降雨條件下輸電塔桿基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析

程 錚

（福建省電力建設(shè)工程咨詢有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

降雨是影響輸電線路塔基抗拔樁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，隨著降雨的入滲，會(huì)使下部土體由非飽和轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài)，進(jìn)而影響抗拔樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性能。

很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，陳仁朋等使用不同含水率的兩種粉質(zhì)土體（49.0%與100%）研究抗拔樁的極限承載力，結(jié)果表明，與非飽和土體相比，飽和土體下的極限承載力下降幅度達(dá)到30%～50%；張西等使用靜載試驗(yàn)分析了浸水作用下土體的抗剪承載力及上拔承載力，結(jié)果表明，浸水后的土體抗剪承載力減少、上拔承載力增加；袁乾坤等使用試驗(yàn)研究的方法，分析了兩種抗拔樁（截面樁及根式樁）在不同粗糙程度的樁土截面下的極限承載力大??；其他學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。

該研究對(duì)降雨條件下輸電塔桿基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究輸電塔桿基礎(chǔ)抗拔樁在降雨條件下的Q-S變化趨勢(shì)及極限承載力變化。

1 工程概況

該工程線路起于建嵐后220kV變電站，止于已建大京110kV線路π接點(diǎn)（京東線#10塔）。該工程按220kV和110kV進(jìn)行分段建設(shè)，該期降壓為110kV線路運(yùn)行，遠(yuǎn)期改接入220kV長春變，升壓形成嵐后～長春雙回220kV線路。線路路徑全長為25.728km，采用單回路電纜與雙回路架空鐵塔混合建設(shè)，其中嵐后變出線段路徑長為0.38km，采用110kV電纜單回敷設(shè)，擬建長春變附近至π接點(diǎn)長為2.644km，采用110kV雙回路鐵塔架設(shè)，其余段長為22.704km，采用220kV雙回路鐵塔架設(shè)。

2 模型建立

為了驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，該研究將荷載-位移值的現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2.1 土體物理力學(xué)性質(zhì)

該研究以某區(qū)域內(nèi)的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)

試驗(yàn)中為了保持土體力學(xué)性能，使用人工挖孔樁的方法成樁，進(jìn)而在樁孔中吊入鋼筋籠、灌注混凝土，在適宜環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，形成輸電線路基礎(chǔ)。試驗(yàn)過程中，使用RSJYC采集樁基在靜載下的上拔荷載-上拔位移曲線，得到-如圖1所示。

圖1 靜載下抗拔樁Q- S曲線

2.3 建立數(shù)值分析模型

輸電線路基礎(chǔ)如圖2所示，在水平方向上，該抗拔樁為軸對(duì)稱圖形，選取抗拔樁的1/4結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象建立數(shù)值分析模型，模型尺寸為14.0m×14.0m×10.2m，共計(jì)24321個(gè)單元、27235個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

圖2 基礎(chǔ)平面圖

建立模型的邊界條件及模型設(shè)置見表2。

表2 模型邊界條件及模型設(shè)置

2.4 結(jié)果對(duì)比分析

將現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果繪制于同一圖中，如圖3所示，可知現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果差值較小。對(duì)抗拔樁力學(xué)性能影響較大的3個(gè)荷載參數(shù)為臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載。對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，臨塑荷載為600.0kN、極限承載力荷載為1920.0kN、破壞荷載為2000.0kN，對(duì)比現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算得到的臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載對(duì)應(yīng)的位移值可知，3個(gè)荷載參數(shù)對(duì)應(yīng)的位移值差值為7.81%、13.50%、4.12%。綜上所述，建立的數(shù)值分析模型具有較高的可靠性，可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)高壓輸電基礎(chǔ)的實(shí)際抗拔性能。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬Q-S曲線

3 降雨條件下基礎(chǔ)抗拔數(shù)值模擬分析

3.1 降雨條件下滲流參數(shù)的確定

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的1985—2019年降雨量變化值如圖4所示。

圖4 降雨量變化值

由現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，該地1985—2019年最大降雨量為240.0mm/6h，基于現(xiàn)場降雨量可以得到降雨強(qiáng)度為1.0×10m/s。由已有研究可知：當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的滲透系數(shù)時(shí)，土體滲透率為實(shí)際工況下土體的土體滲透系數(shù)；當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體的滲透系數(shù)時(shí)，土體滲透率為實(shí)際工況下的降雨強(qiáng)度值。在實(shí)際模型計(jì)算中，非飽和土的相關(guān)參數(shù)取值見表3。

表3 非飽和土的相關(guān)參數(shù)取值

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

使用數(shù)值模擬方法可以得到當(dāng)降雨天數(shù)為0天、1天、3天、5天、7天時(shí)土體的孔壓變化特征。隨著雨水的初始入滲，土體經(jīng)歷了由非飽和向飽和滲流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、土體孔壓由-160kPa增加到0kPa；同時(shí)隨著土體雨水的不斷入滲，土體中孔壓為零的區(qū)域逐漸下移，土體中非飽和區(qū)域向飽和區(qū)域轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出明顯的梯度變化狀態(tài)。

隨著降雨不斷向土體中入滲，飽和土區(qū)域體積和土體密度不斷增大，抗拔樁的抗拔性能得到增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)了輸電塔桿的抗拔承載性能；同時(shí)，隨著降雨不斷向土體入滲，土體的基質(zhì)吸力不斷和抗剪強(qiáng)度不斷減少，進(jìn)而導(dǎo)致輸電塔桿的抗拔承載性能減弱。當(dāng)降雨時(shí)間為0天、1天、3天、5天、7天時(shí)，輸電塔桿基礎(chǔ)抗拔承載性能的-曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同降雨條件下的Q-S曲線

圖6 不同降雨條件下的S-t曲線

當(dāng)上拔荷載<600kN且上拔荷載值相同時(shí)，降雨天數(shù)越長，基礎(chǔ)上拔位移值越低，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區(qū)域不斷增大，土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響。

當(dāng)上拔荷載=600kN且降雨時(shí)間達(dá)到1天與3天時(shí)，降雨天數(shù)越長，基礎(chǔ)上拔位移值越低，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區(qū)域不斷增大，土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響；當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到5天與7天時(shí)，降雨天數(shù)越長，基礎(chǔ)上拔位移值越大，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區(qū)域不斷增大，土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響。

在上拔荷載＞600kN且上拔荷載值相同的條件下，降雨天數(shù)越長，基礎(chǔ)上拔位移值越大，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區(qū)域不斷增大，土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響，土體基質(zhì)吸力減少對(duì)樁體抗拔性能的影響起主導(dǎo)作用。以上分析表明，上拔荷載在600kN時(shí)為臨界狀態(tài)。

4 降雨對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載性能的影響

隨著降雨時(shí)間的增加，基礎(chǔ)樁體的極限承載力變化特征如圖7所示。

圖7 不同降雨條件下的極限承載力變化曲線

基礎(chǔ)樁體極限承載力隨著降雨入滲時(shí)間的增加而逐漸減少，當(dāng)降雨時(shí)間為0天時(shí)，基礎(chǔ)樁體極限承載力為1920.0kN；當(dāng)降雨時(shí)間為7天時(shí)，降雨入滲深度達(dá)到基礎(chǔ)埋深的60%（距基礎(chǔ)表面約為4.20m），基礎(chǔ)樁體極限承載力為1610.0kN，降低了16.15%。因此抗拔樁極限承載力減少量與降雨入滲深度有關(guān)，在一定降雨入滲深度范圍內(nèi)，降雨入滲深度越大，抗拔樁極限承載力數(shù)值衰減速度越快。

5 結(jié)語

數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，建立的數(shù)值模型能較好地反映上拔荷載與上拔位移之間的關(guān)系；當(dāng)上拔荷載小于比例界限值600kN時(shí)，土體重度增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響；當(dāng)上拔荷載大于比例界限值600kN時(shí)，土體重度增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響；抗拔樁極限承載力與降雨入滲深度有關(guān)，當(dāng)降雨入滲深度越大時(shí)，抗拔樁極限承載力減少速度越大。