何運(yùn)祥，徐力，聶衛(wèi)平

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣州市 510663)

0 引言

目前，對邊坡上輸電桿塔的穩(wěn)定性研究多基于平坦地勢的結(jié)果，或者集中考慮桿塔結(jié)構(gòu)的變化響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)下部的土體和邊坡的穩(wěn)定性研究較少［1-2］，如風(fēng)荷載作用下塔基的邊坡，特別是高邊坡的穩(wěn)定影響分析并不多見［3］。隨著我國電力建設(shè)的發(fā)展，輸電線路走廊越來越緊缺，線路路徑區(qū)域的地形越來越復(fù)雜，山區(qū)輸電線路的桿塔基礎(chǔ)將不可避免地位于山頂或半山腰等陡峭地勢［4-6］，因此，研究輸電線路塔位邊坡的穩(wěn)定性有著重要的工程價值［7-8］。500 kV臚崗—禎州送電線路工程B09號原狀土桿塔基礎(chǔ)外緣離坡肩距離較近，該邊坡在自身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上還要承擔(dān)較大的桿塔荷載，邊坡穩(wěn)定存在著相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險［9-10］。本文針對該桿塔臨坡基礎(chǔ)邊坡，采用強(qiáng)度折減法對其邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，分析了坡角、坡頂距、基礎(chǔ)埋深對邊坡穩(wěn)定的影響。

1 強(qiáng)度折減法

1.1 強(qiáng)度折減法原理

將巖體工程材料的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)Ft，得到一組新的粘聚力c'、內(nèi)摩擦角φ'，將其作為新的力學(xué)參數(shù)代入有限元方程試算，當(dāng)邊坡符合給定的臨界破壞的判定條件時，所對應(yīng)的折減系數(shù)Ft被稱為邊坡的最小穩(wěn)定系數(shù)Fs，即強(qiáng)度折減安全系數(shù)。計算中，假設(shè)彈性模量、泊松比為不隨c、φ變化的定值［11-13］。

1.2 邊坡失穩(wěn)判據(jù)

邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)，則會產(chǎn)生較大位移，滑動體由靜定狀態(tài)變?yōu)殪o不定狀態(tài)，邊坡上特征點(diǎn)的位移呈現(xiàn)無限增大趨勢。其塑性應(yīng)變也表現(xiàn)為無限增長的趨勢，同時，塑性應(yīng)變區(qū)自坡腳貫通至坡頂［12］?？傊?，采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題是如何根據(jù)計算結(jié)果來判別邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。目前，常用的邊坡失穩(wěn)判據(jù)主要有:迭代求解的不收斂性、廣義剪應(yīng)變貫通、塑性區(qū)貫通、邊坡內(nèi)某點(diǎn)的位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線等［13-14］。采用這些方法來確定安全系數(shù)具有其各自的特點(diǎn)和實(shí)用性。本文根據(jù)靜力平衡計算是否收斂、特征點(diǎn)的水平位移是否有無限增長的趨勢以及剪應(yīng)變增量是否貫通來評判邊坡的總體穩(wěn)定性［12］。

2 工程概況及其三維有限元模型

2.1 工程概況

500kV臚崗—禎州送電線路為同塔雙回線路，全長約186.35 km，途經(jīng)地形基本為山地、丘陵，僅零星桿塔位于平地、水田。線路荷載大，抗傾覆要求高，所在山區(qū)、丘陵地帶勘測深度內(nèi)未見地下水，塔基第4系覆蓋層以坡積、殘積土為主，一般厚度為2～6 m，部分塔基在8 m勘探深度內(nèi)仍未見中等風(fēng)化程度基巖，塔基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。山地丘陵塔基采用天然地基，大部分塔基8 m勘探深度未見地下水。由于斜坡地形的影響，位于斜坡邊界條件下的塔基礎(chǔ)上拔承載力要比平地低，而斜坡地形對臨坡基礎(chǔ)承載力的影響規(guī)律更為復(fù)雜，所以計算時主要考慮桿塔的上拔力和水平荷載，考慮的荷載為:上拔力1.9×106N，水平荷載3.625× 105N。樁基礎(chǔ)施工示意圖如圖1所示，圖中:L為坡頂距;D為樁基底板寬度;H為埋深;β為坡角。

圖1 B09號樁基礎(chǔ)Fig.1B09 pile foundation

2.2 三維有限元模型

建立直角坐標(biāo)下的邊坡三維有限元模型，模型范圍:x為－2～4 m，y為0～30 m，z為0～15 m。根據(jù)斜坡坡角的不同，劃分為2 592～3 616個單元，3 285～4 509個節(jié)點(diǎn)，采用位移邊界，邊坡和樁基均采用實(shí)體單元模擬，塔基采用pile單元模擬，樁頂施加外荷載。

根據(jù)勘測設(shè)計參數(shù)，斜坡土層為砂質(zhì)粘性土，其中土體重度為18.5 kN/m3，彈性模量為10.0 MPa，泊松比為0.25，粘聚力為22.0 kPa，內(nèi)摩擦角為20.0°，初始地應(yīng)力只考慮重力，計算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。樁基材料為C25混凝土和II級鋼筋，樁基彈性模量為28.0 GPa，泊松比為0.167，極慣性矩為0.377 15 m4，y軸的二次矩為0.188 57 m4，z軸的二次矩為0.188 57 m4，剪切耦合彈簧單位長度的剛度為130.0 GPa，剪切耦合彈簧單位長度的粘聚力為10.0 GPa，剪切耦合彈簧的摩擦角為0.0°，法向耦合彈簧單位長度的剛度為1.3 GPa，法向耦合彈簧單位長度上的粘聚力為10 kPa，法向耦合彈簧的摩擦角為0°。

3 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

3.1 坡角對邊坡穩(wěn)定的影響

分別計算了β為22.5°、33.75°、45°、56.25°、67.5°時，邊坡在有樁基礎(chǔ)和無樁基礎(chǔ)下的強(qiáng)度折減安全系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。計算過程中L=1.5 m，D=1.7 m，H=6.0 m。

圖2 邊坡安全系數(shù)隨坡角的變化曲線Fig.2Curves of slope's safety factor with slope angle

由圖2可知:Fs隨著β的增大逐漸降低，且β＜33.75°時，F(xiàn)s降低速度緩慢，當(dāng)β＞33.75°時，F(xiàn)s降低速度明顯;β相同情況下，無樁基礎(chǔ)邊坡安全系數(shù)較有樁基礎(chǔ)要小，說明該工程中桿塔基礎(chǔ)對邊坡的保護(hù)作用大于其破壞作用，有利于邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 坡頂距對邊坡穩(wěn)定的影響

采用強(qiáng)度折減法，分別計算了L為0.75、1.125、1.5、1.875、2、2.25、2.5、3、3.75、5、7.5 m時邊坡安全系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。計算過程中D=1.7 m，H= 6.0 m。

圖3 邊坡安全系數(shù)隨坡頂距的變化曲線Fig.3Curves of slope's safety factor with top distance

由圖3可知:Fs隨著L的增大逐漸降低，最后趨于某個穩(wěn)定值，且隨著β的增大，達(dá)到該穩(wěn)定值的L也在逐漸增大。例如:β=22.5°時，F(xiàn)s趨于某個穩(wěn)定值的L為0 m;β=33.75°時，F(xiàn)s趨于某個穩(wěn)定值的L為2.25 m;β＞45°時，F(xiàn)s趨于某個穩(wěn)定值的L為3 m;β＜33.75°時，F(xiàn)s隨L變化極小，特別是當(dāng)β=22.5°時，F(xiàn)s無變化，說明此時L的變化對邊坡穩(wěn)定性沒有影響。

3.3 基礎(chǔ)埋深對邊坡穩(wěn)定的影響

采用強(qiáng)度折減法，分別計算了H為3、4.5、6、7.5、9 m時的強(qiáng)度折減安全系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。計算時L=1.5 m，D=1.7 m，β=45°。

由圖4可知:當(dāng)6 m＜H＜7.5 m時，F(xiàn)s隨H的增大發(fā)生突變;H＜6 m或H＞7.5 m時，F(xiàn)s幾乎不變。從該坡度情況下邊坡滑移面(圖5)可知，6 m＜H＜7.5 m的位置為邊坡可能滑移面最下部的位置，因此，當(dāng)基礎(chǔ)穿越滑移面時，容易對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。

3.4 參數(shù)敏感性分析

確定強(qiáng)度折減法計算的邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)Fs為考核指標(biāo)，β、L、H等參數(shù)為敏感性影響參數(shù)。各影響參數(shù)的變化范圍為基準(zhǔn)值的0.5～1.5倍。

通過計算可以得到β、L、H對邊坡最小穩(wěn)定系數(shù)Fs影響的敏感性，F(xiàn)s隨β、L、H變化的曲線見圖6。直觀分析曲線可知，隨著3個影響參數(shù)的增大，F(xiàn)s均有所降低;其中，F(xiàn)s受β影響最明顯，其次為L，最后為H，和常規(guī)敏感性分析結(jié)果一致。

圖6 邊坡安全系數(shù)隨影響參數(shù)的變化曲線Fig.6Curves of slope's safety factor with influence parameters

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)敏感性分析原理［13，15-19］，得到比較矩陣和參考矩陣

相對值化矩陣通過無量綱化，計算得到塔基邊坡的安全系數(shù)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣γ，進(jìn)一步取其均值得到邊坡強(qiáng)度折減安全系數(shù)的關(guān)聯(lián)度序列A

從關(guān)聯(lián)度序列可知，對Fs影響程度由大到小的為L、β、H，表明設(shè)計桿塔臨坡基礎(chǔ)邊坡時，為達(dá)到邊坡的穩(wěn)定性的要求，應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化基礎(chǔ)坡頂距，其次為基礎(chǔ)坡角，最后在基礎(chǔ)滿足自身穩(wěn)定要求的情況下考慮基礎(chǔ)埋深。

4 結(jié)論

(1)邊坡安全系數(shù)隨著坡角的增大逐漸降低;相同坡角情況下，無樁基礎(chǔ)邊坡安全系數(shù)較有樁基礎(chǔ)要小。

(2)邊坡安全系數(shù)隨著坡頂距的增大逐漸降低，最后趨于某個穩(wěn)定值，且隨著坡角的增大，達(dá)到該穩(wěn)定值的坡頂距也在逐漸增大;當(dāng)基礎(chǔ)穿越滑移面時，容易對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞影響。

(3)采用常規(guī)敏感性分析得出，對塔基邊坡強(qiáng)度折減安全系數(shù)影響程度由大到小的影響因素為坡角、坡頂距、基礎(chǔ)埋深，與直觀分析結(jié)果一致。由于各參數(shù)之間量綱的不一致性，常規(guī)敏感性分析各參數(shù)值的數(shù)量級相差很大，計算得到的敏感度往往不具備直接的可比性。為克服該局限性，本文采用灰關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對塔基邊坡強(qiáng)度折減安全系數(shù)影響程度由大到小的影響因素為坡頂距、坡角、基礎(chǔ)埋深。

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(編輯:蔣毅恒)