复合螺旋锚基础在输电线路中的应用研究

2013-12-19施月泉

绍兴文理学院学报(自然科学版) 2013年3期

施月泉谢芳冯炳

(1.绍兴电力局浙江绍兴312000； 2.绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴312000)

当前国内外输电线路工程杆塔基础的发展趋势：一是采取合理的基础型式，改善基础的受力状态；二是充分利用原状土地基承载力高、变形小的良好力学性能，积极采用原状土基础.因此，如何充分发挥地基土的承载能力，采用合理的基础型式，是达到输电线路安全运营并降低工程投资的重要措施，也是我国输电线路杆塔基础建设中需要深入研究的课题.

1 螺旋锚基础研究

螺旋锚作为一种锚固技术在20世纪50年代就用于岩土工程施工或原位测试的临时锚固，到了70年代，加拿大等国将螺旋锚用于超高压线路杆塔的基础和拉线地锚.在国内，2000年以来国网公司在辽宁丹东、营口、盘锦等地开展大量的架空输电线路螺旋锚基础试验研究和工程实际应用，并编制了国家电网企业标准——《Q/GDW 584—2011 架空输电线路螺旋锚基础设计技术规范》.

复合螺旋锚基础是一种新型基础形式，它是在螺旋锚基础上进行改进的一种基础，是由刚性基础承台与复合材料螺旋锚组成的输电线路杆塔的基础，如图1所示.螺旋锚根据锚盘的数量多少，可分为单锚盘螺旋锚基础和多锚盘螺旋锚基础，如图2所示.输电线路中一般采用多锚盘螺旋锚基础.

螺旋锚杆基础能像木螺丝一样，可旋转自进到较深土层，转进过程扰动的圆柱形土体，经过一段时间静置后其强度将有很大程度的恢复，故能承受较大的上拔荷载.同时，基础上部的刚性承台在地耐力较好的环境下，能承受大部分下压荷载，大大加强了基础整体受力性能.复合螺旋锚基础具有结构简单、施工方便、工期短、基础方量小、无环境污染等优点,同时螺旋锚盘采用耐腐蚀的FRP高强度玻璃纤维材料，大大提高了螺旋锚的抗腐蚀能力，延长了使用寿命.

螺旋锚基础作为一种新型基础型式，其基础的承载特性，受力破坏模式，锚盘尺寸、布置方式和数量等方面的优化均需要深入研究.因此，本文采用有限元数值分析对螺旋锚基础的承载、变形性能进行了初步的分析和探讨.

2 螺旋锚基础有限元计算及优化

2.1 数值建模及参数选择

本次数值分析采用Plaxis岩土工程专业有限元软件.此软件能模拟复杂的工程地质条件和实际工程的加、卸载工序，通过合理的本构模型来模拟岩土体材料的非线性和时间相关性，可用于分析基础承载力、软基处理、桩基础和隧道等多种岩土工程的变形和稳定问题.

为模拟螺旋锚基础在承受上拔或下压荷载后，土体和基础的应力和位移发展情况，本次分析按轴对称问题考虑，取基础的一半对称建模，并按15节点的单元进行网格划分.土体本构关系选择为摩尔库伦模型，基础本身按线弹性材料考虑，其弹性模量按FRP的模量取值.另外，为模拟土体/基础界面上的切应力与相应位置土体切应力的差异，在基础与土体接触面上添加界面单元.基础立柱及底板表面处的界面参数选为1，表示界面为绝对粗糙；底板底面的界面参数取为0.01，近似为绝对光滑.

以某220 kV工程III型直线塔为基本分析对象，其基础作用力设计值为：N=1 050 kN，Qx=125 kN，Qy=105 kN；T=815 kN，Tx=100 kN，Ty=85 kN.锚盘直径取500 mm，埋深取6 m，锚杆直径取120 mm.土体的计算参数见表1，基础材料的计算参数如下：密度γ=22.0 kN/m3，拉伸弹性模量E=3.5× 105N/mm2，泊松比ν= 0.28.

表1 地基土体计算参数表

土体底部水平方向和竖向均固定，两侧边界水平方向固定，竖向可移动.在柱顶施加向上或向下的均布荷载，迭代计算时通过增加荷载因子控制施加的上拔或下压荷载，当土体位移过大发生破坏时终止计算.网格划分如图3所示.

图3 计算模型网格划分图

2.2 螺旋锚基础掏挖式基础的初步优化

2.2.1 锚盘数量的优化

为了确定锚盘数量对螺旋锚基础的影响，我们分别对单锚盘、双锚盘以及三锚盘基础进行有限元分析.计算时，将双锚盘基础的上锚盘布置在基础埋深一半的位置，即上锚盘底面至地表的深度为3.0 m(1/2H)，三锚盘基础的上锚盘布置与双锚盘基础一样，中锚盘布置在上下锚盘中间，即深度为4.5 m处，各锚盘尺寸保持一致.

在上拔荷载作用下，各基础的荷载-位移曲线如图4所示.由图4可知，两类基础的柱顶位移均随着上拔荷载的增加而增大，表现出非线性增长趋势，直至土体位移过大而破坏为止.在前面一部分弹性变形阶段，两条曲线相差不大；但当土体发生较大的塑性变形后，双锚盘基础的荷载-位移曲线一直位于单锚盘基础的上方，相同上拔位移条件下，双锚盘基础能承受的上拔荷载要明显大于单锚盘基础.这说明在相同地质条件下，锚盘数量能明显影响螺旋锚基础的承载力.

由于土体并未假定为理想弹塑性材料，3条荷载-位移曲线在土体屈服后均未表现出明显的平台，为“缓变型”增长，地基基本属整体破坏.取荷载-位移曲线拐点对应的荷载作为基础的极限承载力，计算结果显示，三锚盘基础的极限上拔承载力设计值约为295.6 kN，双锚盘基础的极限上拔承载力设计值约为250.5 kN，而常规掏挖基础的极限上拔承载力设计值约为171.5 kN.双锚盘基础的抗拔承载力相对于单锚盘基础提高了约46%，三锚盘基础的抗拔承载力比双锚盘基础提高了18%.图5为上拔工况下，各基础的位移云图对比.

图4 上拔工况下各基础型式的荷-位移曲线对比载

螺旋锚基础承受上拔荷载时，周围土体发生较大的塑性变形，其塑性应力点分布如图6所示，图中的塑性区更为明显地反映了土体剪切面形状.

2.2.2 锚盘布置位置的探讨

为初步分析锚盘布置位置对螺旋锚基础承载力的影响，本次计算分别以双锚盘基础为例，将上锚盘布置在基础上部、中间和下部3个位置进行分析讨论，对应的上锚盘埋深分别为2 m(1/3H),3 m(1/2H)和4 m(2/3H)，计算所得的基础荷载-位移曲线如图7所示.

图5 上拔工况下两基础型式的位移云图对比

图6 上拔工况下各基础的塑性应力区

对于上拔工况，上锚盘埋深为1/3H和1/2H时，基础的抗拔承载力最大，而上锚盘埋深为2/3H时相对小些.

对于多锚盘基础而言，锚盘间需要有一定的间距才能更好地发挥锚盘间原状地基土体的承载性能，使基础各锚盘在外荷载作用下共同工作.综合本次上拔工况的初算结果，认为将上锚盘布置在立柱的中上部(埋深1/3H～1/2H)是较为合适的.

2.2.3 锚盘尺寸的影响

锚盘尺寸是影响双锚盘掏挖式基础承载力的另一因素，本次计算时，保持双锚盘掏挖式基础的上下锚盘总尺寸不变，锚盘尺寸分为：①上下锚盘均为0.5 m；②上锚盘0.6 m，下锚盘0.4 m.两档进行初步计算分析，计算结果如图8所示.

图7 上锚盘不同位置时双锚盘基础的荷载-位移曲线图8 上下锚盘尺寸不同时双锚盘基础的荷载-位移曲线

计算结果显示，相对于上、下锚盘一样大的双锚盘掏挖式基础，下锚盘尺寸缩小后其上拔承载力有较大幅度的降低.实际上，下锚盘尺寸过小时，下锚盘对其上部原状地基土承载性状的利用率将非常有限，基础的抗拔将主要是由上锚盘起控制作用，由于上锚盘埋深较浅，对基础的抗拔更为不利，两锚盘不能共同抵抗外荷载的作用，从而达不到提高基础承载力的效果.

因此，结合本次初算结果，在工程中采用等锚盘尺寸的螺旋锚基础是较为合适的.

3 复合螺旋锚基础技术经济分析

复合螺旋锚基础上部是刚性基础承台，下部为复合材料螺旋锚，该基础充分利用了螺旋锚的抗拔能力和刚性基础抗拔、抗压以及抗水平力的能力，两者结合在一起，协调工作，充分发挥原状土的受力特性，节省了基础材料，降低了工程造价.图9是用PLAXIS计算得到的复合螺旋锚基础的位移云图.我们以某220 kV工程II、III型直线和II型转角为例，分别采用复合螺旋锚基础、MP桩基础和斜柱板式基础进行了技术经济比较.比较结果见表3.