CN110424436B - 一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输电线路施工工程中浅埋短桩基础抗拔承载力的设计技术，一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，根据土力学及土抗剪强度指标原理建立桩侧摩阻力，其沿着桩埋深成线性变化，根据土的抗剪强度指标标准值计算桩周摩阻力标准值，引入土的特征重度，从而建立基于概率理论的短桩基础上拔承载力设计模型，最后根据不同地质条件下土的抗剪强度指标进行分类，绘制不同桩径及桩长的条件下短桩的抗拔承载力曲线，获得短桩基础设计参数。本发明的优点在于：根据实际桩基受力机理，避免采用一个恒定的摩阻力引起计算误差，有效降低设计误差、提高精确度，并大大提高工作效率。

Description

一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路施工过程中浅埋短桩基础抗拔承载力的设计技术，一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，其适用于通过对桩埋深小于5倍桩径的短桩上拔承载力分析设计短桩基础。

背景技术

短桩是指桩埋深小于5倍桩径的桩基。架空输电线路上人工挖孔桩基础受到人力的限制，一般情况下埋深较浅，特别是对于覆盖层较薄的丘陵及山地地区；而考虑输电线路上桩基础的重要性，短桩最重要的设计包括下压承载力和上拔承载力(或称“抗拔承载力”)的设计。目前，电力行业规范《架空输电线路基础设计技术规程》(DL/T5219-2014)中未出现关于短桩抗拔的设计说明，而特高压线路工程设计原则中提及：为保证桩侧摩阻力的发挥，桩长应大于5倍桩径，从而避免形成短桩的破坏机理。当前对于短桩基础的上拔承载力T_u设计是采用现行国家行业规范《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)推荐的方法：

其中：q_sik为桩侧极限摩阻力标准，与桩下压稳定取值相同；u_i为桩周长；λ_i为抗拔系数，0.5-0.8之间取值；G_p为桩身自重；K为安全系数，取2.0。

然而上述方法存在以下不足之处：

1)所述方法未考虑输电线路工程设计中桩埋深与桩径比值的影响，参照附图1，q_sik为仅与地质相关的极限摩阻力，实际上对于桩埋深小于5倍桩径的短桩，桩侧摩阻力沿埋深成线性变化，很难达到极限摩阻力，这将会引起短桩的上拔承载力计算误差，使设计只具经验性而无法符合输电线路工程中短桩的受力机理，导致设计误差大，精确度不足。

2)所述方法中的安全系数K与下压安全系数取值相同，且为定值2.0。当短桩受压时属于端承桩，桩侧摩阻力很难达到极限值，故在进行下压承载力设计时，桩端与桩侧的安全系数应分别取小于2和大于2的数值，规范为了设计方便统一取2.0可以符合要求。但是在进行上拔承载力设计时，由于无桩端承载力贡献，上述的安全系数K所取定值便有较大误差，也不符合实际桩基上拔受力机理。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种有效降低设计误差、提高精确度、符合实际桩基受力机理的输电线路短桩基础上拔承载力设计方法。

本发明所述技术目的是通过以下途径来实现的：

一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，其要点在于，包括如下步骤：

1)短桩基础所在土体的抗剪强度τ_f为：τ_f＝σtanφ+c；其中σ即为桩土接触面的正应力，φ为土的内摩擦角，c为土的粘聚力，φ、c值称土的抗剪强度指标；

2)桩土接触面的正应力σ为竖向自重应力乘以侧压力系数：σ＝γhK₀；γ为土的重度，h为计算点至地表深度，K₀为静止土压力系数，K₀＝1-sinφ；

3)结合步骤1)和步骤2)可得τ_f＝γh(1-sinφ)tanφ+c；

4)对桩土抗剪强度τ_f沿着桩土界面积分即可得桩周上拔承载力：

其中：u为桩基周长；

5)采用等效内摩擦角φ_u概念取代φ及c，等效内摩擦角φ_u按土体抗剪强度相等原则，即

则：

其中η＝(γ(1-sinφ_u)tanφ_u)，为土的特征重度；

6)则短桩桩基上拔承载力的特征模型为：

G为桩基础自重；

7)将实际上拔力标准值T_z代入模型中的T_u、根据地质条件计算获得土的特征重度η，便可根据桩基周长u＝πd，从而获得需要的最小桩径d和h的关系，在此基础上，绘制以抗拔承载力标准值为纵坐标，土的特征重度η为横坐标，以设定的最小桩径d为基准的承载力曲线图。

所述实际上拔力为短桩基础实际受到的上拔荷载的大小；而抗拔承载力(上拔承载力)标准值则体现了短桩基础能够抵抗外界荷载的能力，即短桩基础抵抗外界荷载的临界值，或称额定值。实际上拔力应小于抗拔承载力标准值。

在实际设计中，可以设定桩径的固定规格，如d＝1.0m、d＝1.6m、d＝2.0m等情况，根据h与d的比例关系、不同的上拔力设计标准值和不同的土的特征重度η，绘制每一种桩径规格下的承载力曲线图，从而可以在设计中直接利用承载力曲线图获取对应的桩径和埋深(桩长)，最终得到短桩的具体设计参数。

本发明所述输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，具有如下技术效果：

1)根据土力学及土抗剪强度原理建立桩侧摩阻力，其沿着桩埋深成线性变化，避免采用一个恒定的摩阻力引起计算误差，符合实际桩基受力机理。

2)取消安全系数K，对土的抗剪强度指标进行数理统计，得出相应指标的标准值，根据土的抗剪强度指标标准值计算桩周摩阻力标准值，从而建立基于概率理论的短桩基础上拔承载力设计模型；有效降低设计误差、提高精确度、符合实际桩基受力机理。

3)通过对不同地质条件下土的抗剪强度指标进行分类，绘制不同桩径及桩长的条件下短桩的抗拔承载力曲线，供设计或验算时参考，从而大大提高工作效率。

附图说明

图1为本发明背景技术所述的现有技术中短桩土摩阻力分布的结构示意图。

图2为本发明所述输电线路短桩基础上拔承载力设计方法中短桩土摩阻力分布的结构示意图。

图3至图8分别为d＝1.0m、d＝1.2m、d＝1.4m、d＝1.6m、d＝1.8m、d＝2.0m时，结合h与d的比例关系(包括h＝3.0d、h＝3.5d、h＝4.0d、h＝4.5d、h＝5.0d、)，所绘制的上拔承载力曲线图。

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图2，一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，包括如下步骤：

1)由土力学相关知识及库伦理论可知土体的抗剪强度可表示成如下形式：

τ_f＝σtanφ+c…………①

2)假设桩土之间的摩阻力也遵循库伦抗剪强度理论，σ即为桩土接触面的正应力，φ为土的内摩擦角，c为土的粘聚力，φ、c值称土的抗剪强度指标；由土中应力计算可知，桩土接触面的正应力σ等于竖向自重应力乘以侧压力系数，

σ＝γhK₀…………②

其中γ为土的重度，h为计算点至地表深度，K₀为静止土压力系数，取：

K₀＝1-sinφ…………③

3)结合②、③式，则①式有：

τ_f＝γh(1-sinφ)tanφ+c…………④

由④式知：对于同一土层γ、φ、c为一定值时，桩土抗剪强度τ_f正比于深度h。

4)对桩土抗剪强度τ_f沿着桩土界面积分即可得桩周抗拔承载力，即：

u为桩周长。

5)采用等效内摩擦角φ_u概念取代φ及c，即⑤式可以用下面更为简洁的方式取代：

η＝(γ(1-sinφ_u)tanφ_u)称为土的特征重度。

等效内摩擦角φ_u按土体抗剪强度相等原则，按下式取值：

对于一般的砂性土等粗粒土，c值为0，即⑤式中第二项为0，此时φ_u＝φ；

6)故短桩桩基上拔承载力的特征模型为：

G为桩基础自重。

7)短桩抗拔承载力曲线绘制：

对不同地质条件下土的特征重度进行分类，对不同桩径及桩长按⑦式分类计算抗拔承载力。为方便实际设计中使用，将承载力曲线按不同桩径d＝1.0、d＝1.2、d＝1.4、d＝1.6、d＝1.8、d＝2.0分成6组，供设计人员设计及验算使用，具体参见附图3-附图8。

以下提供一个本发明所述承载力曲线在设计中的应用：

以一220kV双回路1型耐张塔为例进行短桩抗拔设计：

给定：上拔力标准值Tz＝1100kN

地质条件：砂土地基，φ＝20°、c＝0、γ＝18.0kN/m³

计算特征重度：η＝(γ(1-sinφ_u)tanφ_u)＝(18×(1-sin20)×tan20)

＝4.3kN/m³

首先根据极限值化，即令抗拔承载力标准值Tu与上拔力标准值Tz相等，即Tu＝1100kN，最小桩径取d＝1.6m，即附图6所示承载力曲线图，然后根据特征重度值η，查承载力曲线，可以迅速查得满足上拔力Tz＝1100kN，且特征重度为4.3kN/m³的桩长h＝5.0d＝8.0m，可得最后短桩设计参数为：d＝1.6m、h＝8.0m。如果场地覆盖层厚度受限，可以选择直径大于1.6m的桩来减小桩长。

以下提供一个本发明所述承载力曲线在设计中的验算应用：

以一220kV双回路II型直线塔为例进行短桩抗拔校验：

给定：上拔力标准值Tz＝750kN；

地质条件：黏土地基，φ＝25°、c＝20、γ＝17.5kN/m³；

短桩基础设计值：d＝1.6m、h＝6.5m；

计算等效内摩擦角：

计算特征重度：η＝(γ(1-sinφ_u)tanφ_u)＝(17.5×(1-sin32.7)×tan32.7)＝5.2kN/m³

根据d＝1.6m选择图6所示承载力曲线图进行校准验算，然后再根据h≈4.0d和η＝5.2可以迅速查得其对应的抗拔承载力标准值为T_u＝840kN，由于T_u＝840kN＞Tz＝750kN，故该铁塔短桩基础抗拔是稳定的。

本发明所述输电线路短桩基础上拔承载力设计方法体现了如下技术特点：

1)桩侧摩阻力根据土力学及土抗剪强度指标原理建立，采用基于桩土摩阻力沿深度成线性变化的传力机理，更符合短桩的实际受力模式，避免采用一个恒定的摩阻力引起计算误差；

2)本发明提供了桩基抗拔承载力特征模型，模型中土体抗剪强度指标均为数理统计后的结果，其中涉及的抗拔承载力为标准值，取消规范采取的安全系数K，不再采用极限值除以安全系数K，所以本发明所述方法为基于概率理论的极限设计方法，比规范中推荐的安全系数法更为先进，且可以与上部结构的设计理论相统一；

3)本发明述设计方法引入了特征重度概念，通过对不同地质条件下土的抗剪强度指标进行分类计算特征重度，将土体抗剪强度指标归并为一个值，使承载力模型在形式上更为简洁，并且通过编制承载力曲线能够更为方便地进行基础抗拔设计及校验。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.一种输电线路短桩基础上拔承载力设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)短桩基础所在土体的抗剪强度τ_f为：τ_f＝σtanφ+c；其中σ即为桩土接触面的正应力，φ为土的内摩擦角，c为土的粘聚力，φ、c值称土的抗剪强度指标；

2)桩土接触面的正应力σ为竖向自重应力乘以侧压力系数：σ＝γhK₀；γ为土的重度，h为计算点至地表深度，K₀为静止土压力系数，K₀＝1-sinφ；

3)结合步骤1)和步骤2)可得τ_f＝γh(1-sinφ)tanφ+c；

4)对桩土抗剪强度τ_f沿着桩土界面积分即可得桩周上拔承载力：

其中：u为桩基周长；

5)采用等效内摩擦角φ_u概念取代φ及c，等效内摩擦角φ_u按土体抗剪强度相等原则，即

则桩周上拔承载力采用下式取代：

其中η＝(γ(1-sinφ_u)tanφ_u)，为土的特征重度；

6)则短桩桩基上拔承载力的特征模型为：

G为桩基础自重；

7)将实际上拔力标准值T_z代入模型中的T_u、根据地质条件计算获得土的特征重度η，便可根据桩基周长u＝πd，从而获得需要的最小桩径d和h的关系，在此基础上，绘制以抗拔承载力标准值为纵坐标，土的特征重度η为横坐标，以设定的最小桩径d为基准的承载力曲线图。

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