濕陷性黃土區(qū)輸電塔基礎(chǔ)增濕變形及土工布應(yīng)用研究

摘 要：某750kV輸電線路的塔基工程地質(zhì)以濕陷性黃土為主，為了提高輸電塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，并且制定合理的塔基施工方案，研究過程采用數(shù)值模擬方法，分析了濕陷性黃土遇水后的增濕變形情況。按照塔基載荷與灰土墊層的設(shè)計(jì)差異，將其劃分為4種類型，編號(hào)為I、II、III、IV，浸水增濕的總時(shí)長為48h，模擬基土的豎向沉降和水平位移。研究過程得出以下結(jié)論：I、II、III號(hào)塔基施工方案的基土增濕變形量較小，能夠滿足工程要求；IV號(hào)塔基施工方案的基土沉降量過大，不符合要求；在輸電塔基礎(chǔ)施工階段，可通過土工布提高濕陷性黃土的防滲效果，降低其變形量。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土區(qū)；輸電塔基礎(chǔ)；增濕變形；土工布應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM 75；TU 475" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

干燥的濕陷性黃土遇水后容易發(fā)生變形，在此類地質(zhì)條件下開展高壓輸電線路塔基施工時(shí)，應(yīng)該評(píng)估濕陷性黃土的變形量，進(jìn)而制定可行的施工方案，提高塔基的穩(wěn)定性。國內(nèi)學(xué)者對(duì)相關(guān)的施工技術(shù)開展了較廣泛的研究。任文博等[1]在急速增濕條件下分析了濕陷性黃土中的樁基承載力特性。代偉[2]探究了濕陷性黃土地質(zhì)中擠密樁的施工技術(shù)。徐文濤等[3]利用增濕強(qiáng)夯施工對(duì)大厚度濕陷性黃土地基進(jìn)行處理。

在此次研究中，以高壓輸電線路混凝土塔基施工為背景，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬方法分析塔基周圍濕陷性黃土的增濕變形情況，為基礎(chǔ)施工提供了可靠的參考依據(jù)。在基土處理階段，將土工布作為防滲材料，用于改善濕陷性黃土的防水性。

1 輸電線路工程概況

國內(nèi)某750kV輸電線路全長為146km，所在地區(qū)以濕陷性黃土為主。對(duì)地下2m～4m的黃土進(jìn)行取樣，并且檢測(cè)土樣的主要物理指標(biāo)，結(jié)果見表1。高壓輸電線路對(duì)鐵塔混凝土基礎(chǔ)的穩(wěn)定性提出了較高的要求，但濕陷性黃土含水量較高，承載力和穩(wěn)定性較差，因此需要利用土工布對(duì)地基進(jìn)行加固處理。以下著重分析黃土增濕變形情況和土工布施工方法。

2 濕陷性黃土區(qū)輸電塔基礎(chǔ)地基增濕變形數(shù)值模擬

濕陷性黃土遇水變形量較大，可導(dǎo)致輸電塔基礎(chǔ)沉降，影響電力輸電線路。以下運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析輸電塔基礎(chǔ)的增濕變形情況。

2.1 輸電塔塔基施工方案擬定

結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況，其輸電塔基礎(chǔ)可采用4種類型，編號(hào)為I、II、III、IV，具體如圖1所示。輸電塔基礎(chǔ)I的頂部豎向載荷、水平載荷分別達(dá)到1900kN、510kN，底部設(shè)置有高2000mm、長7400mm的灰墊層。輸電塔基礎(chǔ)II頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1300kN、260kN，底部設(shè)置有高2000mm、長6200mm的灰墊層。輸電塔基礎(chǔ)III頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1240kN、179kN，底部設(shè)置有高1500mm、長10800mm的灰墊層，上部設(shè)置高500mm、長10800mm的灰土防水層。輸電塔基礎(chǔ)IV頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1560kN、250kN，在基礎(chǔ)上部設(shè)置高500mm、長8100mm的灰土防水層。

2.2 有限元計(jì)算模型構(gòu)建

2.2.1 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

研究過程利用MIDAS軟件對(duì)輸電塔基增濕變形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，在計(jì)算單元內(nèi)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑W(wǎng)格單元的長度和高度分別為20cm、20cm，計(jì)算區(qū)域可劃分為4320個(gè)網(wǎng)格單元。

2.2.2 基土增濕模擬方案

增濕變形是指輸電塔基礎(chǔ)受到降雨的影響，濕陷性黃土吸收水分，出現(xiàn)沉降變形。因此，在數(shù)值模擬過程中，需要設(shè)置降雨增濕條件，具體按照表2設(shè)置模擬條件。在降雨的初始階段，濕陷性黃土吸水能力較強(qiáng)，入滲強(qiáng)度變高。隨著土體吸水量增加，逐漸趨于飽和狀態(tài)，因此入滲強(qiáng)度在后期呈下降的趨勢(shì)。

2.3 濕陷性黃土本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)設(shè)置

在有限元模擬過程中，需要通過本構(gòu)模型計(jì)算載荷、材料、應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，濕陷性黃土的變形量計(jì)算結(jié)果與本構(gòu)模型存在緊密的聯(lián)系。針對(duì)濕陷性黃土，其本構(gòu)模型推薦采用鄧肯-張E-μ模型[4]。該模型明確了土體破壞比、土料初始切線模量、土料受載荷作用時(shí)的切線模量以及泊松比的計(jì)算方法，如公式（1）所示。

（1）

式中：Rf為土體的破壞比；σ1和σ3分別為土體的第一、第三主應(yīng)力；（σ1-σ3）為土體破壞的偏應(yīng)力大小；f為偏應(yīng)力；ult為極限偏應(yīng)力。

土體的初始切線模量如公式（2）所示。

（2）

式中：Ei為初始切線模量；K為土體材料彈性模量的無因次基數(shù)；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；n為彈性模數(shù)指數(shù)。

在數(shù)值模擬過程中，切線模量隨著土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化而不斷改變，相應(yīng)的計(jì)算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：Et為切線模量隨土體內(nèi)摩擦角和黏聚力變化的計(jì)算值；c為土體的黏聚力；?為土體的內(nèi)摩擦角。

泊松比如公式（4）所示。

（4）

式中：μt為土體材料的泊松比；G為體積模量的推導(dǎo)參數(shù)；F為描述土體材料橫向變形與軸向變形比例關(guān)系的參數(shù)；D為描述土體材料體積和形狀變化關(guān)系的參數(shù)。

在公式（1）～公式（4）中，參數(shù)K、n、Rf、c、?、G、F、D的計(jì)算取值見表3。

2.4 輸電塔基礎(chǔ)增濕變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 輸電塔基礎(chǔ)頂部土體變形模擬結(jié)果分析

針對(duì)該項(xiàng)目的4種輸電塔基礎(chǔ)構(gòu)造方式，將浸水增濕過程分為2個(gè)階段，第一階段浸水時(shí)長為30h，第二階段模擬浸水時(shí)長為18h，共計(jì)48h。觀察塔基頂部濕陷性黃土地基在48h后的變形情況，結(jié)果如圖2和圖3所示。在增濕變形條件下，塔基頂部土體左側(cè)豎向沉降為4cm～24cm，水平位移為-8cm～2cm；塔基頂部土體右側(cè)豎向沉降為3cm～25cm，水平位移為-4.5cm～3cm。對(duì)比4種塔基結(jié)構(gòu)的變形量，IV塔基最大沉降量可達(dá)到25cm，不滿足工程要求。

2.4.2 輸電塔基礎(chǔ)底部土體變形模擬結(jié)果分析

塔基底部設(shè)計(jì)有灰土墊層，對(duì)塔基底部土體在浸水增濕情況下的變形量進(jìn)行模擬，結(jié)果見表4。由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)塔基結(jié)構(gòu)為I、II、III時(shí)，土體增濕變形量較小，最大豎向沉降為2.0cm，最大水平位移為-0.5cm。當(dāng)塔基結(jié)構(gòu)編號(hào)為IV時(shí)，底部黃土豎向沉降量達(dá)到18cm，沉降量偏高，不符合工程要求。

3 土工布在濕陷性黃土基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用方法

在第2節(jié)中通過有限元模擬確定了4種塔基結(jié)構(gòu)周圍濕陷性黃土的增濕變形情況，方案IV變形量偏大，不宜采用。為了進(jìn)一步提高濕陷性黃土地基的穩(wěn)定性，在施工過程中可利用土工布對(duì)黃土地基進(jìn)行處理，以提高其防滲性，其應(yīng)用方法如下。

3.1 土工布應(yīng)用條件

土工布需要結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)輸電塔基礎(chǔ)位于灌溉區(qū)域并且濕陷性等級(jí)較高時(shí)，應(yīng)使用土工布處理地基。濕陷性等級(jí)的劃分方式見表5，當(dāng)濕陷性等級(jí)為中等和強(qiáng)烈濕陷時(shí)，應(yīng)采用土工布。

3.2 土工布在濕陷性黃土地基中的施工要點(diǎn)

當(dāng)利用土工布處理濕陷性黃土地基時(shí)，在輸電塔混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下部設(shè)置灰土墊層，同時(shí)沿著灰土墊層四周設(shè)置灰土隔水墻[5]。土工布的主要作用為防水，避免地面滲水侵蝕灰土隔水墻和灰土墊層。因此，當(dāng)回填夯實(shí)塔基填土?xí)r，在灰土隔墻上部一定距離設(shè)置土工布，施工要點(diǎn)如下。

3.2.1 土工布鋪設(shè)面處理

在鋪設(shè)土工布前，應(yīng)該清理鋪設(shè)面基土中的樹根、草根以及其他尖銳的突出物。清理完成之后，在基土表面灑水，通過滾筒將表面處理平整，提高基層與土工布的吻合度。

3.2.2 土工布鋪設(shè)

在輸電塔基礎(chǔ)外圍挖設(shè)1道溝槽，其寬度和深度分別設(shè)計(jì)為20cm、30cm。溝槽開挖完成后，將土工布的端頭鋪設(shè)在溝槽內(nèi)，上部回填覆土，發(fā)揮固定作用[6]。隨后開始鋪設(shè)土工布，確保其張馳度、搭接寬度、平整度滿足要求。在鋪設(shè)過程中，按照3.0m的間隔設(shè)置砂袋，防止鋪設(shè)完成的土工布發(fā)生位移。土工布以膜焊布縫的方式進(jìn)行連接。土工布鋪設(shè)完成后，立即組織開展上覆層回填工作。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目為750kV高壓輸電線路，所在地區(qū)以濕陷性黃土為主，遇水增濕后容易發(fā)生變形，影響塔基的穩(wěn)定性。為了制定合理的施工方案，研究過程運(yùn)用有限元分析法模擬濕陷性黃土地基的增濕變形情況，得出以下結(jié)論。1）塔基施工初步擬定了4種作業(yè)方案，編號(hào)為I、II、III、IV，4種方案的區(qū)別在于灰土墊層和灰土防水層。經(jīng)過有限元數(shù)值模擬，對(duì)比塔基左右兩側(cè)濕陷性黃土的沉降量和水平位移。結(jié)果顯示，I、II、III施工方案的整體變形量較小，而方案IV的豎向沉降量可達(dá)到25cm，沉降值過大，不滿足要求。因此，塔基施工方案不宜采用方案IV。2）為了進(jìn)一步提高濕陷性黃土地基的穩(wěn)定性，在施工過程中可引入土工布，將其鋪設(shè)在塔基灰土隔墻和灰土墊層上方。土工布具有良好的防滲性，可減少降雨或者灌溉水對(duì)塔基的影響。另外，在塔基周圍應(yīng)設(shè)置排水通道，避免形成積水。

參考文獻(xiàn)

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