斜坡地形輸電線路樁基礎設計研究

陳俊帆，蔣 銳，黃 興，韓大剛，楊 洋

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

山區(qū)輸電線路大量塔基位于25°～45°的高陡斜坡上，受地形坡度、地質情況、交通運輸及施工等多方面因素制約，樁基礎成為山區(qū)輸電線路中最常采用的基礎型式[1]。但在現(xiàn)行輸電線路基礎設計中，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[2]和DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)程[3]》等規(guī)范的計算理論均建立在場平地基的假定上，對于斜坡地基樁基礎設計并無完善的理論。

國內外學者對于斜坡地基承載力已有了一定的研究。加拿大學者邁耶霍夫[4]在平地地基極限承載力理論公式的基礎上，首次推導出斜坡地基承載力理論公式。美國學者鮑爾斯[5]提出用面積比折減法來修正承載力系數(shù)。日本學者加井正召[6]建議用極限分析法研究斜坡地基的極限承載力。中國學者顧慰慈[7]推導出傾斜荷載作用下的層狀地基的極限承載力的近似計算公式。徐守國[8]用土體抗剪強度發(fā)揮系數(shù)m推導了坡頂距為零的臨坡地基和斜坡上地基的極限承載力。王年香[9]根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準則推導了半無限土坡在坡頂豎向荷載作用下的應力計算公式。

表1 幾種典型巖石物理力學參數(shù)及其等效m值

在目前輸電線路樁基礎設計中各設計院廣泛采用摩擦樁計算模型，需通過土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m計算水平位移。對于山區(qū)輸電線路樁基礎設計，常常具有地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點，水平承載力及位移成為影響樁基礎設計的控制條件?，F(xiàn)行各類規(guī)范[10-16]中并未明確給出巖石地基的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值建議，因此設計時對于水平位移驗算時的m取值仍存在較大爭議。以往工程多憑借經(jīng)驗假定，并采取相對保守的設計值。在業(yè)主對設計管理、要求越來越細致，對工程經(jīng)濟性、安全性要求越來越高的情況下，有必要對斜坡地形樁基礎進行較為系統(tǒng)的研究和分析，提出合理的設計應對策略。

下面通過有限差分軟件FlAC3D進行數(shù)值模擬，分析斜坡地基承載力影響要素，并針對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進行算例分析，提出了典型巖石地基的等效m的取值建議，為山區(qū)輸電線路工程樁基礎設計提供參考。

1 巖石地基等效m取值建議

針對山區(qū)輸電線路“上土下巖”的地質情況，為便于實際工程應用，提出巖石等效水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的概念(簡稱等效m)，參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》[18]中4.16節(jié)，對于無試驗或缺少當?shù)亟?jīng)驗時的經(jīng)驗公式(式(1))，利用巖石的黏聚力c和內摩擦角φ測算了幾種典型巖石地基的等效m值，詳見表1。

(1)

式中：m為水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；c為黏聚力，kPa；φ內為摩擦角，(°)；vb為樁基礎地面處位移量，按地區(qū)經(jīng)驗取值，mm。

對于山區(qū)輸電線路樁基礎設計，由于地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點，設計時應兼顧經(jīng)濟性，不宜由樁基礎地面處水平位移作為控制條件，建議取值時應結合工程情況測算后確定。通過對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進行算例分析發(fā)現(xiàn)，當按表2中推薦的等效m取值時，能夠滿足絕大部分樁基礎地面位移為10 mm的限值，供工程設計參考。

表2 幾種典型巖石的等效m工程推薦值

2 斜坡地形承載力影響因素

利用有限差分軟件FLAC3D，建模研究了在斜坡地基上樁基礎承載力的影響因素，主要對工程設計最為關心的地形坡度、地質巖性和設計虛坡寬度(基礎外緣至坡頂?shù)乃骄嚯x)進行了參數(shù)化分析。

2.1 分析模型

從對研究問題的分析及計算收斂性考慮，采用帶坡腳平臺的斜坡模型。模型基本幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 帶坡腳平臺的斜坡模型

模擬軟件采用巖土工程通用軟件FLAC3D進行分析，為了節(jié)省計算時間，取1/2模型進行計算，整體模型X方向長32 m，Y方向長8 m，Z方向高20 m，模型中樁徑1.6 m，埋深8.0 m。樁、土(巖)之間設置一層接觸面，采用接觸面單元模擬樁基礎與地基土(巖)的界面力學行為。網(wǎng)格劃分及接觸面設置如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)選擇

模擬計算中不考慮樁體本身的破壞，選用彈性本構模型，斜坡地基選用摩爾-庫侖本構模型，其中樁和土(巖)之間設置一層接觸面，模型采用的土、巖石、樁力學參數(shù)如表3所示。

表3 材料力學參數(shù)

根據(jù)表3中地基土(巖)和樁的材料力學參數(shù)，估算得到其體積模量K和剪切模量G，如表4所示。接觸單元材料參數(shù)如表5所示。

表4 地基土(巖)體和樁基礎的體積模量K和剪切模量G

表5 接觸單元材料力學參數(shù)

2.3 荷載及邊界條件

計算中采用邊坡強度折減法[17]研究斜坡地基承載力，選取實際工程鐵塔基礎作用力加載于樁頂處，取最大豎向荷載為2600 kN、最大水平向荷載370 kN進行計算。

邊界條件為橫向左右邊界X方向約束，縱向前后邊界Y方向約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

2.4 模擬工況

考慮在實際輸電線路工程中，通常斜坡塔位選擇在山脊或山頂?shù)忍?，地質情況較為單一，為簡化數(shù)值模擬工況，假定各模擬工況中斜坡地基地質從上至下均為同一土體或巖體。對地形坡度、地質巖性、虛坡寬度等工程設計最為關心的因素進行參數(shù)化分析，如表6所示。

表6 模擬工況

2.5 模擬結果

通過計算各自工況下斜坡地基承載力安全系數(shù)，研究地形坡度、地質巖性、虛坡寬度等因素對斜坡承載力的影響。為便于后續(xù)分析，引入m值折減系數(shù)μ，定義為

(2)

式中：mi為考慮地形坡度、長期水平荷載等不利影響后的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；m0為未考慮任何不利影響的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

1)地形坡度的影響

為研究地形坡度對斜坡承載力的影響，按實際工程設計經(jīng)驗取虛坡寬度為2d時進行數(shù)值分析。從圖3可以看出，當虛坡寬度一定時，硬質巖地質的承載力明顯高于軟質巖和黏性土地質，但三者的地基承載力安全系數(shù)均隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數(shù)降低約1%～3%，軟質巖地基承載力安全系數(shù)降低約3%～6%，硬質巖地基承載力安全系數(shù)降低約4%～9%。

圖3 地形坡度與斜坡安全系數(shù)的關系

因此，樁側土水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值應考慮地形坡度對水平承載力和位移的不利影響，其m值折減系數(shù)μ1與地形坡度的關系，可按表7取值。

表7 地形坡度與m值折減系數(shù)μ1的關系

2)虛坡寬度的影響

為研究虛坡寬度對斜坡承載力的影響，整理了不同虛坡寬度下的斜坡承載力安全系數(shù)，如圖4所示。從圖4中可以看出，在不同巖性下，安全系數(shù)隨虛坡寬度的變化規(guī)律較為一致，隨著虛坡寬度的增大，承載力安全系數(shù)不斷增大；隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。

圖4 虛坡寬度與斜坡安全系數(shù)的關系

3 長期水平荷載作用對水平承載力的影響

在DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)程》第9.6.3注釋中說明，當水平荷載為長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載時，應將規(guī)范推薦的m值取值乘以0.4降低采用。同時，在JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》5.7.5條文說明中明確指出：m值對于同一根樁并非定值，與水平荷載呈非線性關系，低荷載水平下，m值較高；隨荷載增加，樁側土的塑性區(qū)逐漸擴展而降低。因此，m取值應與實際荷載、允許位移相適應，可按式(3)進行計算：

(3)

式中：Hcr為臨界水平荷載；xcr為臨界水平荷載下對應的地面處水平位移；vx為樁頂水平位移系數(shù)；b0為樁身計算寬度；EI為樁身抗彎剛度。

在輸電線路桿塔設計中，耐張塔的水平荷載顯著大于直線塔，主要包含了線條張力荷載及橫向風荷載。其中線條張力荷載應視作長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載，在同樣的水平位移限值情況下，建議需對耐張塔的m值進行折減。隨著耐張塔轉角度數(shù)增大，水平荷載中線條張力荷載占比也逐漸增大。通過對某±800 kV特高壓直流工程1～4型耐張塔進行測算，整理了耐張塔轉角度數(shù)和線條張力占比的關系及其m值折減系數(shù)與耐張塔轉角度數(shù)的關系，詳見表8。

表8 耐張塔轉角度數(shù)與m值折減系數(shù)μ2的關系

4 結 語

針對山區(qū)輸電線路樁基礎設計特點，提出了巖石地基等效m的工程取值建議，通過數(shù)值模擬參數(shù)化分析及工程算例研究了樁基礎斜坡地基承載力與地形坡度、地質巖性、設計虛坡寬度等因素的關系，主要結論有：

1)當設計虛坡寬度一定時，斜坡地基承載力安全系數(shù)隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數(shù)降低約1%～3%，軟質巖地基承載力安全系數(shù)降低約3%～7%，硬質巖地基承載力安全系數(shù)降低約4%～10%。

2)當虛坡寬度一定時，斜坡地基承載力安全系數(shù)與地質巖性相關敏感性較大，其值會隨著地基黏聚力c和內摩擦角φ的增加有明顯的提高。對于山區(qū)輸電線路中的陡坡塔位，宜對地質條件提出更高的要求。

3)在不同巖性下，安全系數(shù)隨虛坡寬度的變化規(guī)律較為一致，隨著設計虛坡寬度的增大，承載力安全系數(shù)不斷增大。其中隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。在工程設計時，對于超過35°的陡坡地形，建議適當增加設計虛坡寬度。

4)在實際工程應用中，由于塔位所在地形坡度和耐張塔長期水平荷載客觀存在，建議樁基礎設計時m值折減系數(shù)宜將兩者的不利影響疊加考慮，取μ=μ1×μ2，計算值見表9所示。

表9 考慮耐張塔轉角度數(shù)和地形坡度的m值折減系數(shù)