短桩与锚杆组合应用的复合型杆塔基础数值模拟分析

2012-08-09袁清泉汤涛李政民王恩来彭源

电力建设 2012年10期

袁清泉，汤涛，李政民，王恩来，彭源

(1.国核电力规划设计研究院，北京市 100095;2.国核电力规划设计研究院重庆有限公司，重庆市 401121)

0 引言

杆塔基础是输电线路的重要组成部分，是电网安全运行的重要保障，其造价、工期和劳动消耗量在整个架空输电线路工程中所占的比重较大［1-2］。相对我国其他地区，重庆的地质条件比较特殊，不仅山区丘陵地带斜坡地形广泛分布，而且存在大量上覆2～3 m土层，土层以下为岩石地基的区域。随着输电电压等级和杆塔基础荷载的提高，选择单一的掏挖或岩石锚杆基础在大多数情况下不能满足工程的要求。此外，随着重庆地区电网的发展，越来越多的输电线路工程杆塔基础需要埋置于山区斜坡地形和浅土层覆盖岩石地基中，此时杆塔基础的选型、基础与杆塔结构的配合更具有特殊性。对于地面浅土覆盖层或较为破碎的岩石地层，直接采用直柱掏挖成混凝土柱(短桩)传递抗拔、抗压承载力，下部较完整的岩石利用锚杆基础提供抗拔、抗压承载力，可以满足大荷载条件下输电线路杆塔基础的要求。悬臂部分可以作为高立柱基础配合长短腿铁塔使用［3-6］。

直柱短桩与岩石锚杆组合应用的杆塔基础属于新型基础，国内没有既定的规范与成熟的经验，也缺乏相关的试验研究成果。本文通过数值模拟方法对短桩与锚杆组合应用的复合型杆塔基础(简称复合型基础)进行研究，为该类型基础设计和工程应用提供参考。

1 工程实例

1.1 基础作用力

设基础上拔力T=1 340 kN，相应水平合力H1=310 kN;下压力N=1 830 kN，相应水平力合力H2=430 kN。

1.2 岩体地质条件

根据相关的岩土勘察报告，某输电线路工程自上而下的岩土体性质为:

(1)场地部分揭露有覆盖层，主要为粉土，覆盖层较薄，最大厚度为2.5 m，其重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，内摩擦角φ=15°，地基承载力特征值fak=140 kPa。

(2)场地基岩表层3 m范围内主要为强风化的白云岩，其重度γ=22 kN/m3，岩石等代极限剪切强度τs=20 kPa，地基承载力特征值fak=400 kPa。

(3)3 m以下主要为中风化的白云岩，其重度γ=23 kN/m3，岩石等代极限剪切强度 τs=40 kPa，地基承载力特征值fak=800 kPa。

1.3 复合型基础初步设计

强风化白云岩部分采用短桩基础，桩底部采用锚杆基础，以提高其抗拔承载力。参数取值为:(1)桩侧摩阻力为200 kPa;(2)桩端阻力为2 500 kPa;(3)桩径为1.2 m。经初步试算，该基础满足承载力，短桩直径d=1 200 mm，桩长L=2.0 m;桩底部采用4根锚杆，锚固长度la=3.0 m。复合型基础初步设计尺寸如图1所示。

图1 复合型基础初步设计尺寸Fig.1 Preliminary design size of compound foundaiton

2 数值模拟方案

2.1 模拟计算模型方案

为对比分析锚杆基础对上拔承载力的影响、露头高低对抗倾覆承载力的影响、增大短桩立柱直径或增加短桩基础埋深对抗倾覆承载力的影响，共设立了6种不同尺寸的基础数值模拟计算模型方案，各方案数值见表1。

表1 复合型杆塔基础模型方案Tab.1 Models of ompound foundation

2.2 计算参数

强风化至中风化岩体统一采用摩尔-库仑弹塑性本构模型，其物理力学性质参数见表2［7-9］。

表2 岩体Mohr-Coulomb模型特性参数Tab.2 Characteristic parameters of Mohr-Coulomb model for rock

表2中，E为弹性模量，μ为泊松比。基础的上部短桩基础采用弹性模型，其力学参数指标见表3。

表3 复合型基础上部短桩的力学参数Tab.3 Mechanical parameters of short pier at compound foundations upper

复合型基础下部锚杆的力学参数见表4。

表4 复合型基础下部锚杆的力学参数Tab.4 Mechanical parameters of anchor at compound foundations bottom

2.3 有限元计算模型

有限元计算程序采用FLAC3D，其计算模型有限元网格划分如图2所示［10］。

3 数值模拟结果与分析

3.1 抗拔性能分析

短桩基础及无露头复合型基础在上拔荷载下的荷载位移曲线如图3所示，从图3中可以看出，短桩基础的抗拔破坏荷载为1 080 kN，对应的竖向位移为59.15 mm;无露头复合型基础的抗拔破坏荷载为1 440 kN，对应的竖向位移为59.80 mm。

短桩基础在1 080 kN上拔破坏荷载作用下的上拔位移云图如图4所示，从图4中可以看出，短桩基础整体已拔出。

短桩基础在1 080 kN上拔破坏荷载作用下的塑性区云图如图5所示，从图5中可以看出，在短桩周围的岩土体全部发生剪切破坏，向外区域为剪切与拉拔破坏共同存在的区域，最外围区域为单纯发生拉拔破坏的区域，桩底区域全部发生拉拔破坏。

图4 短桩基础上拔位移云图(T=1 080 kN)Fig.4 Displacement nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

图5 短桩上拔荷载作用下塑性区云图(T=1 080 kN)Fig.5 Plastic zone nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

根据图3～5可知，短桩基础底部添加锚杆连接可以显著提高铁塔基础的上拔承载力，低露头的复合型基础可以满足铁塔基础上拔承载力的设计要求。

3.2 抗倾覆性能分析

短柱基础及复合型基础无露头、1 m露头、2 m露头等4种方案的基础在水平荷载作用下的荷载位移曲线如图6所示。

图6 不同基础方案水平荷载位移曲线Fig.6 Lateral load-displacement curves for different foundation

(1)对比短桩基础和无露头复合型基础可知，其荷载位移曲线基本一致，在310 kN最大水平荷载作用下，其对应的水平位移分别为3.94、3.78 mm，均满足规范要求(小于10 mm)，因此满足铁塔荷载的抗倾覆要求，这说明短桩基础底部增加锚杆对其抗倾覆能力基本没有影响。

(2)无露头基础与1 m露头基础，其荷载位移曲线呈线性状态;2 m露头基础在水平荷载达到极限状态时位移量显著增加。在310 kN最大水平荷载作用下，无露头、1 m露头、2 m露头基础的水平位移分别为3.78、9.49、22.25 mm，可见铁塔基础的露头越高，其抵抗水平荷载的能力越弱，因此2 m高露头的复合型基础已不能满足铁塔基础抗倾覆荷载的要求。

3.3 提高基础抗倾覆能力方法

对于高露头的复合型基础，其抗倾覆能力较差，当基础露头大于2 m时，已不能满足倾覆荷载的要求，因此需要通过增大基础立柱的直径或增加基础立柱埋深等措施来提高其抵抗水平荷载的能力。

(1)增大立柱直径:将短桩基础直径由初始的1.2 m增大至1.5 m，其他尺寸不变，单个塔腿基础的混凝土用量增加1.27 m3，增加量约为56%。

(2)增加立柱埋深:将短桩基础的埋深由初始的2 m增加至3 m，其他尺寸不变，单个塔腿基础的混凝土用量增加1.13 m3，增加量约为50%。

不同尺寸的复合型基础水平荷载位移曲线如图7所示。

图7 水平荷载下不同尺寸复合型基础荷载位移Fig.7 Load-displacement curves for different combination foundation under lateral load

从图7中可以看出，2 m露头的原始复合型基础、增大立柱直径与增加基础埋深的复合型基础，在310 kN的水平荷载作用下，对应的水平位移分别为22.25、12.92、10.89 mm。无论增大立柱直径还是增加基础埋深，其荷载位移曲线呈线性分布，相比于原始的2 m露头复合型基础，其水平位移量显著减小，均可有效提高基础的抗倾覆承载能力。