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)
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。
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。
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。
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
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
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
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]。
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。
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。
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。
(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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