复合加载模式下输电线路掏挖基础地基破坏模式及承载特性研究

The foundations of transmission line structures are chronically subjected to alternate vertical (V), horizontal(H) and moment(M) loads induced by self-weight, wind, conductors, broken cable conditions and other severe condtions. And they often cross complex sites where loading tests are hardly carried out. This makes theoretical formula of bearing capacity necessary. Although bearing capacity under combined loads and three-dimensional failure envelopes have been studied for various shallow foundation boundary conditions, few closed-form expressions of failure envelopes for characteristics of transmission line foundations are discribed. Therefore, the combination of model tests, theoretical analysis and numerical modelling are used to examine the bearing capacity and displacement features of excavated foundations of transmission line under single load and combined loads. A fully encompassing failure envelope in different load space (V, H, M/D) will be determined for the bearing capacity and proximity to failure of excavated foundations. Closed-form expressions will enable the prediction of ultimate bearing capacity of foundations of transmission tower line under general loading, which is valid for various soil strength, embedment ratios, and geometry shape. Simultameously, centrifuge tests of foundations with different dimensions and buried depths will be performed to corroborate the formula of bearing capacity under single vertical or horizontal loading and expressions of failure evelopes under combined loading from theoretical and numerical analysis. This research is expected to provided theoretical reference for practical design, and it is of significant value for saving resource and protecting enviroment.

输电线路基础长期承受竖向拉、压交变荷载以及较大水平荷载和弯矩作用，且当线路跨越地形复杂区域时，很难通过载荷试验评估地基承载能力。针对上述特性，以输电线路掏挖基础为研究对象，联合运用模型试验、理论分析与数值模拟等手段，深入分析复合加载条件下硬质黏性土地基中基础失稳破坏模式和承载特性。利用有限元模拟和模型试验研究土性参数、基础埋深和几何尺寸对不同荷载条件下地基破坏滑裂面形成、基础极限承载力和承载力破坏包络线的影响，从而进行理论分析确定单向荷载作用下基础极限承载力，并据此，提出复合加载模式下基础承载力破坏包络面的闭合表达式。同时，利用离心机进行原型应力状态下输电线路掏挖基础位移加载试验，验证竖向、水平向单独荷载作用下基础极限承载力公式和复合加载条件下地基基础承载力破坏包络面表达式的正确性。该研究为输电线路基础设计提供坚实可靠的理论依据，在输电工程防灾减灾和保护环境方面具有重要的意义。

随着“能源互联网”国家战略方针的实施，中国高压电网正式进入了快速建设期，同时国家针对输电杆塔架设所引起的水土流失和植被破坏等问题，提出在建设中要进一步加大环境保护措施。因此，不破坏土体原有结构、充分发挥地基自身承载特性的基础形式及考虑特殊荷载工况的新型环保基础型式得到了广泛的推广和应用，如掏挖基础、斜掏挖基础及螺旋锚等，其承载力、设计优化、可靠性等诸多问题也摆在了人们面前。由于输电线路基础长期承受竖向拉、压交变荷载以及较大水平荷载和弯矩作用，对于这种复合加载模式的输电线路基础承载特性研究较少。因此，本项目针对上述情况，以输电线路掏挖基础、螺旋锚基础为研究对象，联合运用理论分析、数值模拟及模型试验等方法，分析不同荷载工况下土体强度及基础几何尺寸对直、斜掏挖基础、螺旋锚基础地基破坏机理及承载特性的影响。. 根据塑性极限平衡原理，并结合变分法原理求解不同加载条件下直掏挖基础的极限承载力。分析了土体强度及基础埋深比对中心上拔、偏心上拔及倾斜上拔时基础极限上拔力的影响；确定了水平力和弯矩影响的折减系数。与数值结果、模型试验及现场试验结果对比，验证了理论分析结果的可靠性。采用数值方法，对竖向V-水平H组合荷载作用下斜掏挖基础承载特性进行研究，确定V-H空间破坏包络线，分析土性参数、基础倾斜角度对V-H空间破坏包络线特征的影响。针对螺旋锚基础，通过室内拉拔模型试验和数值模拟，探讨锚板型式、尺寸和土体特性对螺旋锚上拔承载特性的影响，确定了多层螺旋锚承载力发挥效果最佳的锚片间距及柱状破坏模式发生的临界间距。并且，利用极限平衡分析推导了砂土中适用于浅埋及深埋情况的单片螺旋锚上拔承载力计算公式，通过与拉拔试验数据进行比较，验证了理论公式的适用性及准确性。上述研究成果为输电线路基础设计提供坚实可靠的理论依据，在输电工程防灾减灾和保护环境方面具有重要的意义。