caisson foundation in soft soil is studied.The field uplift bearing capacity tests of two real foundations
4、 with different buried depths are carried out,and the load-displacement curve,uplift bearing capacity and foundation failure mode of the test foundation are compared and analyzed.The results show that with the increase of caisson depth,the foundation load-displacement curve changes from steep drop t
5、o slow-change,and the deformation characteristics changes from elastic brittleness to elastic-plastic,which improves the ability to resist large deformation;when the depth of open caisson is doubled,its uplift bearing capacity and ultimate displacement are increased by 21%and 1.1 times respectively;
6、for the composite open caisson foundation under uplift load,the surrounding soil has experienced the failure process of soil tensile failure-local shear failure-overall shear failure,and its influence range is mainly affected by the size of upper bearing platform structure and the properties of foun
7、dation soil.Key words:soft soil;composite open caisson foundation;field test;uplift bearing characteristics收稿日期:2022-05-16;修订日期:2022-08-03基金项目:国网江苏省电力公司科技项目(J2020036).作者简介:林祥军(1974-),男(汉族),江苏连云港人,研究生学历,高级工程师.通讯作者:崔强(1980-),男(汉族),甘肃天水人,博士,正高级工程师.0引言近年来,随着我国“西电东送”国家战略的实施,越来越多的架空输电线路穿越我国东部沿江沿海地区,如淮南南京上
8、海 1000kV 特高压交流工程、白鹤滩江苏800kV 特高压直流工程以及舟山联网交直流工程等均跨越我国长江和东海,沿线塔位普遍地下水位较高,地基条件以饱和的黏土或淤泥质黏土居多。作为典型的软土地基,饱和黏2 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期土或淤泥质黏土具有含水量高、孔隙率大、压缩性强、抗剪强度和承载力低、结构性灵敏等特点,一旦作为天然地基使用时,无论从基础选型,还是基础设计 施 工 方 面 均 对 工 程 设 计 人 员 提 出 更 高 的要求。沉井基础作为深基础的一类,施工方式与桩基础完全不同。它主要依靠自身重力克服井
9、壁阻力后下沉到设计标高,然后经过混凝土封底并填塞井孔,使其成为结构物的基础1,一般情况下,适用于易于下沉施工的细粒土中。目前,沉井基础已经广泛应用于桥梁、港口、水利和给排水等工程。针对沉井基础的承载机理及工程应用,相关领域的学者开展了大量的研究工作,如张立奎等、龚维明等、刘臻等、童小东等2 7通过现场试验、模型试验和数值模拟对桥梁工程中的沉井基础开展了大量的研究工作,分析了沉井基础在下压荷载作用下的承载性能,并提出了地基承载力的设计方法,相关研究结论已形成规程规范。与其他行业不同的是,架空输电线路基础主要以承受上拔荷载为主,工程设计中,基础的选型与设计往往受到地基上拔稳定性的控制。近年来,电力
10、工程师在部分输电线路工程中对沉井基础的应用进行了探讨,如:王高益8在长流海口牵引站 220kV 线路中使用钢模制复合式沉井,不仅证明其在软土地区的可行性,还降低了工程造价;何金业等9在古尔班通古特沙漠对复合装配沉井基础进行了真型试验,试验结果表明,该基础在沙漠地区使用,不仅可以降低工程造价,还能缩短建设周期;满银等10在天津滨海新区对复合式沉井基础进行了上拔、下压、水平及复合工况试验,验证了微型沉井基础设计选型的合理性。以上研究主要是通过试验及工程实践论证了复合沉井基础在架空输电线路中的可行性及合理性,而针对不同深度的复合沉井抗拔承载特性的差异及影响因素,目前尚未见相关文献报道。本文通过开展
11、2 种不同埋深的复合沉井现场试验,对比分析了其在荷载位移曲线、抗拔承载力和地基破坏模式等方面的差异,可为揭示复合沉井基础抗拔承载特性机制及工程优化设计提供理论基础和实践依据。1试验描述1.1地质条件试验场地位于安徽省马鞍山市含山县,经钻探揭露,自上而下的土层依次为粉质黏土、淤泥质土、软塑状粉土夹淤泥质土、软塑状淤泥质土夹粉土,各土层厚度及相应的物理力学强度指标见表 1。表 1试验场地土层物理力学指标Table 1Physical and mechanical indexes of soils of test site土层编号土层名称深度(m)密度(gcm-3)粘聚力c(kPa)内摩擦角()1粉
12、质黏土0.00.91.8625112淤泥质土0.92.21.801583软塑状粉土夹淤泥质土2.23.51.83/134软塑状淤泥质土夹粉土3.55.51.801581.2基础设计本次试验采用的沉井基础由上部承台和下部沉井两部分组成,其中承台的结构型式与输电线路工程中常用的钢筋混凝土板柱基础相似,由立柱与带有两个台阶的底板组成,如图 1 所示。为了研究沉入深度对沉井基础抗拔承载性能的影响,本次试验设计出 2 种不同深度(即图 1 中的 h)的沉井基础T1、T2,其中 T1 基础的 h 为 2m,T2 基础的 h 为4m,其他参数均相同。图 1试验基础结构及尺寸示意图Fig.1Schematic
13、 diagram of test foundation structure and size1.3基础施工试验基础的制作分为工厂加工与现场制作两个环节,其中沉井的帮扎钢筋、混凝土浇筑以及养护工序均在工厂完成,如图 2 所示。试验基础的现场制作工序包括开挖基坑、开挖沉槽、沉井下沉、封底回填、制作承台及基坑回填等 6 道工序,详述如下:首先根据试验基础布置图,定点放线,确定每个试验基础的具体位置,然后根据承台宽度大小开挖基坑,见图 3(a);待挖至承台埋置深度处,以承台中心为圆心,承台内外2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying3 图
14、2沉井制作流程Fig.2Production of open caisson径为直径,开挖以沉井壁厚为宽度的沟槽,即沉槽,采用吊车将事先加工好的沉井吊装就位,见图3(b);在施工人员的引导与协助下,利用其自重进行下沉,直至下沉至预定位置,见图 3(c)。当下沉困难时,可采用顶部压重或开挖井脚的方式减小下沉难度,对于 T2 基础采用两节沉井通过帮焊串联的方式,见图 3(d);完成沉井施工后,进行沉井封底和回填,其中底部 70cm 深度范围采用素混凝土封底,以上部分采用开挖出的土体分层回填;最后进行承台的现场制作,见图 3(e);待承台浇筑养护完成后拆模,见图 3(f);然后回填基坑,至此完成沉井
15、基础的全部施工。1.4试验加载及测试方案试验基础采用锚桩法11,12进行现场加载,如图 4 所示。上拔荷载由千斤顶、上拔螺杆、反力钢梁与钢筋混凝土反力墩组成的传力系统提供。加载方案参考架空输电线路基础设计技术规程(DL/T 5219-2014)11中的维持荷载法相关规定具体操作。当出现上拔量陡增且变形无法停止造成加载困难或上拔变形量超过 25mm 时,认为基础整体失稳,即可停止加载。试验过程中采用布设于基础顶部的位移传感器测定基础的竖向位移。本次试验采用 RS-JYC 型桩基静载荷测试分析系统实现自动记录、加载与补载。试验时位移采用 RS-JYC 型桩基静载荷测试分析系统配套的数字式电子位移传
16、感器直接采集并记录,传 感 器 量 测 方 便 且 高 效,可 确 保 测 试图 3试验基础现场制作Fig.3Field fabrication of test foundation精度。图 4试验加载与测试装置Fig.4Loading and testing device for the test2试验结果分析2.1荷载位移曲线以荷载为横坐标,上拔位移量为纵坐标绘制试验基础的荷载位移曲线,如图 5 所示。从图 5 中可以看出,T1、T2 两个试验基础的荷载位移曲线特征存在明显差异,具体表现为:T1 基础的曲线整体变化规律呈现出“直线直线”的陡降型特4 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期征,屈服点明显,变形特征可表述为“弹脆”型;而 T2 基础的曲线整体变化规律呈现出“直线曲线直线”的缓变型特征,其“弹塑”型变形特征更加明显,整个地基基础体系具有较高的抵抗大变形的能力。本次试验基础由上部承台与下部沉井两部分组成,由于两个试验基础的上部承台尺寸完全相同,其表现出的曲线特征差异主要由于下部沉井的长度不同所致。由此可见,井深
