輸電線路微型樁基礎(chǔ)承載性能的數(shù)值模擬

屈勇

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東省佛山市，528200）

0 引言

微型樁作為軟土地基中的一種新型環(huán)保基礎(chǔ)，目前逐漸在輸電線路桿塔基礎(chǔ)工程中得到應(yīng)用[1-2]。微型樁一般指樁徑小于400mm，樁長通常不超過30m，采用鉆孔、壓力注漿工藝施工的小直徑樁，布置型式有各種排列的直樁和網(wǎng)樁結(jié)構(gòu)的斜樁[3-4]。在輸電線路中，微型樁具有如下優(yōu)勢：（1）在同樣承載力要求下，微型樁基礎(chǔ)工作量較小；（2）微型樁施工機(jī)具簡單，對環(huán)境和場地適應(yīng)性強(qiáng)；（3）通過壓力注漿可改善樁周土的受力特性，能有效提高抗傾覆能力。

近些年，國內(nèi)開始研究和設(shè)計(jì)輸電線路桿塔微型樁基礎(chǔ)，2003年浙江省電力設(shè)計(jì)院和浙江大學(xué)合作進(jìn)行了桿塔基礎(chǔ)微型樁試驗(yàn)研究，在500 kV嘉王線塔基中首次試驗(yàn)應(yīng)用，在500 kV北天Ⅱ回輸電線路進(jìn)行了推廣應(yīng)用。中國電力科學(xué)研究院協(xié)同各相關(guān)單位先后在上海、浙江、安徽和天津等地選擇典型的軟土地基開展了輸電桿塔微型樁基礎(chǔ)的相關(guān)課題研究工作，進(jìn)行了微型樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工工藝、成樁質(zhì)量與檢測方法等方面的研究。利用相關(guān)的研究成果，微型樁桿塔基礎(chǔ)已經(jīng)在500 kV寧?！n巖雙回線路、500 kV安慶—廬桐變線路中得到了進(jìn)一步的試點(diǎn)應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益[5]。

為了研究微型樁基礎(chǔ)的受力特性，進(jìn)一步推進(jìn)微型樁基礎(chǔ)在輸電線路中的應(yīng)用，運(yùn)用PLAXIS程序?qū)螛丁⑷簶痘A(chǔ)分別進(jìn)行了抗拔、抗壓、水平力等的數(shù)值計(jì)算分析，研究了微型樁的工作特性，以期對微型樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化。

1 PLAXIS有限元程序簡介

PLAXIS有限元程序是荷蘭研制的專門用于巖土工程2D或3D變形和穩(wěn)定性分析的有限元程序[6]。PLAXIS有限元程序主要具有以下特點(diǎn)：（1）具有友好的用戶界面，邏輯的交互性輸入、自動處理和快速缺省設(shè)置幫助用戶輕松建模；（2）具有先進(jìn)且強(qiáng)大穩(wěn)定的本構(gòu)關(guān)系模型，可精確模擬土的特性，各模型參數(shù)充分結(jié)合了巖土工程實(shí)踐。

PLAXIS有限元程序功能比較強(qiáng)大，能分析比較多的實(shí)際工程，能自動生成有限元網(wǎng)格，并通過重要部位網(wǎng)格的細(xì)分達(dá)到比較好的精度。同時(shí)用戶界面友好，使用也比較方便。在后處理方面，該程序能在計(jì)算過程中動態(tài)顯示提示信息，有利于工程技術(shù)人員在使用過程中對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控。

2 參數(shù)設(shè)定

針對微型樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)，本文主要探討微型樁基礎(chǔ)的作用規(guī)律。PLAXIS有限元程序的摩爾-庫侖土體力學(xué)模型（MC模型）屬于理想彈塑性模型，理想彈塑性材料在應(yīng)力未達(dá)屈服時(shí)，只有彈性變形，而一旦屈服就會產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，塑性變形不斷發(fā)展直至破壞。采用MC模型分析微型樁基礎(chǔ)是可行的。

MC模型需要根據(jù)實(shí)際情況確定5個(gè)基本參數(shù)：彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ和剪脹角ψ，相關(guān)參數(shù)取值見表1。樁長在20d～50d時(shí)，單樁抗拔承載力隨樁長基本呈線性變化；當(dāng)樁長超過50d后，單樁抗拔承載力隨樁長的增長表現(xiàn)出顯著的非線性特征，此時(shí)繼續(xù)增加樁長對其抗拔承載力的提高程度不明顯。

表1 土體MC模型取值參數(shù)TTab.11 Main parameters of soil model

在PLAXIS有限元程序中，為了模擬其他材料（如樁、土工織物等）與土的相互作用，引入了接觸面單元的概念。接觸面間可以傳遞壓力，但不能承受拉力，其性質(zhì)用彈塑性模型來描述。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁長對單樁承載力的影響

通常情況下，樁長對單樁的抗拔承載力有很大的影響。圖1為樁長為13、18、20m的單樁抗拔荷載位移曲線，從圖1中可以看出，隨著樁長的逐漸增加，其抗拔承載力也隨之增大。

因此，對于承受抗拔荷載的微型樁基礎(chǔ)，其最優(yōu)樁長不易大于50 d。

3.2 樁身傾角對單樁承載力的影響

樁身傾斜一定角度時(shí)，微型樁能承受更強(qiáng)的水平荷載與豎向荷載。圖3為不同傾角作用下單樁的豎向抗壓Q-S曲線。從圖3中可以看出，隨著微型樁樁身傾斜角度從0°增加到18°時(shí)，其豎向承載力逐漸變大；但是當(dāng)樁身傾斜角度由18°增加到24°時(shí)，其豎向承載力急劇減小，甚至小于傾斜為12°時(shí)的承載力，說明單樁的豎向承載力存在最優(yōu)傾斜角度。當(dāng)樁身傾斜度達(dá)到最優(yōu)時(shí)，單樁豎向承載力達(dá)到最大。

圖2為經(jīng)過歸一化處理后的單樁抗拔承載力隨樁長的變化曲線，圖中橫坐標(biāo)為樁長與樁徑的比值（L/d），縱坐標(biāo)為不同樁長的承載力Q與20倍樁徑的樁長承載力Q0的比值，經(jīng)歸一化處理后比較容易獲得承載力與樁徑比之間的關(guān)系。從圖2中可以看出，

圖4為斜樁豎向承載力與樁身傾斜角度關(guān)系曲線，從圖中可以看出，樁身傾斜為18°左右時(shí)，其豎向承載力達(dá)到最大。

結(jié)合現(xiàn)場施工機(jī)具的特性與施工工藝的可行性，微型樁單樁的最佳傾角取10°為宜。

3.3 樁間距對群樁承載力的影響

對于輸電線路桿塔基礎(chǔ)所受荷載，往往需要采用3×3以上的群樁基礎(chǔ)來承擔(dān)，則群樁中各個(gè)基樁之間的樁間距對群樁效應(yīng)影響顯著。群樁效應(yīng)系數(shù)是指群樁中的基樁平均抗拔承載力與單樁抗拔承載力之比，群樁效應(yīng)系數(shù)越大，表明群樁中各個(gè)基樁間的影響越小。

圖5為3×3群樁在不同樁間距條件下群樁效應(yīng)系數(shù)的分布規(guī)律，從圖5中可以看出，隨著樁間距的逐漸增加，微型群樁的群樁效應(yīng)系數(shù)逐漸增加，當(dāng)樁距達(dá)到6d時(shí)，群樁效應(yīng)系數(shù)達(dá)到0.9，此時(shí)可基本不考慮群樁效應(yīng)。但考慮施工占地面積大小的影響，設(shè)計(jì)中群樁樁間距為3d，此時(shí)必須考慮群樁效應(yīng)系數(shù)。

4 結(jié)論

（1）微型樁存在臨界樁長。合理樁長不應(yīng)超過50d，樁長過長對提高單樁豎向承載力作用并不明顯。

（2）具有一定傾斜角度的單樁豎向承載力存在最優(yōu)解。結(jié)合現(xiàn)場施工機(jī)具的要求，樁身傾角應(yīng)不大于10°。

（3）對于群樁基礎(chǔ)，由于樁間距相對較小，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮群樁效應(yīng)的影響。

目前，微型樁基礎(chǔ)已逐漸在軟土地區(qū)的輸電線路桿塔基礎(chǔ)中獲得應(yīng)用，然而微型樁群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量檢測仍舊是一個(gè)復(fù)雜的問題，還需要進(jìn)一步深入的理論研究與現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1]呂凡任，陳仁明，陳云民，等.軟土地基微型樁抗壓和抗拔特性試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，38（3）：99-105.

[2]魏鑒棟，陳仁明，陳云敏，等.微型樁抗拔特性原型試驗(yàn)研究[J].工程勘察，2006（8）：14-19.

[3]Bruce D A，Dimillio A F，Juran I.Introduction to micropiles：an international perspective[A]//Willian F Ked.Foundation upgrading and repair for infrastructure improvement[C].New York：Geotechnical Special Publication，ASCE，1995，50：1-26.

[4]上海市建設(shè)和交通委員會.DBJ08-40-94地基處理技術(shù)規(guī)范[S].上海：上海市標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行站，1994.

[5]蘇榮臻，鄭衛(wèi)鋒，魯先龍，等.軟土地基中桿塔微型樁抗拔特性試驗(yàn)研究[J].電力建設(shè)，2008，29（1）：11-14.

[6]Brinkgreve R B J.PLAXIS－finite element code for soil and rock analyses，2D-version 8[M].Rotterdam：BalkemaAA，2002.