输电线路微型桩基础承载性能的数值模拟

屈勇

（广东电网公司佛山供电局，广东省佛山市，528200）

0 引言

微型桩作为软土地基中的一种新型环保基础，目前逐渐在输电线路杆塔基础工程中得到应用[1-2]。微型桩一般指桩径小于400mm，桩长通常不超过30m，采用钻孔、压力注浆工艺施工的小直径桩，布置型式有各种排列的直桩和网桩结构的斜桩[3-4]。在输电线路中，微型桩具有如下优势：（1）在同样承载力要求下，微型桩基础工作量较小；（2）微型桩施工机具简单，对环境和场地适应性强；（3）通过压力注浆可改善桩周土的受力特性，能有效提高抗倾覆能力。

近些年，国内开始研究和设计输电线路杆塔微型桩基础，2003年浙江省电力设计院和浙江大学合作进行了杆塔基础微型桩试验研究，在500 kV嘉王线塔基中首次试验应用，在500 kV北天Ⅱ回输电线路进行了推广应用。中国电力科学研究院协同各相关单位先后在上海、浙江、安徽和天津等地选择典型的软土地基开展了输电杆塔微型桩基础的相关课题研究工作，进行了微型桩基础的设计计算方法、施工工艺、成桩质量与检测方法等方面的研究。利用相关的研究成果，微型桩杆塔基础已经在500 kV宁海—苍岩双回线路、500 kV安庆—庐桐变线路中得到了进一步的试点应用，取得良好的经济和社会效益[5]。

为了研究微型桩基础的受力特性，进一步推进微型桩基础在输电线路中的应用，运用PLAXIS程序对单桩、群桩基础分别进行了抗拔、抗压、水平力等的数值计算分析，研究了微型桩的工作特性，以期对微型桩基础的设计计算进行优化。

1 PLAXIS有限元程序简介

PLAXIS有限元程序是荷兰研制的专门用于岩土工程2D或3D变形和稳定性分析的有限元程序[6]。PLAXIS有限元程序主要具有以下特点：（1）具有友好的用户界面，逻辑的交互性输入、自动处理和快速缺省设置帮助用户轻松建模；（2）具有先进且强大稳定的本构关系模型，可精确模拟土的特性，各模型参数充分结合了岩土工程实践。

PLAXIS有限元程序功能比较强大，能分析比较多的实际工程，能自动生成有限元网格，并通过重要部位网格的细分达到比较好的精度。同时用户界面友好，使用也比较方便。在后处理方面，该程序能在计算过程中动态显示提示信息，有利于工程技术人员在使用过程中对计算结果进行监控。

2 参数设定

针对微型桩基础的特点，本文主要探讨微型桩基础的作用规律。PLAXIS有限元程序的摩尔-库仑土体力学模型（MC模型）属于理想弹塑性模型，理想弹塑性材料在应力未达屈服时，只有弹性变形，而一旦屈服就会产生不可恢复的塑性变形，塑性变形不断发展直至破坏。采用MC模型分析微型桩基础是可行的。

MC模型需要根据实际情况确定5个基本参数：弹性模量E、泊松比μ、粘聚力C、内摩擦角φ和剪胀角ψ，相关参数取值见表1。桩长在20d～50d时，单桩抗拔承载力随桩长基本呈线性变化；当桩长超过50d后，单桩抗拔承载力随桩长的增长表现出显著的非线性特征，此时继续增加桩长对其抗拔承载力的提高程度不明显。

表1 土体MC模型取值参数TTab.11 Main parameters of soil model

在PLAXIS有限元程序中，为了模拟其他材料（如桩、土工织物等）与土的相互作用，引入了接触面单元的概念。接触面间可以传递压力，但不能承受拉力，其性质用弹塑性模型来描述。

3 计算结果分析

3.1 桩长对单桩承载力的影响

通常情况下，桩长对单桩的抗拔承载力有很大的影响。图1为桩长为13、18、20m的单桩抗拔荷载位移曲线，从图1中可以看出，随着桩长的逐渐增加，其抗拔承载力也随之增大。

因此，对于承受抗拔荷载的微型桩基础，其最优桩长不易大于50 d。

3.2 桩身倾角对单桩承载力的影响

桩身倾斜一定角度时，微型桩能承受更强的水平荷载与竖向荷载。图3为不同倾角作用下单桩的竖向抗压Q-S曲线。从图3中可以看出，随着微型桩桩身倾斜角度从0°增加到18°时，其竖向承载力逐渐变大；但是当桩身倾斜角度由18°增加到24°时，其竖向承载力急剧减小，甚至小于倾斜为12°时的承载力，说明单桩的竖向承载力存在最优倾斜角度。当桩身倾斜度达到最优时，单桩竖向承载力达到最大。

图2为经过归一化处理后的单桩抗拔承载力随桩长的变化曲线，图中横坐标为桩长与桩径的比值（L/d），纵坐标为不同桩长的承载力Q与20倍桩径的桩长承载力Q0的比值，经归一化处理后比较容易获得承载力与桩径比之间的关系。从图2中可以看出，

图4为斜桩竖向承载力与桩身倾斜角度关系曲线，从图中可以看出，桩身倾斜为18°左右时，其竖向承载力达到最大。

结合现场施工机具的特性与施工工艺的可行性，微型桩单桩的最佳倾角取10°为宜。

3.3 桩间距对群桩承载力的影响

对于输电线路杆塔基础所受荷载，往往需要采用3×3以上的群桩基础来承担，则群桩中各个基桩之间的桩间距对群桩效应影响显著。群桩效应系数是指群桩中的基桩平均抗拔承载力与单桩抗拔承载力之比，群桩效应系数越大，表明群桩中各个基桩间的影响越小。

图5为3×3群桩在不同桩间距条件下群桩效应系数的分布规律，从图5中可以看出，随着桩间距的逐渐增加，微型群桩的群桩效应系数逐渐增加，当桩距达到6d时，群桩效应系数达到0.9，此时可基本不考虑群桩效应。但考虑施工占地面积大小的影响，设计中群桩桩间距为3d，此时必须考虑群桩效应系数。

4 结论

（1）微型桩存在临界桩长。合理桩长不应超过50d，桩长过长对提高单桩竖向承载力作用并不明显。

（2）具有一定倾斜角度的单桩竖向承载力存在最优解。结合现场施工机具的要求，桩身倾角应不大于10°。

（3）对于群桩基础，由于桩间距相对较小，在设计时必须考虑群桩效应的影响。

目前，微型桩基础已逐渐在软土地区的输电线路杆塔基础中获得应用，然而微型桩群桩基础的设计与施工质量检测仍旧是一个复杂的问题，还需要进一步深入的理论研究与现场试验验证。

[1]吕凡任，陈仁明，陈云民，等.软土地基微型桩抗压和抗拔特性试验研究[J].土木工程学报，2005，38（3）：99-105.

[2]魏鉴栋，陈仁明，陈云敏，等.微型桩抗拔特性原型试验研究[J].工程勘察，2006（8）：14-19.

[3]Bruce D A，Dimillio A F，Juran I.Introduction to micropiles：an international perspective[A]//Willian F Ked.Foundation upgrading and repair for infrastructure improvement[C].New York：Geotechnical Special Publication，ASCE，1995，50：1-26.

[4]上海市建设和交通委员会.DBJ08-40-94地基处理技术规范[S].上海：上海市标准发行站，1994.

[5]苏荣臻，郑卫锋，鲁先龙，等.软土地基中杆塔微型桩抗拔特性试验研究[J].电力建设，2008，29（1）：11-14.

[6]Brinkgreve R B J.PLAXIS－finite element code for soil and rock analyses，2D-version 8[M].Rotterdam：BalkemaAA，2002.