某高壓鐵塔塔基邊坡支擋設(shè)計(jì)研究

江 磊, 李業(yè)根

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著我國(guó)城市的不斷發(fā)展與擴(kuò)張,市政道路沿線的建設(shè)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜,道路設(shè)計(jì)不可避免地會(huì)臨近既有建(構(gòu))筑物,并在施工過(guò)程中可能對(duì)其產(chǎn)生不利影響。輸電鐵塔是高壓輸電線路中最重要的受力構(gòu)件,我國(guó)常見(jiàn)的鐵塔形式有自立式、拉線式、鋼筋混凝土塔以及鋼管桿塔等,其中干字自立式桿塔因結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單,在220～500 kV輸電線路中最為常用[1]。

高壓輸電鐵塔屬高聳結(jié)構(gòu)物,各塔基相互獨(dú)立且對(duì)不均勻沉降較為敏感[2]。臨近高壓鐵塔進(jìn)行路基邊坡支擋施工時(shí)引起的地層位移可能導(dǎo)致塔基出現(xiàn)差異沉降,進(jìn)而危及輸電線路的正常運(yùn)營(yíng)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全,因此存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)[3]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,使得數(shù)值模擬分析越來(lái)越多地應(yīng)用于巖土工程中[4]。MIDAS/GTS巖土有限元分析軟件具有界面簡(jiǎn)潔、材料模型豐富、前后處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn),可運(yùn)用于多種巖土工程分析場(chǎng)景[5]。本文將結(jié)合工程實(shí)例,采用MIDAS/GTS軟件對(duì)臨近排樁施工所引起的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)水平位移及不均勻沉降進(jìn)行分析,繼而評(píng)價(jià)排樁施工對(duì)鐵塔的影響程度。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

合肥市清溪路作為新高鐵西站市政配套道路之一,擬進(jìn)行高架化改造,在樁號(hào)K0+900位置高架橋下穿220kV高壓輸電線路。該處現(xiàn)狀塔基邊坡采用漿砌塊石防護(hù),長(zhǎng)25 m、寬3.5 m、高4.0 m,由于其體積較大,侵占了本次設(shè)計(jì)非機(jī)動(dòng)車(chē)道及人行道空間,致使樁號(hào)K0+890～K0+920段慢行系統(tǒng)缺失。擬在此處設(shè)置排樁支擋,以替代現(xiàn)狀漿砌塊石砌體,為本次道路改造慢行系統(tǒng)的實(shí)施創(chuàng)造空間。

現(xiàn)狀高壓鐵塔基礎(chǔ)為4根等長(zhǎng)鋼筋混凝土樁,樁長(zhǎng)10 m,樁徑1.4 m,沿道路方向樁間距為8.35 m,垂直道路方向樁間距為9.10 m。

圖1 高壓鐵塔現(xiàn)狀斷面示意圖

1.2 工程地質(zhì)條件

高壓鐵塔位置勘探揭露的地層自上而下分別為①層雜填土、②層黏土、⑤1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑤2中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。各巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖(土)層物理力學(xué)參數(shù)

2 塔基邊坡支擋設(shè)計(jì)及分析

2.1 支擋設(shè)計(jì)方案

為確保原漿砌塊石砌體路段慢行系統(tǒng)得以實(shí)施,本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用直立式支擋結(jié)構(gòu),避免侵占道路紅線。塔基邊坡高度約4.0 m,擬采用排樁支護(hù),樁長(zhǎng)10.0 m、樁徑1.0 m、樁間距1.8 m,樁身采用C35強(qiáng)度混凝土。樁頂部設(shè)置冠梁,冠梁尺寸為1.2 m×1.0 m,采用C35強(qiáng)度混凝土,樁身鋼筋預(yù)埋至冠梁內(nèi)部。樁間擋板采用樁前掛板,掛板采用后植筋與樁體相連。同時(shí)為限制樁頂位移,減小高壓輸電鐵塔的影響,冠梁處設(shè)置一排預(yù)應(yīng)力錨索(3束Φ15.2鋼絞線,fpy為1220 MPa),錨索長(zhǎng)18 m(自由段長(zhǎng)9 m,錨固段長(zhǎng)9 m),下傾角度為30°,錨固體直徑150 mm,錨索水平間距3.6 m(避讓現(xiàn)狀高壓鐵塔樁基礎(chǔ)),錨索施加預(yù)應(yīng)力100 kN。

2.2 支擋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

(1)錨索鋼筋截面積驗(yàn)算

根據(jù)《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)(下同)8.2.2條,錨索鋼筋截面積應(yīng)滿(mǎn)足下式(1)要求:

(1)

式中:As為預(yù)應(yīng)力錨索截面面積(m2);fpy為預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa);Kb為抗拉安全系數(shù),取2.2。經(jīng)計(jì)算,As=5.44×1-4m2>1.80×1-4m2,滿(mǎn)足要求。

(2)錨固段長(zhǎng)度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范8.2.3條,錨桿(索)錨固體與巖土層間的長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足下式(2)要求:

(2)

式中:K為錨固體抗拔安全系數(shù),取2.6;la為錨固段長(zhǎng)度(m);D為錨固段鉆孔直徑(mm);frbk為巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。經(jīng)計(jì)算,la≥8.5 m,滿(mǎn)足要求。

(3)錨筋與砂漿間錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范8.2.4條,錨索與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足下式(3)的要求:

(3)

式中:la為錨筋與砂漿間的錨固長(zhǎng)度(m);d為錨筋直徑(m);n為錨筋根數(shù)(根);fb為錨筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa)。經(jīng)計(jì)算,la≥0.90 m,滿(mǎn)足要求。

(4)整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用畢肖普條分法計(jì)算得邊坡安全系數(shù)為6.14,滿(mǎn)足一級(jí)邊坡安全系數(shù)要求。

2.3 位移影響分析

2.3.1 模型建立

由于高壓輸電鐵塔對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降影響敏感,因此需建立三維數(shù)值模型，如圖2所示，以分析拆除現(xiàn)狀漿砌塊石砌體以及排樁施工對(duì)鐵塔樁基礎(chǔ)的影響。

圖2 三維數(shù)值分析模型

考慮施工影響范圍,水平及豎向計(jì)算范圍按塔基樁基礎(chǔ)2倍樁長(zhǎng)選取,模型尺寸為50 m×50 m×20 m。巖土體及漿砌塊石砌體采用3D實(shí)體單元,樁采用1D梁?jiǎn)卧?錨索采用1D植入式桁架單元,漿砌塊石兩側(cè)現(xiàn)狀擋墻采用2D板單元。模型共計(jì)20325個(gè)節(jié)點(diǎn),26934個(gè)單元。土層采用摩爾-庫(kù)侖(M-C)本構(gòu)模型,混凝土、錨索、巖層采用各向同性彈性模型。

2.3.2 分析工況

模擬分為三個(gè)施工階段,分別為初始地應(yīng)力平衡階段;排樁施工階段以及漿砌塊石砌體拆除階段。電力設(shè)計(jì)單位提供的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)樁頂最不利工況受力情況如圖3所示。

圖3 高壓鐵塔樁基礎(chǔ)受力圖

2.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)高壓鐵塔樁基礎(chǔ)水平位移分析。排樁施工完畢工況下的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)樁頂水平位移如圖4所示,樁頂水平位移最大值為-0.215 2 mm,方向向內(nèi)(即背離清溪路一側(cè),下同),最大水平位移差值為0.212 6 mm。拆除漿砌塊石砌體工況下的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)樁頂豎向位移如圖5所示,樁頂水平位移最大值為0.710 3 mm,方向向外(即朝向清溪路一側(cè),下同),最大豎向位移差值為0.566 3 mm。

圖4 排樁施工后鐵塔樁基礎(chǔ)水平位移

圖5 拆除漿砌塊石砌體后鐵塔樁基礎(chǔ)水平位移

(2) 高壓鐵塔樁基礎(chǔ)豎向位移分析。排樁施工完畢工況下的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)樁頂豎向位移如圖6所示,樁頂豎向位移最大值為-0.010 2 mm,方向向下,最大豎向位移差值為0.009 9 mm。拆除漿砌塊石砌體工況下的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)樁頂豎向位移如圖7所示,樁頂豎向位移最大值為0.004 8 mm,方向向上,最大豎向位移差值為0.003 3 mm。

圖6 排樁施工后鐵塔樁基礎(chǔ)豎向位移

圖7 拆除漿砌塊石砌體后鐵塔樁基礎(chǔ)豎向位移

(3)排樁位移分析。拆除漿砌塊石砌體工況下的排樁水平位移如圖8所示,水平位移最大值為0.886 3 mm,方向向外;豎向位移如圖9所示，豎向位移最大值為-0.189 1 mm,方向向下。

圖8 拆除漿砌塊石砌體后排樁水平位移

圖9 拆除漿砌塊石砌體后排樁豎向位移

3 結(jié) 論

本文利用MIDAS/GTS軟件建立了拆除漿砌塊石砌體對(duì)高壓鐵塔樁基礎(chǔ)影響的三維數(shù)值分析模型,通過(guò)對(duì)水平位移、豎向位移的分析可知,拆除漿砌塊石砌體對(duì)高壓鐵塔樁基礎(chǔ)的影響較小,滿(mǎn)足電力部門(mén)提出的高壓鐵塔樁基礎(chǔ)及排樁支擋結(jié)構(gòu)最大豎向及水平位移不大于2 mm的要求。計(jì)算結(jié)果表明,設(shè)計(jì)所采用的排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支擋結(jié)構(gòu)方案可確保高壓鐵塔的運(yùn)營(yíng)安全。