西南山区斜坡场地碎石土地基水平抗力系数的比例系数m值取值研究

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西南山区输电线塔塔位所处地形陡峻,地质构造复杂,场地地基多为碎石土及破碎(或极破碎)基岩。除了承受竖向荷载,输电线塔桩基础还会受到土压力、风荷载、地震作用、电线断线等造成的水平力作用。因此在输电线塔桩基设计中,必须研究桩土水平相互作用问题。在研究桩土水平作用问题时,以弹性地基梁法m法为基础的解析法具有计算模式明确,计算过程简单的优点,在地基设计中得到广泛应用。然而地基水平抗力系数的比例系数m的选取是工程界的一大难题,一般参照规范推荐值并根据经验进行调整。对于大多数输电线塔所处的碎石土地基,规范只是给了m值的参考范围,存在很大的随意性。且经验数据均来自于平坦场地单桩水平静载试验所积累的数据,直接使用于陡峻边坡输电线塔桩基水平力计算时,其安全性、适合性和经济性等无法保证。因此,本文以中国西南山区碎石土斜坡场地地基水平抗力系数的比例系数m值为研究对象,通过现场单桩水平载荷试验方法、m法理论计算方法及等效换算、已有室内物理模拟试验分析、数值模拟方法进行研究,主要得到以下结论和认识:(1)在沿坡面向下方向的桩顶水平荷载作用下,相同荷载时,单桩所处地形坡度越大者桩身水平位移越大,桩身位移零点位置主要集中在0.6~0.8倍桩埋深,且随着坡度增大逐渐下移;相同荷载时,坡度越大桩身弯矩越大,桩身弯矩最大值位置主要集中在0.24~0.32倍桩埋深,且随着坡度增大逐渐下移;相同荷载时,坡度越大桩前土压力最大值越大,桩前土压力最大值位置主要集中在0.24~0.4倍桩埋深,桩前后土压力零点位置均为0.6~0.7倍桩埋深。(2)m法计算得到的桩身位移和弯矩,在靠近桩顶和桩底处与斜坡场地单桩水平载荷试验实测值接近,但桩身中部计算值明显小于实测值,且计算得到桩身位移零点位置高于斜坡场地实测情况。即基于弹性半无限空间体即桩前土体为水平的m法并不能直接应用于斜坡场地。(3)桩顶水平荷载作用下,m值随着荷载和桩顶位移的增大呈非线性减小,可根据桩土体系的弹性状态、塑性状态、发生破坏对应分为三个阶段。按照规范经验公式初步计算试验现场m值,得出坡度从15°到45°每增大15°,m值平均减小42%~49%。以各坡度条件下实测临界状态对应的地面处水平位移为目标,用水平场地下土体性状的减弱等效代替桩前场地坡度的增大,通过此m法等效调整得到斜坡场地真正的m值,坡度每增大15°,m值平均减小约18%~36%。(4)室内物理模拟单桩水平载荷试验得到,随着坡度从0°~45°每增大15°,水平扩散角平均减小约25.71%,桩身计算宽度减小约12.97%。场地坡度增大导致m值减小的本质原因即发挥抵抗桩身水平挤压作用的土体范围减小,土体扩散角减小,桩-土水平作用体系中桩身计算宽度减小。数值模拟单桩水平载荷试验得到,剪切塑形区和拉张塑形区的分布与现场试验及室内物理模拟试验过程中桩周裂缝分布基本吻合,且桩前土体最先出现塑形区的范围随坡度增大而明显变窄,再次证实桩前土体水平扩散角将随着坡度增大而减小的规律。(5)针对此次碎石土斜坡场地中桩长10.5m、桩径1m的基桩,由规范公式初步计算及m法等效调整计算结果的差异得到,桩身计算宽度b0随坡度θ的增大如下式线性减小:b0’=b0-0.78545·tanθ(0°≤θ≤66.43°)并用此式范经验公式中的b0,弥补完善斜坡场地水平单桩载荷试验确定m值的方法。(6)针对此次碎石土斜坡场地中桩长10.5m、桩径1m的基桩,提出坡度θ的现场碎石土斜坡场地m值简易估算公式:m=112-61.25·tanθ(0°≤θ≤61.33°)(7)基于定义py=ky·xy求解得到的m值远小于规范方法得到的m值。定义式不考虑土体施力结构及外荷载,仅为土抗力模式的分布,得出的m值仅与土体的密度、变形模量、泊松比、抗剪强度等物理力学性质有关,而规范经验公式得到的m是反映桩-土共同作用体系的抗力性能的参数。
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