短樁與錨桿組合應(yīng)用的復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)數(shù)值模擬分析

袁清泉，湯濤，李政民，王恩來，彭源

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市 100095;2.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院重慶有限公司，重慶市 401121)

0 引言

桿塔基礎(chǔ)是輸電線路的重要組成部分，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保障，其造價(jià)、工期和勞動(dòng)消耗量在整個(gè)架空輸電線路工程中所占的比重較大［1-2］。相對(duì)我國其他地區(qū)，重慶的地質(zhì)條件比較特殊，不僅山區(qū)丘陵地帶斜坡地形廣泛分布，而且存在大量上覆2～3 m土層，土層以下為巖石地基的區(qū)域。隨著輸電電壓等級(jí)和桿塔基礎(chǔ)荷載的提高，選擇單一的掏挖或巖石錨桿基礎(chǔ)在大多數(shù)情況下不能滿足工程的要求。此外，隨著重慶地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的輸電線路工程桿塔基礎(chǔ)需要埋置于山區(qū)斜坡地形和淺土層覆蓋巖石地基中，此時(shí)桿塔基礎(chǔ)的選型、基礎(chǔ)與桿塔結(jié)構(gòu)的配合更具有特殊性。對(duì)于地面淺土覆蓋層或較為破碎的巖石地層，直接采用直柱掏挖成混凝土柱(短樁)傳遞抗拔、抗壓承載力，下部較完整的巖石利用錨桿基礎(chǔ)提供抗拔、抗壓承載力，可以滿足大荷載條件下輸電線路桿塔基礎(chǔ)的要求。懸臂部分可以作為高立柱基礎(chǔ)配合長短腿鐵塔使用［3-6］。

直柱短樁與巖石錨桿組合應(yīng)用的桿塔基礎(chǔ)屬于新型基礎(chǔ)，國內(nèi)沒有既定的規(guī)范與成熟的經(jīng)驗(yàn)，也缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究成果。本文通過數(shù)值模擬方法對(duì)短樁與錨桿組合應(yīng)用的復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)(簡稱復(fù)合型基礎(chǔ))進(jìn)行研究，為該類型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 基礎(chǔ)作用力

設(shè)基礎(chǔ)上拔力T=1 340 kN，相應(yīng)水平合力H1=310 kN;下壓力N=1 830 kN，相應(yīng)水平力合力H2=430 kN。

1.2 巖體地質(zhì)條件

根據(jù)相關(guān)的巖土勘察報(bào)告，某輸電線路工程自上而下的巖土體性質(zhì)為:

(1)場(chǎng)地部分揭露有覆蓋層，主要為粉土，覆蓋層較薄，最大厚度為2.5 m，其重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°，地基承載力特征值fak=140 kPa。

(2)場(chǎng)地基巖表層3 m范圍內(nèi)主要為強(qiáng)風(fēng)化的白云巖，其重度γ=22 kN/m3，巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs=20 kPa，地基承載力特征值fak=400 kPa。

(3)3 m以下主要為中風(fēng)化的白云巖，其重度γ=23 kN/m3，巖石等代極限剪切強(qiáng)度 τs=40 kPa，地基承載力特征值fak=800 kPa。

1.3 復(fù)合型基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)

強(qiáng)風(fēng)化白云巖部分采用短樁基礎(chǔ)，樁底部采用錨桿基礎(chǔ)，以提高其抗拔承載力。參數(shù)取值為:(1)樁側(cè)摩阻力為200 kPa;(2)樁端阻力為2 500 kPa;(3)樁徑為1.2 m。經(jīng)初步試算，該基礎(chǔ)滿足承載力，短樁直徑d=1 200 mm，樁長L=2.0 m;樁底部采用4根錨桿，錨固長度la=3.0 m。復(fù)合型基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)尺寸如圖1所示。

圖1 復(fù)合型基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)尺寸Fig.1 Preliminary design size of compound foundaiton

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模擬計(jì)算模型方案

為對(duì)比分析錨桿基礎(chǔ)對(duì)上拔承載力的影響、露頭高低對(duì)抗傾覆承載力的影響、增大短樁立柱直徑或增加短樁基礎(chǔ)埋深對(duì)抗傾覆承載力的影響，共設(shè)立了6種不同尺寸的基礎(chǔ)數(shù)值模擬計(jì)算模型方案，各方案數(shù)值見表1。

表1 復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)模型方案Tab.1 Models of ompound foundation

2.2 計(jì)算參數(shù)

強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化巖體統(tǒng)一采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表2［7-9］。

表2 巖體Mohr-Coulomb模型特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of Mohr-Coulomb model for rock

表2中，E為彈性模量，μ為泊松比。基礎(chǔ)的上部短樁基礎(chǔ)采用彈性模型，其力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表3。

表3 復(fù)合型基礎(chǔ)上部短樁的力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of short pier at compound foundations upper

復(fù)合型基礎(chǔ)下部錨桿的力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 復(fù)合型基礎(chǔ)下部錨桿的力學(xué)參數(shù)Tab.4 Mechanical parameters of anchor at compound foundations bottom

2.3 有限元計(jì)算模型

有限元計(jì)算程序采用FLAC3D，其計(jì)算模型有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示［10］。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 抗拔性能分析

短樁基礎(chǔ)及無露頭復(fù)合型基礎(chǔ)在上拔荷載下的荷載位移曲線如圖3所示，從圖3中可以看出，短樁基礎(chǔ)的抗拔破壞荷載為1 080 kN，對(duì)應(yīng)的豎向位移為59.15 mm;無露頭復(fù)合型基礎(chǔ)的抗拔破壞荷載為1 440 kN，對(duì)應(yīng)的豎向位移為59.80 mm。

短樁基礎(chǔ)在1 080 kN上拔破壞荷載作用下的上拔位移云圖如圖4所示，從圖4中可以看出，短樁基礎(chǔ)整體已拔出。

短樁基礎(chǔ)在1 080 kN上拔破壞荷載作用下的塑性區(qū)云圖如圖5所示，從圖5中可以看出，在短樁周圍的巖土體全部發(fā)生剪切破壞，向外區(qū)域?yàn)榧羟信c拉拔破壞共同存在的區(qū)域，最外圍區(qū)域?yàn)閱渭儼l(fā)生拉拔破壞的區(qū)域，樁底區(qū)域全部發(fā)生拉拔破壞。

圖4 短樁基礎(chǔ)上拔位移云圖(T=1 080 kN)Fig.4 Displacement nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

圖5 短樁上拔荷載作用下塑性區(qū)云圖(T=1 080 kN)Fig.5 Plastic zone nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

根據(jù)圖3～5可知，短樁基礎(chǔ)底部添加錨桿連接可以顯著提高鐵塔基礎(chǔ)的上拔承載力，低露頭的復(fù)合型基礎(chǔ)可以滿足鐵塔基礎(chǔ)上拔承載力的設(shè)計(jì)要求。

3.2 抗傾覆性能分析

短柱基礎(chǔ)及復(fù)合型基礎(chǔ)無露頭、1 m露頭、2 m露頭等4種方案的基礎(chǔ)在水平荷載作用下的荷載位移曲線如圖6所示。

圖6 不同基礎(chǔ)方案水平荷載位移曲線Fig.6 Lateral load-displacement curves for different foundation

(1)對(duì)比短樁基礎(chǔ)和無露頭復(fù)合型基礎(chǔ)可知，其荷載位移曲線基本一致，在310 kN最大水平荷載作用下，其對(duì)應(yīng)的水平位移分別為3.94、3.78 mm，均滿足規(guī)范要求(小于10 mm)，因此滿足鐵塔荷載的抗傾覆要求，這說明短樁基礎(chǔ)底部增加錨桿對(duì)其抗傾覆能力基本沒有影響。

(2)無露頭基礎(chǔ)與1 m露頭基礎(chǔ)，其荷載位移曲線呈線性狀態(tài);2 m露頭基礎(chǔ)在水平荷載達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)位移量顯著增加。在310 kN最大水平荷載作用下，無露頭、1 m露頭、2 m露頭基礎(chǔ)的水平位移分別為3.78、9.49、22.25 mm，可見鐵塔基礎(chǔ)的露頭越高，其抵抗水平荷載的能力越弱，因此2 m高露頭的復(fù)合型基礎(chǔ)已不能滿足鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆荷載的要求。

3.3 提高基礎(chǔ)抗傾覆能力方法

對(duì)于高露頭的復(fù)合型基礎(chǔ)，其抗傾覆能力較差，當(dāng)基礎(chǔ)露頭大于2 m時(shí)，已不能滿足傾覆荷載的要求，因此需要通過增大基礎(chǔ)立柱的直徑或增加基礎(chǔ)立柱埋深等措施來提高其抵抗水平荷載的能力。

(1)增大立柱直徑:將短樁基礎(chǔ)直徑由初始的1.2 m增大至1.5 m，其他尺寸不變，單個(gè)塔腿基礎(chǔ)的混凝土用量增加1.27 m3，增加量約為56%。

(2)增加立柱埋深:將短樁基礎(chǔ)的埋深由初始的2 m增加至3 m，其他尺寸不變，單個(gè)塔腿基礎(chǔ)的混凝土用量增加1.13 m3，增加量約為50%。

不同尺寸的復(fù)合型基礎(chǔ)水平荷載位移曲線如圖7所示。

圖7 水平荷載下不同尺寸復(fù)合型基礎(chǔ)荷載位移Fig.7 Load-displacement curves for different combination foundation under lateral load

從圖7中可以看出，2 m露頭的原始復(fù)合型基礎(chǔ)、增大立柱直徑與增加基礎(chǔ)埋深的復(fù)合型基礎(chǔ)，在310 kN的水平荷載作用下，對(duì)應(yīng)的水平位移分別為22.25、12.92、10.89 mm。無論增大立柱直徑還是增加基礎(chǔ)埋深，其荷載位移曲線呈線性分布，相比于原始的2 m露頭復(fù)合型基礎(chǔ)，其水平位移量顯著減小，均可有效提高基礎(chǔ)的抗傾覆承載能力。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合型基礎(chǔ)可以滿足輸電線路桿塔基礎(chǔ)的荷載要求，短柱底部施加錨桿可以顯著提高基礎(chǔ)的抗拔承載性能，但對(duì)抗傾覆性能的提高作用不大。

(2)隨著基礎(chǔ)露頭尺寸的增加，復(fù)合型基礎(chǔ)難以滿足抗傾覆性能的要求，因此對(duì)于高露頭的復(fù)合型基礎(chǔ)應(yīng)以抗傾覆荷載作為設(shè)計(jì)控制條件。

(3)增大立柱直徑與增加基礎(chǔ)埋深可有效提高高露頭基礎(chǔ)的抗傾覆能力，對(duì)于短樁與錨桿組合應(yīng)用的復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)，增加基礎(chǔ)埋深的措施更為有效。

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