桩径对山区输电线塔基础抗震性能影响分析

喻豪俊，陈继彬，丁梓涵

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 四川 成都 610059；2.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059)

桩径对山区输电线塔基础抗震性能影响分析

喻豪俊1，2，陈继彬1，2，丁梓涵1，2

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)， 四川 成都 610059；2.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059)

摘要：西南山区越来越多的输电线塔建立在倾斜的陡坡之上，并且大多要穿越高烈度地震区。其中，桩基础因具有良好的抗震性能，在山区输电线塔基础设计中被广泛采用。而针对山区陡坡地形地貌的复杂情况，对其输电线塔桩基础的抗震性能研究较少，其中桩径对山区输电线路桩基地震反应有什么影响，还不清楚。采用FLAC3D数值分析软件，以西南山区典型输电线塔桩基础为研究对象，运用时程分析方法，对1.4 m到2.6 m不同桩径进行桩基的动力计算。通过有限元模拟，分析了桩径对桩基础地震动力响应的变化情况，探讨桩径对山区输电线路桩基抗震性能的影响。研究结果表明：随着桩径的增大，桩身水平、竖向峰值加速度和水平位移均呈减小的趋势，而桩身竖向位移和桩身内力随桩径的增大而逐渐增大。

关键词：西南山区；桩径；输电线路；地震反应

中国西南地区大部分是山地与丘陵，倾斜地较多，斜坡坡度较陡。随着我国电力系统的不断发展，高压、超高压的输电系统不断扩展，越来越多的输电线塔建立在倾斜的陡坡之上。并且，西南山区处于龙门山地震断裂带附近，输电线路大多要穿越高烈度地震区，输电线塔的震害严重影响了电力设施的正常运行，给人民的财产安全造成巨大的损失[1]。

汶川地震和芦山地震震害调查资料表明：输电线杆塔基础发生破坏或不均匀变形，从而使杆塔结构及输电线路倒塌是输电线路震害的主要原因[2-3]。在西南山区中，桩基础因具有良好的抗震性能和便于施工的优点，在输电线塔基础设计中被广泛采用。而桩基础的地震反应，主要受桩身参数、土体参数的影响。其中土体参数大多受自然条件的限制，又以桩身参数中桩径的影响较为明显[4-5]。目前，国内外学者在桩径对单桩动力响应影响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桩径对黏土场地上桩身内力的影响。Naeini S A[7]进行了土质斜坡上桩径等影响因素对群桩基础地震响应的研究。张素珍等[8]对桩-土相互作用体系中单桩受水平地震动力响应进行三维有限元数值模拟。黄大明等[9]考虑了桩径对桩-土-结构共同作用时上部结构抗震性能的影响。Mohamed Ahmed[10]针对高耸的尖塔式结构物，分析了桩长、桩径等参数在地震作用下对桩基动力响应的影响。

但相关研究大部分是针对于平坦场地下的桩基础或者是土质斜坡场地而言。对山区岩质斜坡，特别是坡度较大的陡坡，桩径对输电线塔桩基动力响应方面还未见相关系统的研究。因此, 探讨桩径对山区输电线塔桩基础对其地震反应的影响, 防止在地震作用下发生破坏，具有十分重要的研究意义。

本文采用FLAD3D[11-12]数值分析软件，以西南山区某输电线路桩基础为例，针对桩径对桩基础地震反应的影响进行了分析，为山区陡坡地形桩基础设计提供一定的指导，确保输电线路在地震作用下的安全运行。

1场地基本特征

1.1　山区输电线路走线特点

西南地区输电线工程线路走线一般起于变电站，从变电站出线，穿越如高山峡谷、斜坡、脊坡等十分复杂的山区地形，最后止于线路终点的变电站。

例如，大岗山—雅安双回500 kV线路工程起于大岗山水电站，止于雅安500 kV变电站。其中，大岗山水电站500 kV送出工程路径全线海拔高度在700 m～3 000 m之间，线路长度约2 133 km，曲折系数1.29。全线途经的地形地貌以峻岭、高山大岭、山地为主，其中峻岭占20%，高山大岭占45%，山地占35%[13]。

九龙—石棉同塔双回500 kV输电线路工程起于九龙变电站，线路基本沿九龙河、雅砻江岸走线，穿越川西高原与四川盆地的过渡地带，沿线地势高差悬殊，地形起伏大，山势陡峻。全线海拔高程为1 880 m～3 400 m，高差一般在800 m～1 000 m之间，自然坡度40°～70°，高山大岭占全线的59%、山地占37%。

基于此，为了更好的反映西南山区输电线桩基础的地震动响应，本文选取具有代表性的山区陡坡场地进行桩基础的地震反应的研究。

1.2　场地条件

场地位于Ⅷ度地震烈度区。场地类型为薄覆盖层下伏基岩脊坡，山脊走向325°，宽约1.0 m～8.0 m，两侧临空，坡度约40°～70°，脊顶有一孤立小山包。场地地基覆盖层主要为残坡积夹碎石粉质黏土，山顶覆盖层厚度2.0 m，山底覆盖层厚度5.0 m；基岩为砂岩。场地地形图见图1，岩土体介质材料物理力学参数见表1。

图1　场地地形图

1.3　塔基特征

塔基基础为人工挖孔桩基础，由A、B、C、D四根桩组成了桩基础。其中，A桩位于山脊靠近脊顶处，西侧临空坡度约30°，B桩位于山脊后侧，北侧临空坡度约45°，C桩位于脊顶中央，山包底部，地面较平坦，D桩位于滑坡后缘，西侧临空。基础材料为混凝土(C30)。桩基础形式见表2。

表2　桩基基础形式

2数值分析

2.1　模型建立

数值模拟中，岩体材料采用理想弹塑性模型，破坏准则采用Mohr-Coulomb准则。根据图1建立的数值计算模型长(y方向)约375 m，宽(x方向)290 m，按实际场地覆盖层、基岩分布分上下两层。对于上部结构线塔，利用连杆(梁单元)简化，取相应的截面惯性矩和角钢的弹性模量(E=2.2×105MPa，I=1.33×10-4m4)，四个塔腿即四根连杆在塔顶以刚节点相连，下部与桩基铰接。图2为计算模型。

图2模型示意图

边界条件的设定遵循以下原则：

(1) 底部边界设定水平和竖直方向位移约束。

(2) 侧向边界由于斜坡体存在自重应力，且自重应力对斜坡岩体稳定性影响较大，同时强震条件下水平向动力作用对斜坡的稳定性影响较竖直向大，因此侧向边界设定水平向位移约束。

(3) 顶部边界为自由边界。

(4) 地震力作用时边界条件：在动力问题中，模型周围边界条件选取自由场边界，主体网格的侧边界通过阻尼器与自由场网格进行耦合。

2.2　地震波输入

本次计算选择汶川地震时处于Ⅸ度地震烈度区的卧龙台监测到的地震波作为基准波，将地震加速度调整至Ⅷ度地震烈度区。处理后地震作用历时25 s，单位时间步长0.02 s，历时10 s～22 s左右为振动峰值区，最大峰值加速度为3.048 m/s2。水平/竖向波形如图3所示。由于地震烈度超过了Ⅶ度，所以计算时考虑水平地震波和竖向地震波耦合作用的情况，同时输入水平和竖向地震波[14]。

图3地震加速度时程曲线

2.3　数值分析方案

在保持模型其他参数不变的情况下，改变桩径从1.4 m到2.6 m，然后分别进行动力计算，探讨桩径对桩基础地震反应的影响。模拟方案见表3。

表3　模拟方案

3桩径对桩基地震反应的影响分析

高地震烈度区陡坡场地在地震力作用下应力变形会随时间而变化，研究表明，桩身加速度、位移、桩身内力对地震作用下输电线塔桩基础的稳定性影响较大。因此，选取桩身峰值加速度、桩身位移、桩身内力为表征指标分析桩基础地震响应。通过对比上述各项表征指标来探讨桩径的大小对桩基地震反应的影响。

3.1　桩重心峰值加速度

桩重心峰值水平和竖向加速度见图4～图5。

图4　桩重心峰值水平加速度图

图5桩重心峰值竖向加速度图

从图4和图5可见：不同桩径桩身重心水平和竖向加速度峰值随桩深变化情况基本相同。随着桩径增加，桩重心处水平和竖向峰值加速度逐渐减小的。桩径越大，峰值加速度减幅越大。

其中，A、D桩所处微地貌类型为斜坡，B、C桩所处微地貌类型为脊顶。桩径1.4 m～1.8 m，A、D桩水平峰值加速度均未变，B、C桩水平峰值加速度减幅约为6%左右；桩径1.8 m～2.2 m，桩基水平峰值加速度减幅在7%～10%左右；当桩径大于2.2 m，桩重心位置桩身水平峰值加速度随桩径增大迅速减小。A、D桩减小较为明显，分别为12%和30%，B、C桩水平峰值加速度减幅约为3%～7%左右。

桩基础不同桩深处加速度随桩径变化情况见表4。

表4　桩基础加速度随桩径变化表

表4中，桩径1.4 m～1.8 m，A、D桩在桩底位置、基覆界面处水平和竖向峰值加速度减幅相对较小，在1%左右，B、C桩在桩底位置、基覆界面处水平和竖向峰值加速度减幅相对较大，分别约为10%和6%。

桩径1.8 m～2.2 m，各桩桩底、基覆界面、桩顶位移峰值加速度随桩径增加，加速度明显减小。水平峰值加速度减幅在8%左右。

桩径2.2 m～2.6 m，A、D桩在桩底位置、基覆界面处水平和竖向峰值加速度减幅相对较大，20%左右。C桩在桩底位置、基覆界面处水平和竖向峰值加速度减幅相对较小，在5%左右。

3.2　桩顶位移

桩顶水平和竖向位移见图6～图7。

图6桩顶水平位移图

图7　桩顶竖向位移图

从图6～图7可见，A、D桩在桩径2.2 m以下，桩顶水平位移随桩径增加有减小趋势，减幅约为5%左右，竖向位移略有增大。桩径大于2.2 m后，桩顶水平位移随桩径增加变化不明显，而竖向位移迅速增大，桩径从2.2 m增大到2.6 m，竖向位移增加了6%～8%。B、C桩桩顶水平位移随桩径增加近似线性减小，桩顶竖向位移随桩径增加近似线性增大。桩径1.4 m增大到2.6 m，桩顶水平位移减小约8%左右，桩顶竖向位移增加了5%。

3.3　桩身内力

桩身剪力见图8。

图8桩身剪力图

以单桩为例，分析桩身内力随桩径的变化。从图8可见，桩径不同，桩身剪力变化规律近似相同。桩身剪力包络线从桩底到桩顶基本呈波动变化。基覆界面剪力变化明显，在桩底和桩顶处均达到极值。随着桩径的增加，剪力逐渐增大。

桩径从1.4 m增加到2.2 m，桩顶位置剪力从270 kN变化到-700 kN，基覆界面剪力从-580 kN增大到-830 kN，桩底位置剪力从-300 kN增大到-780 kN。桩径从2.2 m增大到2.6 m，桩顶位置剪力从-700 kN变化到-300 kN，基覆界面剪力从-830 kN增大到-1 280 kN，桩底位置剪力从-780 kN变化到-670 kN。

桩身弯矩见图9。

图9桩身弯矩图

图9中，桩径不同，桩身弯矩变化规律近似相同。桩身弯矩随着桩径增大逐渐增大，均在桩底达到最大值。桩径1.4 m增加到2.6 m，弯矩最大值由1 860 kN·m增大到2 930 kN·m，增幅约为30%左右。

4讨论

汶川地震发生后，通过对山区部分输电线塔桩基础的现场勘查发现，不同塔位不同桩径的桩基础在地震发生后，基础本身并未发生破坏，输电线塔基础的损坏大多是由地震造成的地质灾害(如上方山体滑坡、下方山体塌方、滚石砸坏等)所引起。对于桩基础本身而言，不同桩径之间的桩基础的抗震性能均满足要求，与本文数值模拟得出的结果基本吻合。

研究表明，输电线塔桩基础地震动力响应是一个非常复杂的问题，特别是针对山区陡坡场地而言。它不仅与本文研究的桩身尺寸有关，还与场地条件、地震动强度、地貌类型等诸多因素有关。本文只是针对西南山区某一特定的场地中一定范围内桩径(桩径1.4 m～2.6 m)对输电线塔桩基础地震动力响应的影响做了一些初步研究。试图为西南高烈度地震区输电线塔桩基础的抗震提供一定的意见和建议。

但还存在以下问题需要进一步研究：

(1) 本文研究的场地条件单一，不能包含西南地区所有的场地条件及地貌类型。因此，本文所得到的一些结论的普适性还有待进一步研究。

(2) 桩身尺寸对桩基础地震响应的影响明显，但本文针对西南山区场地只研究了桩径的影响。还有必要对桩长和桩径两个因子共同对桩基地震响应进行深入研究。

5结论

本文以西南山区某输电线塔位为例，分析桩径的大小对桩基础地震动力响应的影响。为山区陡坡地形输电线路桩基础的抗震设计提供一定的指导。主要结论如下：

(1) 桩身直径的增大，在一定程度上可以减小桩身加速度、桩身水平位移，从而提高桩基础的抗震性能。但桩径的增大，同时伴随着桩基础竖向位移和桩身内力的增大，在一定程度上会影响桩基础的抗震性能。

(2) 地震作用下，桩径与桩身加速度成反比关系。当桩径小于2.2 m时，桩身峰值加速度随桩径增加略微减小。当桩径大于2.2 m，桩身峰值加速度随桩径增大迅速减小。

(3) 随着桩径的增大，桩身水平位移逐渐减小，而竖向位移有所增大。

(4) 桩径越大，桩基础的桩身内力值就越大。桩径每增加0.4 m，剪力增加约17%，弯矩增加约20%。

参考文献：

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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

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2011CB013501)；长江学者和创新团队发展计划(IRT0812)

作者简介：喻豪俊(1989—)，男，四川成都人，硕士研究生，研究方向为岩土工程。 E-mail：yuhaojun08@sina.com

中图分类号：TU43

文献标识码：A

文章编号：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