跨長(zhǎng)江航道大型輸電塔樁基變形及優(yōu)化研究

余 亮，寧帥朋，龍海波，倪小東，史江偉*

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210000; 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024)

隨著我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各地興建了長(zhǎng)江航道大跨越、特大跨越工程用于輸電，如500 kV江陰長(zhǎng)江大跨越工程為世界上最高的格構(gòu)式結(jié)構(gòu) (組合角鋼) 輸電鐵塔[1]。長(zhǎng)江航道大跨越塔高度超過(guò)300 m，風(fēng)荷載作用下大跨越樁基變形控制尤其重要。為了確保大跨越工程長(zhǎng)期服役的安全性，保障航道安全，眾多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江航道大跨越工程的設(shè)計(jì)和施工開(kāi)展研究。

長(zhǎng)江航道大跨越大都采用組合角鋼的結(jié)構(gòu)形式，蔡鈞等[1]提出了大跨越鐵塔構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。長(zhǎng)江航道存在大量天然高邊坡，高邊坡不穩(wěn)定性誘發(fā)樁基長(zhǎng)期附加變形[2]。針對(duì)此問(wèn)題，胡江運(yùn)等[3-4]研究了長(zhǎng)江航道大跨越塔基邊坡穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)大跨越工程的長(zhǎng)期服役性，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了大跨越樁基施工的新方法和新工藝[5-6]。通過(guò)采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁(PHC)加承臺(tái)型式樁基大跨越樁基工程的質(zhì)量及其工期能得到有效的控制[5]。大跨越工程采用基礎(chǔ)后注漿的方法，能節(jié)省基礎(chǔ)材料20%以上，并且能很好地消除基礎(chǔ)沉降和附加應(yīng)力[6]。

長(zhǎng)江航道水位受潮汐作用明顯，水荷載升降的循環(huán)作用下，必然影響大跨越工程的樁基礎(chǔ)承載力[7]。為了確保長(zhǎng)江航道大跨越工程的長(zhǎng)期安全性，準(zhǔn)確測(cè)量大跨越工程樁基的極限承載力尤為重要[8-10]。通過(guò)采用樁基自平衡的試驗(yàn)檢測(cè)方法，張?zhí)旃獾萚8]確定了500 kV黃河大跨越樁基極限承載力。通過(guò)舟山大跨越樁基的自平衡法試驗(yàn)研究，楊濤等[9]發(fā)現(xiàn)自平衡法能準(zhǔn)確地測(cè)量海中樁基的承載力?；诖罂缭焦こ虡痘Q向承載特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，洪光森等[10]給出了不同地層中樁基抗拔系數(shù)的建議值。

針對(duì)長(zhǎng)江航道大跨越工程，現(xiàn)有學(xué)者重點(diǎn)研究了樁基的施工方法和承載力特性。為了增加大跨越樁基的整體性，工程中提出采用系梁連接樁基以將基礎(chǔ)有效連接，優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但系梁的作用效果及其優(yōu)化性尚不清晰。論文以江蘇鳳城—梅里500 kV長(zhǎng)江大跨越工程為背景，通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)的三維仿真模擬，研究大跨越群樁基礎(chǔ)間的連接系梁高度、系梁支撐樁數(shù)量對(duì)基礎(chǔ)受力和變形的影響，為大跨越樁基系梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 三維有限元仿真模擬

1.1 工程概況

江蘇鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越工程，南塔位于江陰市利港鎮(zhèn)，北塔位于靖江市新橋鎮(zhèn)?？缭剿?85 m，采用鋼管混凝土塔，鋼管材質(zhì)為Q420C，內(nèi)部填充C50自密實(shí)混凝土?；A(chǔ)采用承臺(tái)灌注樁方案，4個(gè)基礎(chǔ)為獨(dú)立式基礎(chǔ)，承臺(tái)之間采用混凝土連梁。桿塔與基礎(chǔ)采用地腳螺栓連接。地基土上層為約10 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部為細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂，80 m深度未見(jiàn)基巖。

1.2 計(jì)算工況

采用大型非線性軟件ABAQUS，建立樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、連梁以及土層的精細(xì)化三維有限元分析模型，分析風(fēng)荷載作用下長(zhǎng)江大跨越工程樁基、承臺(tái)、系梁的變形及受力情況，揭示系梁高度和支撐樁數(shù)量對(duì)長(zhǎng)江大跨越基礎(chǔ)整體受力的影響。

表1匯總了三維仿真模擬方案。系梁高度為介于0(無(wú)系梁)～4 m。對(duì)于系梁高度為2.0 m的工況進(jìn)行比較分析，每根系梁的支撐樁數(shù)量分別設(shè)置為2根、4根和6根。

表1 三維仿真模擬工況匯總

1.3 有限元網(wǎng)格和邊界條件

圖1為三維有限數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格，不同網(wǎng)格代表不同的材料分區(qū)?；诂F(xiàn)場(chǎng)地勘數(shù)據(jù)，將力學(xué)性質(zhì)相近的薄層進(jìn)行合并，最終簡(jiǎn)化為10個(gè)土層(表3)。土體、樁、系梁和承臺(tái)均采用8節(jié)點(diǎn)的6面體單元(C3D8)，樁土之間設(shè)置接觸單元。為了消除邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，三維有限元網(wǎng)格的長(zhǎng)×寬×高為175 m×175 m×80 m。剖分三維有限元網(wǎng)格時(shí)，樁基周?chē)W(wǎng)格加密。網(wǎng)格由200 360個(gè)單元和197 042個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。為了確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性，開(kāi)展了有限元計(jì)算網(wǎng)格密度的敏感性分析。三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格密度確定的原則為：網(wǎng)格密度增加一倍時(shí)，前后兩次數(shù)值計(jì)算的最大地基和樁基變形差值小于2%。采用內(nèi)存為8 GB、CPU為2.6 GHz的臺(tái)式電腦，單個(gè)數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)間約1 h。

數(shù)值分析中采用界面單元來(lái)模擬模型樁、系梁和周?chē)馏w之間的相互作用。界面單元的力學(xué)響應(yīng)符合庫(kù)侖定律，由界面摩擦系數(shù)μ(μ=tanδ)和極限位移γlim兩個(gè)參數(shù)控制。土—結(jié)構(gòu)物的界面摩擦角δ為土體摩擦角的2/3倍，極限位移取5 mm[11]。三維有限元網(wǎng)格四周采用法向位移約束，底部采用三向約束，即網(wǎng)格四周只能沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，而網(wǎng)格底部不允許產(chǎn)生任何位移。有限元計(jì)算模型采用的坐標(biāo)系Z軸為豎直方向，向上為正。

圖2為樁、系梁和承臺(tái)的三維有限元網(wǎng)格。有限元參數(shù)分析中系梁高度分別為0 m(無(wú)系梁)、2 m和4 m，支撐樁數(shù)量為2根、4根和6根。承臺(tái)的平面尺寸為18.7 m×15.4 m，承臺(tái)總高度為5.0 m。每個(gè)承臺(tái)下方澆筑30根長(zhǎng)度為65.0 m、直徑為1.1 m的鉆孔灌注樁。系梁支撐樁的長(zhǎng)度和直徑分別為25.0 m和1.1 m。承臺(tái)與承臺(tái)之間的距離為75.0 m。

1.4 大跨越樁基礎(chǔ)承受的等效風(fēng)荷載

江蘇鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越的跨越塔高度為385 m，風(fēng)荷載是引起大跨越鐵塔變形的主要荷載之一。本次數(shù)值計(jì)算考慮不同風(fēng)向?qū)Υ罂缭綐痘挠绊?，即風(fēng)向與大跨越鐵塔分別呈0°、45°、60°和90°。本次數(shù)值模擬并沒(méi)有模擬385 m高的跨越塔，而將作用于跨越塔上面的風(fēng)荷載等效成集中力，分別施加于跨越塔的4個(gè)群樁基礎(chǔ)。通過(guò)計(jì)算，控制性工況下大跨越樁基頂部的3個(gè)方向集中荷載見(jiàn)表2。本次分析考慮6種幾何尺寸和4種荷載，共計(jì)24個(gè)三維有限元數(shù)值計(jì)算。

表2 風(fēng)荷載引起的樁基承臺(tái)荷載分量

1.5 本構(gòu)模型及其土層參數(shù)

摩爾庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)模型概念清晰，參數(shù)易于確定，工程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，廣泛應(yīng)用于土體穩(wěn)定與變形有限元計(jì)算。因此，地基土層的力學(xué)性質(zhì)采用Mohr-Coulomb模型模擬，樁基和承臺(tái)采用線彈性模型模擬。通過(guò)開(kāi)展分級(jí)加載(50 kPa、100 kPa、200 kPa和400 kPa)的單向壓縮試驗(yàn)，測(cè)定地基各個(gè)土層的壓縮模量Es?；诟鱾€(gè)土層的固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)CU，測(cè)定試樣剪切時(shí)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，獲取各個(gè)土層的有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c′和φ′。北垮塔地基土層名稱(chēng)及土層參數(shù)如表3所示。

表3 地基土層名稱(chēng)及土層參數(shù)

2 不同風(fēng)向和系梁高度下樁基三維變形

2.1 系梁高度對(duì)地基三維變形影響

有限元參數(shù)分析考慮了4種風(fēng)向(0°、45°、60°和90°)和4種系梁高度(0 m、2 m和4 m)的工況。限于篇幅，僅給出90°大風(fēng)工況下的地基三維變形云圖。

圖3為未設(shè)置系梁時(shí)90°風(fēng)向引起的三維地基變形云圖。由圖發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載作用下，迎風(fēng)側(cè)的2根樁基的豎向位移和水平位移明顯大于另2根樁基。4根群樁間未設(shè)置系梁連接，風(fēng)荷載作用下各個(gè)樁基單獨(dú)受力。地基沿兩個(gè)水平向和豎向的最大位移(U1、U2、U3)分別為65.9 mm、40.5 mm和63.8 mm。水平位移U1和U2分別沿x和y方向，豎向位移U3沿z方向。

4個(gè)群樁之間澆筑厚度為2.0 m的系梁后，風(fēng)荷載作用下4個(gè)群樁基礎(chǔ)通過(guò)系梁形成一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)。風(fēng)荷載引起的地基最大水平向位移明顯降低(圖4)。地基沿兩個(gè)水平向和豎向的最大位移(U1、U2、U3)分別為46.3 mm、10.3 mm和61.1 mm。很明顯，群樁基礎(chǔ)間澆筑高度為2.0 m的系梁后，風(fēng)荷載引起的地基水平位移降幅明顯，兩個(gè)方向的水平位移降幅分別達(dá)到了29.7%和74.6%。然而，地基豎向位移的降幅有限，僅為4.2%。表明增設(shè)系梁能明顯降低風(fēng)荷載引起的地基水平位移，而對(duì)地基的最大沉降影響不顯著。

圖5為匯總了4種風(fēng)向下不同系梁高度的地基三維變形極值。由圖發(fā)現(xiàn)，與90°風(fēng)向引起的地基變形規(guī)律一致，0°、45°和60°大風(fēng)荷載下增設(shè)系梁均能明顯降低風(fēng)荷載引起的地基水平向位移。設(shè)置2.0 m高系梁后，兩個(gè)水平向的地基位移極值分別降低了29.7%～74.8%和30.5%～74.6%；豎向位移的降幅不明顯。將系梁高度從2.0 m增加到4.0 m時(shí)，風(fēng)荷載引起的地基水平向和豎向位移依然有所降低，但降幅不超過(guò)3.8%。很明顯，系梁高度的進(jìn)一步增大并不能明顯降低風(fēng)荷載引起的地基變形。因此，對(duì)于樁基跨度為75.0 m的跨越塔，建議群樁間系梁的高度不大于2.0 m來(lái)改善地基水平變形。

2.2 系梁設(shè)置對(duì)樁基三維變形影響

圖6和圖7分別為無(wú)系梁和系梁高度為2 m時(shí)三維樁基變形云圖。不設(shè)置系梁時(shí)，90°的風(fēng)荷載導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)承臺(tái)下樁基產(chǎn)生較大的水平向位移，背風(fēng)側(cè)承臺(tái)下樁基的水平向位移明顯偏小。未設(shè)置系梁時(shí)，風(fēng)荷載引起的兩個(gè)水平向和豎向的最大樁基位移(U1、U2、U3)分別為65.9 mm、40.1 mm和63.8 mm。

大跨越塔的群樁樁基澆筑高度為2.0 m的系梁后，4個(gè)群樁基礎(chǔ)共同受力，水平抗力明顯增加。相同的風(fēng)荷載作用下，樁基水平向和豎向位移均有不同程度的降低。系梁高度為2.0 m時(shí)，兩個(gè)水平向和豎向的最大樁基位移(U1、U2、U3)分別降低到46.1 mm、4.92 mm和61.1 mm。與不設(shè)置系梁的工況相比，風(fēng)荷載引起的兩個(gè)水平向和豎向位移分別降低了30.0%、87.7%和4.2%。再次表明，增設(shè)系梁能明顯降低風(fēng)荷載引起的樁基水平向位移。

2.3 系梁高度對(duì)樁基最大變形的影響規(guī)律

圖8為各工況下風(fēng)荷載引起的樁基水平向和豎向位移極值。當(dāng)系梁高度從0 m增加到2 m時(shí)，4種大風(fēng)荷載引起的樁基兩個(gè)水平向位移和豎向位移分別降低了30.0%～88.2%、30.9%～87.7%和4.2%～5.2%。然而，系梁高度從2.0 m增加到4.0 m時(shí)，風(fēng)荷載引起的樁基水平向和豎向位移降低幅度不大于2%。表明系梁高度的增加并不能顯著減低樁基礎(chǔ)的水平向和豎直向位移。這主要是因?yàn)樯喜客翆拥膹?qiáng)度較低，增加系梁高度所提供的水平側(cè)向抗力有限?；谟邢拊獢?shù)值計(jì)算結(jié)果，樁基跨度為75.0 m跨越塔的系梁高度取值為2.0 m。

為了驗(yàn)證本文研究所選用的數(shù)值模擬方法和本構(gòu)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，將研究結(jié)果與公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，詳情如圖8-a所示。本文研究的對(duì)象中，4個(gè)群樁基礎(chǔ)相互距離較遠(yuǎn)，其作用效果等同于群樁和單樁之間。研究得出的樁頂水平位移也處于該文獻(xiàn)研究結(jié)果的單樁和群樁之間，表明本文選用的數(shù)值模擬方法和本構(gòu)模型參數(shù)是合理的。

3 不同支撐樁數(shù)量對(duì)樁基三維變形的影響規(guī)律

圖9為不同支撐樁數(shù)量下樁基三維變形。樁基變形與地基變形規(guī)律類(lèi)似。系梁支撐樁從2根增加到6根時(shí)，樁基變形的降幅小于1%。再次表明，對(duì)于江蘇鳳城—梅里長(zhǎng)江大跨越的跨越塔樁基，系梁支撐樁數(shù)量對(duì)樁基變形的影響甚微，系梁采用2根樁支撐已經(jīng)足夠。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)展樁基—土體—風(fēng)荷載相互作用的三維仿真模擬，系統(tǒng)地研究了長(zhǎng)江航道大跨越群樁基礎(chǔ)間的系梁高度、系梁支撐樁數(shù)量對(duì)基礎(chǔ)受力和變形的影響?；谌S有限元仿真結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)大跨越群樁基礎(chǔ)間不設(shè)置系梁時(shí)，最大水平向位移位于迎風(fēng)側(cè)樁基，其他樁基的水平位移明顯較小。60°、45°風(fēng)荷載引起的樁基變形明顯大于90°和0°風(fēng)荷載工況。(2)大跨越群樁基礎(chǔ)間設(shè)置系梁時(shí)，4個(gè)群樁基礎(chǔ)共同受力，水平抗力明顯增大，風(fēng)荷載引起的樁基水平變形明顯降低。群樁基礎(chǔ)間澆筑高度為2.0 m的系梁后，樁基水平向和豎直向位移的降幅分別介于30.0%～88.2%及4.2%～5.2%。設(shè)置系梁能明顯降低風(fēng)荷載引起的樁基水平位移，但對(duì)樁基沉降的降低幅度有限。(3)地基上部土層強(qiáng)度低，增加系梁高度提供的水平側(cè)向抗力有限。當(dāng)群樁基礎(chǔ)間的系梁高度從2.0 m增加到4.0 m時(shí)，風(fēng)荷載引起的樁基水平向位移降幅不大于4%，且樁基豎向沉降幾乎不受系梁高度的影響。(4)群樁基礎(chǔ)間的系梁支撐樁從2根增加到6根時(shí)，樁基水平向和豎向變形降幅不到1%，表明風(fēng)荷載引起的基礎(chǔ)變形幾乎不受系梁支撐樁的影響?；谙到y(tǒng)的三維仿真模擬，建議樁基跨度為75.0 m跨越塔的系梁高度不大于2.0 m，支撐樁為2根。