復合螺旋錨基礎在輸電線路中的應用研究

施月泉 謝 芳 馮 炳

(1.紹興電力局 浙江 紹興312000； 2.紹興文理學院 元培學院，浙江 紹興312000)

當前國內(nèi)外輸電線路工程桿塔基礎的發(fā)展趨勢：一是采取合理的基礎型式，改善基礎的受力狀態(tài)；二是充分利用原狀土地基承載力高、變形小的良好力學性能，積極采用原狀土基礎.因此，如何充分發(fā)揮地基土的承載能力，采用合理的基礎型式，是達到輸電線路安全運營并降低工程投資的重要措施，也是我國輸電線路桿塔基礎建設中需要深入研究的課題.

1 螺旋錨基礎研究

螺旋錨作為一種錨固技術在20世紀50年代就用于巖土工程施工或原位測試的臨時錨固，到了70年代，加拿大等國將螺旋錨用于超高壓線路桿塔的基礎和拉線地錨.在國內(nèi)，2000年以來國網(wǎng)公司在遼寧丹東、營口、盤錦等地開展大量的架空輸電線路螺旋錨基礎試驗研究和工程實際應用，并編制了國家電網(wǎng)企業(yè)標準——《Q/GDW 584—2011 架空輸電線路螺旋錨基礎設計技術規(guī)范》.

復合螺旋錨基礎是一種新型基礎形式，它是在螺旋錨基礎上進行改進的一種基礎，是由剛性基礎承臺與復合材料螺旋錨組成的輸電線路桿塔的基礎，如圖1所示.螺旋錨根據(jù)錨盤的數(shù)量多少，可分為單錨盤螺旋錨基礎和多錨盤螺旋錨基礎，如圖2所示.輸電線路中一般采用多錨盤螺旋錨基礎.

螺旋錨桿基礎能像木螺絲一樣，可旋轉(zhuǎn)自進到較深土層，轉(zhuǎn)進過程擾動的圓柱形土體，經(jīng)過一段時間靜置后其強度將有很大程度的恢復，故能承受較大的上拔荷載.同時，基礎上部的剛性承臺在地耐力較好的環(huán)境下，能承受大部分下壓荷載，大大加強了基礎整體受力性能.復合螺旋錨基礎具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、工期短、基礎方量小、無環(huán)境污染等優(yōu)點,同時螺旋錨盤采用耐腐蝕的FRP高強度玻璃纖維材料，大大提高了螺旋錨的抗腐蝕能力，延長了使用壽命.

螺旋錨基礎作為一種新型基礎型式，其基礎的承載特性，受力破壞模式，錨盤尺寸、布置方式和數(shù)量等方面的優(yōu)化均需要深入研究.因此，本文采用有限元數(shù)值分析對螺旋錨基礎的承載、變形性能進行了初步的分析和探討.

2 螺旋錨基礎有限元計算及優(yōu)化

2.1 數(shù)值建模及參數(shù)選擇

本次數(shù)值分析采用Plaxis巖土工程專業(yè)有限元軟件.此軟件能模擬復雜的工程地質(zhì)條件和實際工程的加、卸載工序，通過合理的本構(gòu)模型來模擬巖土體材料的非線性和時間相關性，可用于分析基礎承載力、軟基處理、樁基礎和隧道等多種巖土工程的變形和穩(wěn)定問題.

為模擬螺旋錨基礎在承受上拔或下壓荷載后，土體和基礎的應力和位移發(fā)展情況，本次分析按軸對稱問題考慮，取基礎的一半對稱建模，并按15節(jié)點的單元進行網(wǎng)格劃分.土體本構(gòu)關系選擇為摩爾庫倫模型，基礎本身按線彈性材料考慮，其彈性模量按FRP的模量取值.另外，為模擬土體/基礎界面上的切應力與相應位置土體切應力的差異，在基礎與土體接觸面上添加界面單元.基礎立柱及底板表面處的界面參數(shù)選為1，表示界面為絕對粗糙；底板底面的界面參數(shù)取為0.01，近似為絕對光滑.

以某220 kV工程III型直線塔為基本分析對象，其基礎作用力設計值為：N=1 050 kN，Qx=125 kN，Qy=105 kN；T=815 kN，Tx=100 kN，Ty=85 kN.錨盤直徑取500 mm，埋深取6 m，錨桿直徑取120 mm.土體的計算參數(shù)見表1，基礎材料的計算參數(shù)如下：密度γ=22.0 kN/m3，拉伸彈性模量E=3.5× 105N/mm2，泊松比ν= 0.28.

表1 地基土體計算參數(shù)表

土體底部水平方向和豎向均固定，兩側(cè)邊界水平方向固定，豎向可移動.在柱頂施加向上或向下的均布荷載，迭代計算時通過增加荷載因子控制施加的上拔或下壓荷載，當土體位移過大發(fā)生破壞時終止計算.網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 螺旋錨基礎掏挖式基礎的初步優(yōu)化

2.2.1 錨盤數(shù)量的優(yōu)化

為了確定錨盤數(shù)量對螺旋錨基礎的影響，我們分別對單錨盤、雙錨盤以及三錨盤基礎進行有限元分析.計算時，將雙錨盤基礎的上錨盤布置在基礎埋深一半的位置，即上錨盤底面至地表的深度為3.0 m(1/2H)，三錨盤基礎的上錨盤布置與雙錨盤基礎一樣，中錨盤布置在上下錨盤中間，即深度為4.5 m處，各錨盤尺寸保持一致.

在上拔荷載作用下，各基礎的荷載-位移曲線如圖4所示.由圖4可知，兩類基礎的柱頂位移均隨著上拔荷載的增加而增大，表現(xiàn)出非線性增長趨勢，直至土體位移過大而破壞為止.在前面一部分彈性變形階段，兩條曲線相差不大；但當土體發(fā)生較大的塑性變形后，雙錨盤基礎的荷載-位移曲線一直位于單錨盤基礎的上方，相同上拔位移條件下，雙錨盤基礎能承受的上拔荷載要明顯大于單錨盤基礎.這說明在相同地質(zhì)條件下，錨盤數(shù)量能明顯影響螺旋錨基礎的承載力.

由于土體并未假定為理想彈塑性材料，3條荷載-位移曲線在土體屈服后均未表現(xiàn)出明顯的平臺，為“緩變型”增長，地基基本屬整體破壞.取荷載-位移曲線拐點對應的荷載作為基礎的極限承載力，計算結(jié)果顯示，三錨盤基礎的極限上拔承載力設計值約為295.6 kN，雙錨盤基礎的極限上拔承載力設計值約為250.5 kN，而常規(guī)掏挖基礎的極限上拔承載力設計值約為171.5 kN.雙錨盤基礎的抗拔承載力相對于單錨盤基礎提高了約46%，三錨盤基礎的抗拔承載力比雙錨盤基礎提高了18%.圖5為上拔工況下，各基礎的位移云圖對比.

圖4 上拔工況下各基礎型式的荷-位移曲線對比載

螺旋錨基礎承受上拔荷載時，周圍土體發(fā)生較大的塑性變形，其塑性應力點分布如圖6所示，圖中的塑性區(qū)更為明顯地反映了土體剪切面形狀.

2.2.2 錨盤布置位置的探討

為初步分析錨盤布置位置對螺旋錨基礎承載力的影響，本次計算分別以雙錨盤基礎為例，將上錨盤布置在基礎上部、中間和下部3個位置進行分析討論，對應的上錨盤埋深分別為2 m(1/3H),3 m(1/2H)和4 m(2/3H)，計算所得的基礎荷載-位移曲線如圖7所示.

圖5 上拔工況下兩基礎型式的位移云圖對比

圖6 上拔工況下各基礎的塑性應力區(qū)

對于上拔工況，上錨盤埋深為1/3H和1/2H時，基礎的抗拔承載力最大，而上錨盤埋深為2/3H時相對小些.

對于多錨盤基礎而言，錨盤間需要有一定的間距才能更好地發(fā)揮錨盤間原狀地基土體的承載性能，使基礎各錨盤在外荷載作用下共同工作.綜合本次上拔工況的初算結(jié)果，認為將上錨盤布置在立柱的中上部(埋深1/3H～1/2H)是較為合適的.

2.2.3 錨盤尺寸的影響

錨盤尺寸是影響雙錨盤掏挖式基礎承載力的另一因素，本次計算時，保持雙錨盤掏挖式基礎的上下錨盤總尺寸不變，錨盤尺寸分為：①上下錨盤均為0.5 m；②上錨盤0.6 m，下錨盤0.4 m.兩檔進行初步計算分析，計算結(jié)果如圖8所示.

圖7 上錨盤不同位置時雙錨盤基礎的荷載-位移曲線 圖8 上下錨盤尺寸不同時雙錨盤基礎的荷載-位移曲線

計算結(jié)果顯示，相對于上、下錨盤一樣大的雙錨盤掏挖式基礎，下錨盤尺寸縮小后其上拔承載力有較大幅度的降低.實際上，下錨盤尺寸過小時，下錨盤對其上部原狀地基土承載性狀的利用率將非常有限，基礎的抗拔將主要是由上錨盤起控制作用，由于上錨盤埋深較淺，對基礎的抗拔更為不利，兩錨盤不能共同抵抗外荷載的作用，從而達不到提高基礎承載力的效果.

因此，結(jié)合本次初算結(jié)果，在工程中采用等錨盤尺寸的螺旋錨基礎是較為合適的.

3 復合螺旋錨基礎技術經(jīng)濟分析

復合螺旋錨基礎上部是剛性基礎承臺，下部為復合材料螺旋錨，該基礎充分利用了螺旋錨的抗拔能力和剛性基礎抗拔、抗壓以及抗水平力的能力，兩者結(jié)合在一起，協(xié)調(diào)工作，充分發(fā)揮原狀土的受力特性，節(jié)省了基礎材料，降低了工程造價.圖9是用PLAXIS計算得到的復合螺旋錨基礎的位移云圖.我們以某220 kV工程II、III型直線和II型轉(zhuǎn)角為例，分別采用復合螺旋錨基礎、MP樁基礎和斜柱板式基礎進行了技術經(jīng)濟比較.比較結(jié)果見表3.

圖9 復合螺旋錨的整體位移云圖

表3 復合螺旋錨基礎技術經(jīng)濟比較表

從表3可以看出，復合螺旋錨基礎在基礎下壓力較小的直線塔以及轉(zhuǎn)角塔外側(cè)抗拔基礎中優(yōu)勢相當明顯；隨著基礎下壓力的加大，用來抵抗下壓的剛性承臺尺寸也將加大，材料量的優(yōu)勢也將逐漸減弱，因此復合螺旋錨基礎比較適合在直線塔以及轉(zhuǎn)角塔外側(cè)抗拔基礎中應用.

4 小結(jié)

通過以上對螺旋錨基礎承載性能和破壞模式進行的初步有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)對下壓荷載較小的直線塔以及轉(zhuǎn)角塔外側(cè)基礎，復合螺旋錨基礎相比其他型式基礎具有一定的優(yōu)勢，是一種值得推廣應用的新型基礎型式.

(2)對于常規(guī)埋深在10 m以下的螺旋錨基礎，采用2～3個錨盤是相對合理而且經(jīng)濟的.

(3)上、下錨盤宜采用相同尺寸，同時上錨盤宜布置在立柱的中上部，對應的埋深建議在1/3H～1/2H范圍內(nèi)，以充分利用各錨盤間原狀地基土體的承載特性，使基礎各錨盤達到共同工作狀態(tài).

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