王春萌，李碧雄

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)路橋工程有限公司四川分公司，成都 610000；2. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院土木系，成都 610065)

卡盤式電力鐵塔嵌巖樁的數(shù)值模擬分析

王春萌1，李碧雄2*

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)路橋工程有限公司四川分公司，成都 610000；2. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院土木系，成都 610065)

針對(duì)山區(qū)地質(zhì)地貌特征，提出了用于電力鐵塔的新型卡盤式樁。用有限元方法對(duì)比分析在2種不利工況下陡峭山坡上卡盤式樁和傳統(tǒng)直柱式樁的承載形態(tài)。分析認(rèn)為：卡盤式樁能有效改善樁體的抗拉拔能力，但對(duì)于抗壓能力提高作用甚微；科學(xué)地認(rèn)識(shí)樁-巖石界面特性是客觀評(píng)估嵌巖樁承載力的前提。

電力鐵塔基礎(chǔ)；卡盤式樁；直柱式樁；有限元分析；ANSYS

在“西電東送”、“北電南送”的大格局下，為提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)大功率、長(zhǎng)距離的電力輸送，特高壓、大容量電網(wǎng)建設(shè)成為社會(huì)發(fā)展的必然[1]。特高壓輸電線路由于具有電壓等級(jí)高、傳輸容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、經(jīng)歷氣候復(fù)雜等特點(diǎn)，輸電線的健康運(yùn)行至關(guān)重要。由于我國(guó)幅員遼闊，各個(gè)地區(qū)的地質(zhì)地貌差異很大，因此所采用的輸電線路基礎(chǔ)形式也多種多樣。中國(guó)西南山區(qū)的巖石地基使用的基礎(chǔ)形式主要為掏挖式基礎(chǔ)。桿塔基礎(chǔ)作為輸電線路的重要組成部分，其造價(jià)、工期和勞動(dòng)消耗量在整個(gè)線路工程中占很大比重?；A(chǔ)選型、設(shè)計(jì)及施工的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著線路工程的建設(shè)。我國(guó)現(xiàn)有的輸電線鐵塔設(shè)計(jì)和國(guó)外相比，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的尺寸比國(guó)外大，設(shè)計(jì)較為保守[2]，基礎(chǔ)施工費(fèi)用比國(guó)外高?；A(chǔ)過(guò)大，若采用大面積開(kāi)挖，勢(shì)必會(huì)造成大面積植被被破壞和水土的流失。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)輸電線路基礎(chǔ)的研究，降低混凝土和鋼筋的用量，減小土石方的開(kāi)挖量，從而降低基礎(chǔ)造價(jià)，節(jié)省資源，同時(shí)也減小對(duì)植被的破壞，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

目前我國(guó)尚未系統(tǒng)地開(kāi)展新的基礎(chǔ)型式的試驗(yàn)、測(cè)試和分析研究，桿塔基礎(chǔ)已成為輸電線路建設(shè)中十分薄弱的環(huán)節(jié)[3]。地基處理及其基礎(chǔ)型式選擇與設(shè)計(jì)優(yōu)化是當(dāng)前輸電線路工程迫切需要解決的重大課題[4-5]。本文以“康定—崇州500 kV雙回線路新建工程”中的特殊基礎(chǔ)為研究對(duì)象，結(jié)合輸電線路途經(jīng)地貌地質(zhì)特殊情況，提出了一種新型卡盤式樁基礎(chǔ)，用有限元方法對(duì)比研究不同的荷載工況下卡盤式樁和傳統(tǒng)直柱式樁的承載性狀，為實(shí)際工程中選擇和優(yōu)化樁型提供依據(jù)。

1 工程背景

康定—崇州500 kV雙回線路工程起于康定500 kV變電站，止于崇州500 kV變電站，線路路徑位于青藏高原向四川盆地的過(guò)渡帶，具有海拔高、覆冰重、山勢(shì)險(xiǎn)峻、高差大、地質(zhì)條件復(fù)雜、地震烈度高等特點(diǎn)。沿線最高海拔約4 000 m，地形坡度一般在35°左右，特別在特重冰區(qū)段，最大坡度在50°左右。沿線地質(zhì)條件較差，覆蓋層厚度較大，一般在1.0～5.0 m；局部地段有塊石架空現(xiàn)象，一般厚度3～5 m，最大厚度約10 m，塊石一般直徑1～2 m，最大直徑達(dá)5 m。

在實(shí)際線路上選取了一處試驗(yàn)點(diǎn)(位于雅安市天全縣二郎山上)進(jìn)行了詳細(xì)的巖土工程勘察，查明了試驗(yàn)點(diǎn)處土和巖層的分布情況、各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)，主要的地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)的主要地質(zhì)參數(shù)

(a) 受拉工況； (b) 受壓工況圖1 樁頂承受的荷載工況

(a)M1 (b)M2圖2 計(jì)算模型的幾何尺寸

(a)M1 (b)M2圖3 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分

荷載工況的取值依據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)資料來(lái)確定，樁頂承受的荷載工況如圖1所示，考慮鐵塔基礎(chǔ)的2種最不利工況：(a)受拉工況，上拔力與水平力組合；(b)受壓工況，即下壓力和水平力組合。其中，T=1 956 kN，V1=384 kN，N=2 616 kN，V2=480 kN。

2 有限元模型的建立

2.1計(jì)算范圍及計(jì)算模型

考慮到研究對(duì)象所在的地貌和地質(zhì)條件，本文提出采用卡盤式樁型。為了評(píng)估該樁型的承載形態(tài)，計(jì)算模型分別考慮了卡盤式樁型和傳統(tǒng)的直柱式樁型2種情況。模型的幾何尺寸如圖2所示，用編號(hào)M1和M2分別表示卡盤式樁模型和直柱式樁模型。山體的坡度和覆蓋層粉質(zhì)粘土的厚度參考當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定。采用嵌巖樁，參照文獻(xiàn)[6]的觀點(diǎn)，認(rèn)為嵌巖樁的嵌巖部分與巖體咬合在一起，形成一個(gè)受力整體，故在建立有限元計(jì)算模型時(shí)，將樁和巖石黏結(jié)在一起，2種單元共節(jié)點(diǎn)。樁與土體之間設(shè)接觸單元，樁側(cè)與土體摩擦系數(shù)取0.2。

大多數(shù)巖土工程問(wèn)題均涉及無(wú)限域和半無(wú)限域，而有限元分析是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行離散處理，但必須取足夠大的計(jì)算范圍以使得這種離散方法不至于產(chǎn)生過(guò)大的誤差。一般情況下，基礎(chǔ)周圍土體及深度的計(jì)算范圍取基礎(chǔ)邊長(zhǎng)的2～3倍。為了便于對(duì)比分析，本文對(duì)2種不同樁型采用相同的計(jì)算范圍。同時(shí)，為了減少計(jì)算時(shí)間，方便觀察和分析計(jì)算結(jié)果，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取一半建模。

樁、土、巖體均采用solid45號(hào)單元。solid45為六面體8節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)位移分量。該單元具有塑性變形、蠕變、應(yīng)力硬化、大變形的能力。為了保證計(jì)算精度，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，幾何建模時(shí)，采用分塊建模的方式。每一個(gè)模型大致有80～95個(gè)小塊體組成，每個(gè)小塊體單獨(dú)劃分網(wǎng)格，圖3(a)和(b)分別為模型M1和M2的網(wǎng)格劃分情況。

2.2 邊界條件

通常，計(jì)算范圍的邊界可以采用3種方式處理，即位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件和混合邊界條件。本文模型采用位移邊界條件，底部豎向位移約束，3個(gè)側(cè)面水平位移約束，即相應(yīng)方向的位移為零，頂面設(shè)置為自由邊界。荷載的施加分為2個(gè)階段，首先計(jì)算施加重力加速度后的模型反應(yīng)，然后在樁頂節(jié)點(diǎn)上施加豎向和水平荷載。

2.3 計(jì)算參數(shù)

表2 巖性力學(xué)參數(shù)

根據(jù)前述主要地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行有限元建模時(shí)，為了使計(jì)算分析可能進(jìn)行，簡(jiǎn)化為2層，上層為土，下層為基巖。參考表1中的地質(zhì)參數(shù)，基于土力學(xué)和巖石力學(xué)中的相關(guān)公式計(jì)算確定巖體的彈性模量，根據(jù)土體和巖體的類別參照經(jīng)驗(yàn)確定泊松比。采用DP模型，即覆蓋層土和巖石服從Drucker-prager屈服。計(jì)算模型中采用的各有關(guān)參數(shù)如表2所示。樁體為C35混凝土，采用線彈性模型，彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0.2，容重為2 500 N/m3。

樁與土體之間采用ANSYS中提供的接觸單元，即目標(biāo)單元170和接觸單元173，來(lái)模擬樁土之間的接觸性質(zhì)，樁側(cè)與覆蓋層土體摩擦系數(shù)取0.2。

3 有限元分析結(jié)果分析

有限元分析的第1步是計(jì)算覆蓋土層和巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)，需要指出的是，由此在土體和巖體中產(chǎn)生自重作用下的初始位移與實(shí)際的初始位移早已結(jié)束有差異。樁的加入通過(guò)單元生死來(lái)實(shí)現(xiàn)。外荷載作用于樁頂。

3.1 豎向位移云圖

圖4(a)和(b)分別給出了第1種荷載工況下的模型M1和M2豎向位移云圖，比較發(fā)現(xiàn)，在下壓力和水平力作用下，豎向位移情況非常接近，卡盤式樁樁頂?shù)呢Q向位移略低于直柱式樁。圖5(a)和(b)分別為工況2作用下的豎向位移云圖，可以看出，在上拔力和水平力共同作用下，卡盤式樁樁頂向上的豎向位移明顯小于直柱式樁，參與抗拔的樁周土體范圍更大，表現(xiàn)出更好的抗拔能力。

3.2 x方向水平位移云圖

圖6(a)和(b)分別給出了第1種荷載工況下的模型M1和M2水平位移云圖，比較發(fā)現(xiàn)，在下壓力和水平力作用下，水平位移分布幾乎相同。圖7(a)和(b)分別為工況2作用下的水平位移云圖，在上拔力和水平力共同作用下，卡盤式樁樁頂水平位移明顯小于直柱式樁。

從上述的位移云圖可以看出，在本文所采用的樁長(zhǎng)情況下，樁頂在荷載作用下產(chǎn)生了較大的側(cè)移，有失穩(wěn)的可能。因此，需要增大樁長(zhǎng)或重新核定樁土之間的摩擦系數(shù)。

3.3 應(yīng)力分布云圖

圖8和圖9分別工況1和工況2下的Von-Mises等效應(yīng)力云圖，由于采用嵌巖樁，樁體與巖石之間采用共節(jié)點(diǎn)的固結(jié)方式，當(dāng)樁承受外荷載作用時(shí)，上部覆蓋層土體對(duì)于樁的抗拔或抗壓所起的作用均很小，樁頂傳來(lái)的荷載主要由嵌固段的側(cè)阻力和端阻力來(lái)承受。下壓荷載工況下，卡盤中的應(yīng)力非常低，卡盤所起的作用很??；上拔荷載工況下，卡盤中的應(yīng)力與樁身的應(yīng)力接近，卡盤對(duì)抗拔的貢獻(xiàn)較大。

因此，需要進(jìn)一步深入研究嵌固段樁體與巖石之間的相互作用性能，以更為客觀地模擬兩者之間的接觸性質(zhì)。已有的高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度巖石嵌巖樁試驗(yàn)結(jié)果表明[7]，模型樁的破壞是由于混凝土-巖石界面上的剪切破壞引起的，而混凝土和高強(qiáng)度巖體內(nèi)部皆保持完整。而另外的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果[8]則認(rèn)為，在不同地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)方法下，嵌巖樁可表現(xiàn)為摩擦型樁或端承型樁的承載性狀，嵌巖樁的破壞模式與樁巖的相對(duì)剛度和強(qiáng)度有關(guān)，破壞可能發(fā)生的位置有樁巖界面、樁周圍巖體中和樁體本身。故對(duì)于建立在巖體中的嵌巖樁，樁-巖石界面特性會(huì)極大地影響樁的承載力特性。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文所提出的卡盤式樁對(duì)提高樁體的抗拔能力非常有效，能降低上拔荷載下樁頂?shù)奈灰?，尤其是顯著降低了樁頂水平位移；2)卡盤式樁不能明顯改善樁體的抗壓承載形態(tài)；3)采用共節(jié)點(diǎn)方式模擬嵌巖樁嵌固段巖石和樁身之間的相互作用時(shí)，樁的傳力主要通過(guò)嵌固段來(lái)完成，不能可靠地反映樁身與巖石之間的作用性態(tài)，建議進(jìn)一步研究樁-巖石界面特性，采用接觸單元進(jìn)行模擬。

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[2] 程永鋒,邵曉巖,朱全軍.我國(guó)輸電線路基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題[J].電力建設(shè),2002,23(3):32-34.

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ResearchontheDeformationBehaviorsandCapacityPropertiesofOneNewStyleofPileBuiltinSteepSlope

WANGChunmeng1,LIBixiong2*

(1. Sinohydro Road Bridge Engineering Co, Ltd, Chengdu 610000, China; 2. Department of Civil Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In view of the geology and landform features in mountainous areas, a kind of Kapan pile was proposed for the foundations of electric power towers. The deformation behavior and bearing capacity mechanism of two kinds of piles were investigated by finite element method, which were Kanpan pile and Zhizhu pile. The results showed that the bearing capacity to resist drawing for Kapan pile was fairly higher than that for Zhizhu pile, however, the compressive capacity was similar to each other. Scientific understanding to pile and rock interface characteristics was the precondition for objectively evaluating rock-socketed pile bearing capacity.

iron tower foundation for electric transmission; Kapan pile foundation; Zhizhu pile foundation; finite element analysis; ANSYS

2013-10-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“環(huán)境觸發(fā)式視頻信號(hào)采集技術(shù)”(2012BAK10B07)；能源工程安全與災(zāi)害力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2013KF05)

王春萌(1969- )，女(漢族)，河南永城人，工程師，研究方向：機(jī)電工程。

李碧雄(1970- )，女(漢族)，湖南安化人，副教授，博士，研究方向：巖土工程，通信作者郵箱：347292361@qq.com。

TU473.1

A

2095-5383(2013)04-0067-04