巖質(zhì)邊坡開挖對近接桿塔基礎影響分析

劉燕平，周文俊，章李剛，王金昌

（1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

電力是整個國民經(jīng)濟中重要的支撐，基礎作為桿塔和地基之間的連接構(gòu)件，是輸電線路中重要的組成部分，其穩(wěn)定性是輸電線路正常、可靠工作的前提，也關系到整體輸電網(wǎng)絡的安全。桿塔以線狀分布于不同區(qū)域，主要包括平原區(qū)和山嶺區(qū)，而平原區(qū)以表面平整的分布軟土地層為主，而山嶺區(qū)以傾斜的表面含有坡積層不同風化的巖層為主。

在土地資源緊缺以及環(huán)保要求提高的現(xiàn)實狀況下，桿塔建成后不可避免的出現(xiàn)鄰近各種工程建設，譬如開挖、堆填等。新建結(jié)構(gòu)物鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，并可能對既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響的工程稱為近接工程，有關近接工程的施工稱為近接施工[1]。針對周邊近接新建工程施工對桿塔基礎的影響研究尚不多見。巖土體開挖堆卸載工程施工會擾動周邊地層，引起土體應力場變化，影響桿塔基礎，從而對桿塔結(jié)構(gòu)安全和正常使用產(chǎn)生影響，情況嚴重的甚至會導致結(jié)構(gòu)過早的破壞和失效，影響電網(wǎng)的安全使用。本文以山區(qū)桿塔基礎為背景，研究巖質(zhì)邊坡開挖對桿塔基礎的影響。

1 數(shù)值模型建立

1.1 計算模型

計算以典型邊坡橫斷面為例，如圖1所示。整體尺寸為寬210 m、高125 m，分步開挖，每次開挖深度8 m，分5次開挖，邊坡底寬62 m、頂寬112 m。以Plaxis有限元軟件為計算平臺，建立數(shù)值分析模型，采用高次插值函數(shù)的平面三角形 15節(jié)點單元進行網(wǎng)格部分，如圖2所示。模型共1 153個單元，9 738個節(jié)點。計算模型采用平面應變，在模型左、右側(cè)和底部邊界均施加與之相垂直的約束條件。

圖1 邊坡斷面的計算示意圖Fig.1 Calculation diagram of slope section

圖2 有限元網(wǎng)格模型圖Fig.2 Finite element mesh model diagram

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

Plaxis有限元軟件內(nèi)嵌多種經(jīng)典及高級巖土體本構(gòu)模型，能模擬復雜巖土結(jié)構(gòu)和施工過程，在巖土工程研究領域得到廣泛應用。計算采用霍克布朗（Hoek-Brown）經(jīng)驗準則對邊坡進行計算分析。該經(jīng)驗準則采用最大主應力σ1和最小主應力σ3的關系式來描述巖體臨界受力狀態(tài)[2]，見式（1）所示：

式中：mb為完整巖石參數(shù)mi的折減；s，a為巖塊的材料參數(shù)，由地質(zhì)強度指數(shù)GSI和擾動因子D共同確定。

式（1）中的s和a可由式（2）～（4）來確定：

式中：mi可根據(jù)巖石的類型進行確定。

巖石的單軸抗壓強度σc可根據(jù)完整巖石單軸抗壓強度σci確定：

由式（1）～（4）可以看出，巖石的Hoek-Brown強度可由mi、GSI、D和σci這4個參數(shù)進行確定，可以通過查表的方法確定準則中所需的參數(shù)[3]。為簡化起見，本文選取常見巖體礫巖作為代表，采用單一土層進行計算分析。礫巖的基本參數(shù)如下：重度r=25.4 kN/m3，彈性模量Erm=3 700 MPa，泊松比μ=0.15，單軸抗壓強度σci=308 MPa，完整巖石參數(shù)mi=19，地質(zhì)強度指標GSI=55。桿塔基礎以ZF1660灌注樁單樁進行分析，樁長32 m，樁徑1 m，C30混凝土材料，采用嵌入式梁單元進行模擬。

2 巖體參數(shù)敏感性分析

霍克布朗模型雖給出了確定巖體整體抗剪強度的方法，但采用該方法確定的巖石參數(shù)存在一定的主觀性，尤其是巖體參數(shù)GSI是一個范圍值，且不同地質(zhì)人員對相同的巖石所得出的GSI范圍也會出現(xiàn)誤差，需要定量分析這些差異對邊坡穩(wěn)定性計算產(chǎn)生的影響。此外模型中的其他3個參數(shù)單軸抗壓強度σci、完整巖石參數(shù)mi以及擾動因子D對穩(wěn)定性也有影響。完整巖石參數(shù)mi為常量，由巖石的具體種類決定[4]。本文選取礫巖進行研究，對模型的GSI、σci以及D進行敏感性分析，采用計算得到的安全系數(shù)Fs作為指標，通過各曲線的變化趨勢判斷各參數(shù)對邊坡開挖穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)霍克布朗經(jīng)驗準則，擾動因子D取值范圍0.7～1，GSI取值范圍10～80。擾動因子D反應的是爆破效果，是巖體在爆破開挖過程中所受的擾動情形，其值越小越好，但開挖卸載不可避免會改變原有巖體的應力分布。為簡化分析過程，先將mi與D設為定值，D取建議值0.7[5]，即邊坡開挖破壞程度較低，調(diào)整參數(shù)GSI與σci進行參數(shù)敏感性分析，然后再對擾動因子D進行敏感性分析。

2.1 GSI與σci敏感性分析

在霍克布朗模型中，參數(shù)GSI是描述巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面表面特征的指標，圖3為礫巖參數(shù)敏感性曲線，可以看出GSI越大邊坡穩(wěn)定性越高。Fs與GSI的變化規(guī)律可分為兩個部分：當GSI為10～50時，F(xiàn)s-GSI曲線表現(xiàn)為線性相關，且Fs增長趨勢較為平緩；GSI為 50～90時，F(xiàn)s-GSI曲線表現(xiàn)為指數(shù)關系，安全系數(shù)Fs隨GSI的增加而急劇增加。σci為巖體的單軸抗壓強度，在圖4的Fs-σci曲線中可以發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)隨σci近似線性增大。但當GSI=10，σci＜40 MPa后，由于參數(shù)整體取值過小導致模型計算失敗，出現(xiàn)部分曲線數(shù)據(jù)缺失。

圖3 Fs-GSI曲線Fig.3 Fs-GSI curve

圖4 Fs-σci曲線Fig.4 Fs-σci curve

2.2 擾動因子D敏感性分析

擾動因子D反映了邊坡開挖對原有巖體的擾動程度，擾動越小D值越小，邊坡安全系數(shù)Fs越高。圖5為不同擾動因子下不同的抗壓強度GSI和σci對邊坡安全系數(shù)Fs的影響，從Fs-D曲線的整體變化趨勢可以看出，其與Fs-σci曲線一樣呈線性相關，F(xiàn)s隨D的增加而減小。圖中GSI=10曲線部分數(shù)據(jù)缺失原因同2.1節(jié)。

圖5 Fs-D曲線Fig.5 Fs-D curve

上述參數(shù)各自具有不同的物理意義，為直觀判斷各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的大小，采用相對誤差的方法對數(shù)據(jù)進行處理。假設系統(tǒng)特性L是由n個因素a={a1，a2,…,an}共同決定，系統(tǒng)模型表述為L=f{a1，a2,…,an}，系統(tǒng)特性為L*。各因素的變動都在各自變動范圍內(nèi)變化，某因數(shù)引起系統(tǒng)特性L*偏離基準狀態(tài)L為ΔL，敏感性δk(ak)具體描述為：δk(ak)=(|△L|/L)/(|△a|/ak)。GSI、σci和D這3個變量分析結(jié)果如圖6所示，通過求解曲線交點處斜率來判斷各參數(shù)的敏感性變化。可以發(fā)現(xiàn)圖中各曲線斜率kGSI＞kD＞kσci，因此判斷敏感性GSI＞D＞σci，安全系數(shù)Fs對地質(zhì)參數(shù)GSI最為敏感。

圖6 各參數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation of each parameter

3 開挖對桿塔基礎變形及影響區(qū)劃分

3.1 變形特性分析

開挖過程中不同開挖深度下的位移等值線分布規(guī)律總體相似，其中第一次開挖和第五次開挖位移等值線分布如圖7所示。隨著開挖深度的增加，最大位移逐步增加，并向遠場傳遞。最大位移等值線由開挖的底部向右下方逐步減小，對于不同位置處的桿塔基礎位于不同的位移等值線影響范圍內(nèi)，受邊坡開挖的影響也有差異。因此在實際工程應用中，應該結(jié)合桿塔與坡頂?shù)南鄬ξ恢脛澐趾侠淼挠绊懛秶苊鈼U塔基礎產(chǎn)生過大變形。

圖7 不同開挖工況總位移分布圖Fig.7 Total displacement distribution of different excavation conditions

3.2 位移影響區(qū)劃分

提取不同開挖工況下坡底及距離坡頂不同位置處（5～30 m，間隔5 m）的桿塔基礎（0～30 m，間隔5 m）最大位移，見表1所示。由表可知，邊坡開挖產(chǎn)生的最大位移在坡底，其最大位移遠大于位于坡頂不同距離的桿塔基礎的位移；同一工況下距離坡頂水平距離越遠，開挖產(chǎn)生的位移越小。

表1 不同位置的最大位移Table 1 Maximum displacement at different positions

根據(jù)上述位移影響分析，參考《架空輸電線路桿塔基礎設計規(guī)范》[6]第 9.6.3條中規(guī)定的不同地基土類別下單樁水平位移，以±10 mm最大位移為控制值，±5 mm最大位移為警戒值，繪制不同工況下桿塔基礎最大位移等值線分布圖如圖8所示。定義最大位移小于5 mm的為弱影響區(qū)；最大位移大于5 mm且小于10 mm的為中影響區(qū)，該范圍內(nèi)的桿塔基礎雖然位移尚未達到控制值，但應引起高度重視，進行合理的監(jiān)測，采取有效的防范措施，并制定應急處理方案，防止基礎變形繼續(xù)增加；最大位移大于 10 mm的為強影響區(qū)，其位移超過控制值，在基坑施工過程中必須采取相應措施對桿塔基礎進行保護，使位移滿足控制要求。

圖8 不同開挖工況下桿塔基礎最大水平位移等值線分布圖Fig.8 Isoline of maximum lateral displacement of tower foundation under different excavation conditions

4 結(jié) 論

本文基于Plaxis有限元軟件建立了典型巖質(zhì)邊坡開挖數(shù)值模型，得出以下結(jié)論：

（1）對霍克布朗準則進行敏感性分析，從計算結(jié)果得出參數(shù)敏感性為GSI＞D＞σci。

（2）巖質(zhì)邊坡開挖時最大位移位于開挖底面處，隨著開挖深度的增加，最大位移逐步增加，并向遠場傳遞。

（3）邊坡開挖將引起坑外近接桿塔基礎產(chǎn)生變形，根據(jù)開挖變形特性和桿塔基礎的控制標準，可將開挖變形影響區(qū)劃分為弱影響區(qū)、中影響區(qū)和強影響區(qū)。

此外，邊坡開挖對桿塔基礎的影響不僅與開挖深度、坡頂和塔基的水平距離有關，還與塔基的樁長等相關，日后還應繼續(xù)進行深入研究。同時，桿塔基礎的存在也會改變巖土體剛度，影響位移場分布特點，因此對于邊坡開挖對既有桿塔基礎的影響，也應結(jié)合具體情況單獨分析，判斷對結(jié)構(gòu)的擾動程度，從而進行針對性保護。