喻豪俊，陳繼彬，丁梓涵

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059)

樁徑對山區(qū)輸電線塔基礎(chǔ)抗震性能影響分析

喻豪俊1，2，陳繼彬1，2，丁梓涵1，2

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059)

摘要：西南山區(qū)越來越多的輸電線塔建立在傾斜的陡坡之上，并且大多要穿越高烈度地震區(qū)。其中，樁基礎(chǔ)因具有良好的抗震性能，在山區(qū)輸電線塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。而針對山區(qū)陡坡地形地貌的復(fù)雜情況，對其輸電線塔樁基礎(chǔ)的抗震性能研究較少，其中樁徑對山區(qū)輸電線路樁基地震反應(yīng)有什么影響，還不清楚。采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，以西南山區(qū)典型輸電線塔樁基礎(chǔ)為研究對象，運(yùn)用時(shí)程分析方法，對1.4 m到2.6 m不同樁徑進(jìn)行樁基的動力計(jì)算。通過有限元模擬，分析了樁徑對樁基礎(chǔ)地震動力響應(yīng)的變化情況，探討樁徑對山區(qū)輸電線路樁基抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：隨著樁徑的增大，樁身水平、豎向峰值加速度和水平位移均呈減小的趨勢，而樁身豎向位移和樁身內(nèi)力隨樁徑的增大而逐漸增大。

關(guān)鍵詞：西南山區(qū)；樁徑；輸電線路；地震反應(yīng)

中國西南地區(qū)大部分是山地與丘陵，傾斜地較多，斜坡坡度較陡。隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，高壓、超高壓的輸電系統(tǒng)不斷擴(kuò)展，越來越多的輸電線塔建立在傾斜的陡坡之上。并且，西南山區(qū)處于龍門山地震斷裂帶附近，輸電線路大多要穿越高烈度地震區(qū)，輸電線塔的震害嚴(yán)重影響了電力設(shè)施的正常運(yùn)行，給人民的財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的損失[1]。

汶川地震和蘆山地震震害調(diào)查資料表明：輸電線桿塔基礎(chǔ)發(fā)生破壞或不均勻變形，從而使桿塔結(jié)構(gòu)及輸電線路倒塌是輸電線路震害的主要原因[2-3]。在西南山區(qū)中，樁基礎(chǔ)因具有良好的抗震性能和便于施工的優(yōu)點(diǎn)，在輸電線塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。而樁基礎(chǔ)的地震反應(yīng)，主要受樁身參數(shù)、土體參數(shù)的影響。其中土體參數(shù)大多受自然條件的限制，又以樁身參數(shù)中樁徑的影響較為明顯[4-5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者在樁徑對單樁動力響應(yīng)影響方面做了大量的的研究工作，Ayothiraman R等[6]研究了在地震作用下樁徑對黏土場地上樁身內(nèi)力的影響。Naeini S A[7]進(jìn)行了土質(zhì)斜坡上樁徑等影響因素對群樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的研究。張素珍等[8]對樁-土相互作用體系中單樁受水平地震動力響應(yīng)進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬。黃大明等[9]考慮了樁徑對樁-土-結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)上部結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。Mohamed Ahmed[10]針對高聳的尖塔式結(jié)構(gòu)物，分析了樁長、樁徑等參數(shù)在地震作用下對樁基動力響應(yīng)的影響。

但相關(guān)研究大部分是針對于平坦場地下的樁基礎(chǔ)或者是土質(zhì)斜坡場地而言。對山區(qū)巖質(zhì)斜坡，特別是坡度較大的陡坡，樁徑對輸電線塔樁基動力響應(yīng)方面還未見相關(guān)系統(tǒng)的研究。因此, 探討樁徑對山區(qū)輸電線塔樁基礎(chǔ)對其地震反應(yīng)的影響, 防止在地震作用下發(fā)生破壞，具有十分重要的研究意義。

本文采用FLAD3D[11-12]數(shù)值分析軟件，以西南山區(qū)某輸電線路樁基礎(chǔ)為例，針對樁徑對樁基礎(chǔ)地震反應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，為山區(qū)陡坡地形樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)，確保輸電線路在地震作用下的安全運(yùn)行。

1場地基本特征

1.1　山區(qū)輸電線路走線特點(diǎn)

西南地區(qū)輸電線工程線路走線一般起于變電站，從變電站出線，穿越如高山峽谷、斜坡、脊坡等十分復(fù)雜的山區(qū)地形，最后止于線路終點(diǎn)的變電站。

例如，大崗山—雅安雙回500 kV線路工程起于大崗山水電站，止于雅安500 kV變電站。其中，大崗山水電站500 kV送出工程路徑全線海拔高度在700 m～3 000 m之間，線路長度約2 133 km，曲折系數(shù)1.29。全線途經(jīng)的地形地貌以峻嶺、高山大嶺、山地為主，其中峻嶺占20%，高山大嶺占45%，山地占35%[13]。

九龍—石棉同塔雙回500 kV輸電線路工程起于九龍變電站，線路基本沿九龍河、雅礱江岸走線，穿越川西高原與四川盆地的過渡地帶，沿線地勢高差懸殊，地形起伏大，山勢陡峻。全線海拔高程為1 880 m～3 400 m，高差一般在800 m～1 000 m之間，自然坡度40°～70°，高山大嶺占全線的59%、山地占37%。

基于此，為了更好的反映西南山區(qū)輸電線樁基礎(chǔ)的地震動響應(yīng)，本文選取具有代表性的山區(qū)陡坡場地進(jìn)行樁基礎(chǔ)的地震反應(yīng)的研究。

1.2　場地條件

場地位于Ⅷ度地震烈度區(qū)。場地類型為薄覆蓋層下伏基巖脊坡，山脊走向325°，寬約1.0 m～8.0 m，兩側(cè)臨空，坡度約40°～70°，脊頂有一孤立小山包。場地地基覆蓋層主要為殘坡積夾碎石粉質(zhì)黏土，山頂覆蓋層厚度2.0 m，山底覆蓋層厚度5.0 m；基巖為砂巖。場地地形圖見圖1，巖土體介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1　場地地形圖

1.3　塔基特征

塔基基礎(chǔ)為人工挖孔樁基礎(chǔ)，由A、B、C、D四根樁組成了樁基礎(chǔ)。其中，A樁位于山脊靠近脊頂處，西側(cè)臨空坡度約30°，B樁位于山脊后側(cè)，北側(cè)臨空坡度約45°，C樁位于脊頂中央，山包底部，地面較平坦，D樁位于滑坡后緣，西側(cè)臨空?；A(chǔ)材料為混凝土(C30)。樁基礎(chǔ)形式見表2。

表2　樁基基礎(chǔ)形式

2數(shù)值分析

2.1　模型建立

數(shù)值模擬中，巖體材料采用理想彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。根據(jù)圖1建立的數(shù)值計(jì)算模型長(y方向)約375 m，寬(x方向)290 m，按實(shí)際場地覆蓋層、基巖分布分上下兩層。對于上部結(jié)構(gòu)線塔，利用連桿(梁單元)簡化，取相應(yīng)的截面慣性矩和角鋼的彈性模量(E=2.2×105MPa，I=1.33×10-4m4)，四個(gè)塔腿即四根連桿在塔頂以剛節(jié)點(diǎn)相連，下部與樁基鉸接。圖2為計(jì)算模型。

圖2模型示意圖

邊界條件的設(shè)定遵循以下原則：

(1) 底部邊界設(shè)定水平和豎直方向位移約束。

(2) 側(cè)向邊界由于斜坡體存在自重應(yīng)力，且自重應(yīng)力對斜坡巖體穩(wěn)定性影響較大，同時(shí)強(qiáng)震條件下水平向動力作用對斜坡的穩(wěn)定性影響較豎直向大，因此側(cè)向邊界設(shè)定水平向位移約束。

(3) 頂部邊界為自由邊界。

(4) 地震力作用時(shí)邊界條件：在動力問題中，模型周圍邊界條件選取自由場邊界，主體網(wǎng)格的側(cè)邊界通過阻尼器與自由場網(wǎng)格進(jìn)行耦合。

2.2　地震波輸入

本次計(jì)算選擇汶川地震時(shí)處于Ⅸ度地震烈度區(qū)的臥龍臺監(jiān)測到的地震波作為基準(zhǔn)波，將地震加速度調(diào)整至Ⅷ度地震烈度區(qū)。處理后地震作用歷時(shí)25 s，單位時(shí)間步長0.02 s，歷時(shí)10 s～22 s左右為振動峰值區(qū)，最大峰值加速度為3.048 m/s2。水平/豎向波形如圖3所示。由于地震烈度超過了Ⅶ度，所以計(jì)算時(shí)考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，同時(shí)輸入水平和豎向地震波[14]。

圖3地震加速度時(shí)程曲線

2.3　數(shù)值分析方案

在保持模型其他參數(shù)不變的情況下，改變樁徑從1.4 m到2.6 m，然后分別進(jìn)行動力計(jì)算，探討樁徑對樁基礎(chǔ)地震反應(yīng)的影響。模擬方案見表3。

表3　模擬方案

3樁徑對樁基地震反應(yīng)的影響分析

高地震烈度區(qū)陡坡場地在地震力作用下應(yīng)力變形會隨時(shí)間而變化，研究表明，樁身加速度、位移、樁身內(nèi)力對地震作用下輸電線塔樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響較大。因此，選取樁身峰值加速度、樁身位移、樁身內(nèi)力為表征指標(biāo)分析樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)。通過對比上述各項(xiàng)表征指標(biāo)來探討樁徑的大小對樁基地震反應(yīng)的影響。

3.1　樁重心峰值加速度

樁重心峰值水平和豎向加速度見圖4～圖5。

圖4　樁重心峰值水平加速度圖

圖5樁重心峰值豎向加速度圖

從圖4和圖5可見：不同樁徑樁身重心水平和豎向加速度峰值隨樁深變化情況基本相同。隨著樁徑增加，樁重心處水平和豎向峰值加速度逐漸減小的。樁徑越大，峰值加速度減幅越大。

其中，A、D樁所處微地貌類型為斜坡，B、C樁所處微地貌類型為脊頂。樁徑1.4 m～1.8 m，A、D樁水平峰值加速度均未變，B、C樁水平峰值加速度減幅約為6%左右；樁徑1.8 m～2.2 m，樁基水平峰值加速度減幅在7%～10%左右；當(dāng)樁徑大于2.2 m，樁重心位置樁身水平峰值加速度隨樁徑增大迅速減小。A、D樁減小較為明顯，分別為12%和30%，B、C樁水平峰值加速度減幅約為3%～7%左右。

樁基礎(chǔ)不同樁深處加速度隨樁徑變化情況見表4。

表4　樁基礎(chǔ)加速度隨樁徑變化表

表4中，樁徑1.4 m～1.8 m，A、D樁在樁底位置、基覆界面處水平和豎向峰值加速度減幅相對較小，在1%左右，B、C樁在樁底位置、基覆界面處水平和豎向峰值加速度減幅相對較大，分別約為10%和6%。

樁徑1.8 m～2.2 m，各樁樁底、基覆界面、樁頂位移峰值加速度隨樁徑增加，加速度明顯減小。水平峰值加速度減幅在8%左右。

樁徑2.2 m～2.6 m，A、D樁在樁底位置、基覆界面處水平和豎向峰值加速度減幅相對較大，20%左右。C樁在樁底位置、基覆界面處水平和豎向峰值加速度減幅相對較小，在5%左右。

3.2　樁頂位移

樁頂水平和豎向位移見圖6～圖7。

圖6樁頂水平位移圖

圖7　樁頂豎向位移圖

從圖6～圖7可見，A、D樁在樁徑2.2 m以下，樁頂水平位移隨樁徑增加有減小趨勢，減幅約為5%左右，豎向位移略有增大。樁徑大于2.2 m后，樁頂水平位移隨樁徑增加變化不明顯，而豎向位移迅速增大，樁徑從2.2 m增大到2.6 m，豎向位移增加了6%～8%。B、C樁樁頂水平位移隨樁徑增加近似線性減小，樁頂豎向位移隨樁徑增加近似線性增大。樁徑1.4 m增大到2.6 m，樁頂水平位移減小約8%左右，樁頂豎向位移增加了5%。

3.3　樁身內(nèi)力

樁身剪力見圖8。

圖8樁身剪力圖

以單樁為例，分析樁身內(nèi)力隨樁徑的變化。從圖8可見，樁徑不同，樁身剪力變化規(guī)律近似相同。樁身剪力包絡(luò)線從樁底到樁頂基本呈波動變化?；步缑婕袅ψ兓黠@，在樁底和樁頂處均達(dá)到極值。隨著樁徑的增加，剪力逐漸增大。

樁徑從1.4 m增加到2.2 m，樁頂位置剪力從270 kN變化到-700 kN，基覆界面剪力從-580 kN增大到-830 kN，樁底位置剪力從-300 kN增大到-780 kN。樁徑從2.2 m增大到2.6 m，樁頂位置剪力從-700 kN變化到-300 kN，基覆界面剪力從-830 kN增大到-1 280 kN，樁底位置剪力從-780 kN變化到-670 kN。

樁身彎矩見圖9。

圖9樁身彎矩圖

圖9中，樁徑不同，樁身彎矩變化規(guī)律近似相同。樁身彎矩隨著樁徑增大逐漸增大，均在樁底達(dá)到最大值。樁徑1.4 m增加到2.6 m，彎矩最大值由1 860 kN·m增大到2 930 kN·m，增幅約為30%左右。

4討論

汶川地震發(fā)生后，通過對山區(qū)部分輸電線塔樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，不同塔位不同樁徑的樁基礎(chǔ)在地震發(fā)生后，基礎(chǔ)本身并未發(fā)生破壞，輸電線塔基礎(chǔ)的損壞大多是由地震造成的地質(zhì)災(zāi)害(如上方山體滑坡、下方山體塌方、滾石砸壞等)所引起。對于樁基礎(chǔ)本身而言，不同樁徑之間的樁基礎(chǔ)的抗震性能均滿足要求，與本文數(shù)值模擬得出的結(jié)果基本吻合。

研究表明，輸電線塔樁基礎(chǔ)地震動力響應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，特別是針對山區(qū)陡坡場地而言。它不僅與本文研究的樁身尺寸有關(guān)，還與場地條件、地震動強(qiáng)度、地貌類型等諸多因素有關(guān)。本文只是針對西南山區(qū)某一特定的場地中一定范圍內(nèi)樁徑(樁徑1.4 m～2.6 m)對輸電線塔樁基礎(chǔ)地震動力響應(yīng)的影響做了一些初步研究。試圖為西南高烈度地震區(qū)輸電線塔樁基礎(chǔ)的抗震提供一定的意見和建議。

但還存在以下問題需要進(jìn)一步研究：

(1) 本文研究的場地條件單一，不能包含西南地區(qū)所有的場地條件及地貌類型。因此，本文所得到的一些結(jié)論的普適性還有待進(jìn)一步研究。

(2) 樁身尺寸對樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)的影響明顯，但本文針對西南山區(qū)場地只研究了樁徑的影響。還有必要對樁長和樁徑兩個(gè)因子共同對樁基地震響應(yīng)進(jìn)行深入研究。

5結(jié)論

本文以西南山區(qū)某輸電線塔位為例，分析樁徑的大小對樁基礎(chǔ)地震動力響應(yīng)的影響。為山區(qū)陡坡地形輸電線路樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。主要結(jié)論如下：

(1) 樁身直徑的增大，在一定程度上可以減小樁身加速度、樁身水平位移，從而提高樁基礎(chǔ)的抗震性能。但樁徑的增大，同時(shí)伴隨著樁基礎(chǔ)豎向位移和樁身內(nèi)力的增大，在一定程度上會影響樁基礎(chǔ)的抗震性能。

(2) 地震作用下，樁徑與樁身加速度成反比關(guān)系。當(dāng)樁徑小于2.2 m時(shí)，樁身峰值加速度隨樁徑增加略微減小。當(dāng)樁徑大于2.2 m，樁身峰值加速度隨樁徑增大迅速減小。

(3) 隨著樁徑的增大，樁身水平位移逐漸減小，而豎向位移有所增大。

(4) 樁徑越大，樁基礎(chǔ)的樁身內(nèi)力值就越大。樁徑每增加0.4 m，剪力增加約17%，彎矩增加約20%。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.020

收稿日期：2015-02-28修稿日期：2015-03-29

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2011CB013501)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT0812)

作者簡介：喻豪俊(1989—)，男，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。 E-mail：yuhaojun08@sina.com

中圖分類號：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2015)04—0101—06

Influence of the Pile Diameter on the Seismic Response of the Transmission Line Pylon Foundation in Mountainous Areas

YU Haojun1,2, CHEN Jibin1,2, DING Zihan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection(ChengduUniversityofTechnology),Chengdu,Sichuan610059,China；2.CollegeofEnvironmentandCivilEngineering,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China)

Abstract：A growing number of transmission line towers are being constructed on the inclined steep slopes in southwest mountainous area, and most of these are in intensive seismic region. Pile foundation is widely used in the foundation design of transmission towers in southwest mountainous area due to its good seismic performance. However, according to the complicated condition of the mountainous southwest steep topography, research on the seismic performance of the pile foundation of the transmission line towers is rare. It is still unclear that how the pile diameter will affect the seismic performance of transmission tower foundation. Here, typical models about pile foundations of transmission towers in southwest mountainous area were computed and analyzed by using FLAC3D. Then the influence of the pile diameter on the seismic response of the foundation was analyzed by using time history analysis method, with the pile diameters from 1.4 m to 2.6 m. The results indicate that with the increase of pile diameter, pile peak acceleration and horizontal displacement show a trend of decrease, while the pile vertical displacement and internal force increase along with the pile diameter.

Keywords:southwest mountainous area; pile diameter; transmission line; seismic response