抗液化微型钢管群桩理论研究

刘继武，史卓鹏，韩 恺，闫炜炀，张骁健

(国网山西省电力有限公司经济技术研究院，山西 太原 030002)

近几年随着电网建设快速发展，输电线路的数量和规模日益增加，输电线路走廊日益狭窄，线路经常途经饱和砂土或饱和粉土地段。根据DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》要求，220 kV及以上耐张型杆塔的基础，当场地为饱和砂土或饱和粉土时，均应考虑地基液化的可能性，并采取必要的稳定和抗震措施[1]。

目前我国输电线路铁塔采用灌注桩基础，基础埋深穿过液化层。历次大地震中桩基都有破坏，在液化土层中桩基破坏比较明显，引起较为广泛研究。桩基为深入土层的柱形构件，其地震反应既受到地基动力响应约束，也与结构本身振动有关，同时地基液化过程本身很复杂，因此桩土动力相互作用分析变得十分困难。通常认为，液化过程中土体变软、刚度变小，而同时地震使横向惯性力增大，导致桩在振动下横向弯曲变形增大，使桩基遭到破坏[2-3]。

实践证明，采取微型钢管群桩处理软土地质是一种十分有效的方法。微型钢管群桩具有适应性强、见效快、安全度高、节约材料、施工方便、施工时间短以及桩顶位移小等多种优点。

本文通过研究地震液化机理和微型钢管群桩的受力特性，提出了输电线路基础采用微型钢管群桩的抗液化优势和基本计算理论。

1 地震液化机理分析

液化是指物质由固体状态转变为液体状态的行为和过程。从力学行为来看，物质的固体状态和液体状态最本质的区别在于物质在固体状态具有抗剪强度，而在液体状态则不具有抗剪强度。土是一种压硬性材料，其模量和强度都与有效应力有关，因此土由固体状态向液体状态的转变是孔隙压力增大、有效应力减小的结果。液化问题一般是针对无黏性土，黏性土因其具有黏聚强度，即使有效应力减小到零，也具有一定的抗剪强度，不能达到完全的液体状态。砂土是最常见的无黏性土，液化问题大多以饱和或接近饱和的砂土为研究对象[4]。

若干现场观测资料表明，对于具有一定黏粒含量的黏性土，同样也存在发生液化的可能[5]。黏性土由于颗粒较小，土粒之间有效应力减小后，它们之间的黏聚力仍然存在，所以黏性土在动荷载作用下不会出现液体流动状态的液化，但随着土强度弱化，变形积累增大，当达到一定范围可认为黏性土发生了破坏，即发生了动荷载下的软化。

我国液化的标志是土的有效应力为零，土体液化必须同时具备松散砂性土、土体饱和、水平荷载作用3个条件[6]。饱和砂土是由砂和水组成的两相复合体系，而砂粒孔隙间充满了水，受到水平方向的动剪应力作用后，土骨架在充满水的孔隙间振动，原来的砂水复合体系变为砂水的悬液体系，在渗透水流作用下发生浮扬现象，产生“液化”[7]。

输电杆塔基础荷载一般有竖向荷载及水平荷载，竖向荷载包括上拔力和下压力。对于一般地质条件下压力基本不受控，而上拔力主要靠桩与周围土的摩擦力来平衡，即利用土体剪切应力来平衡上拔力，当土体发生液化时，土体有效应力瞬间减小，甚至变为零。当地震液化时，输电杆塔基础将失去土体抗拔力，出现倒塔等安全事故，严重危害电网安全运行。

2 微型钢管群桩分析

2.1 微型钢管群桩优点

微型桩一般指桩径小于300 mm，桩长不超过30 m，采用钻孔、压力注浆工艺施工的小直径桩。微型钢管群桩由钢筋混凝土主柱承台、多根微型钢管(钢管内灌注水泥浆)组成，具有以下优点。

a.适应性强。在软土地质条件场地，施工条件较差，难以进入大型施工机械，而微型钢管群桩的施工设备较小，机动灵活，能适应各种施工现场。

b.见效快。微型钢管群桩设置后，即可发挥作用，不需要养护龄期，见效快，可以充分利用钢管的刚度，使微型群桩与土体及时作用，提高工程建设进度。

c.增强抗倾覆能力。微型钢管群桩靠基坑以下的桩前土(稳定土体)的被动土压力和钢管群桩插入基坑部分的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来抵抗倾覆力矩，同时钢筋混凝土冠梁板连结也增加了微型钢管群桩的抗倾覆能力。

d.提高土体剪应力。当桩身周围土体发生液化时，微型钢管群桩对土体有一定的约束加固作用，保证土体有效应力不快速降低，提高了土体抗液化剪应力。

e.施工费用低。在一定范围内代替悬臂式单桩，可降低材料用量30%以上[8]。

2.2 微型钢管群桩受力分析

a.轴向荷载下桩基承载力性状分析

为描述不同阶段桩基承载力，采用荷载传递法研究轴向荷载下桩基承载力。

(1)

式中：u(z)为桩土相对位移；τ(z)为桩侧摩阻力；A为桩身截面面积；Ep为桩身弹性模量；U为桩身周长。

结合工程实际，桩土荷载传递函数采用双折线模型描述，如图1所示。

图1 理想弹塑性模型

由图1可见，在桩土相对位移达到极限值之前，桩侧摩阻力呈线性增长；而当桩土相对位移达到极限值之后，桩侧摩阻力为某一定值，这实质上描述了桩侧摩阻力的理想弹塑性。

由于双折线模型导数不连续，桩周土根据桩顶沉降对桩侧与桩端阻力的发挥情况也各不相同。根据桩顶荷载传递发展过程，分为桩周土处于完全弹性状态、桩周土部分处于塑性状态和桩周土全部处于塑性状态[9]3种不同工况。

在桩群中由于刚性承台的约束，各单桩差异沉降转化为内部桩顶应力松弛现象，导致边桩和角桩桩顶应力集中，边桩和角桩的桩顶反力大于内部桩的桩顶反力，角桩反力大于边桩反力，边桩反力大于内部桩反力[10]。实际工作中，群桩作用效应可采用群桩工作性能参数进行修正，群桩工作性能特征参数从不同角度描述和反映了承台-桩群-地基土的共同工作状态及其效果，给群桩性能控制提供定量依据。

b.地震液化桩基计算模型

地震液化桩基计算模型如图2所示，桩侧土简化为3层，即上覆非液化土层、液化土层以及下层非液化土层[11]。

图2 地震液化桩基计算模型

在水平荷载作用下，其控制微分方程为

(2)

(3)

(4)

式中：b0为桩的计算宽度;EI为桩的抗弯刚度;D为地面水平位移;Dz为液化层某一深度处的水平位移;yi(i=1～3)为桩基的侧向位移;zi(i=1～3)为第i层土的局部坐标;ki(i=1～3)为第i层土的地基反力系数;β为液化层刚度折减系数。

不考虑桩土之间的黏聚力和摩阻力，水平地基反力系数为

ks=m(z+z0)n

(5)

式中：m为地基反力系数随深度变化的比例系数；n为随土的类别而变化的指数；z为深度；z0为常数，与土的类别有关。

c.群桩的水平承载力分析

群桩的水平承载力采用群桩效率法进行计算。

Hg=mnH0η

(6)

式中：Hg、H0为群桩水平承载力和单桩水平承载力；m、n为群桩纵向(荷载作用方向)桩数和横向桩数；η为群桩综合效率。

群桩由多根基桩和承台构成，受重力作用影响，群桩会受到竖向荷载及承台的共同作用。根据柱之间的影响系数K1、不均匀分配系数K2、桩顶嵌固增长系数K3、承台与土的摩擦作用增长系数K4、侧土抗力增长系数K5、坚向荷载作用系数K6，推导出群桩综合效率为

η=K1K2K6+K4+K5

(7)

(8)

式中：ΔHg为承台与土的摩擦作用增加的群桩水平承载力。

(9)

式中：K0为静止土压力系数；Z1、Z2分别为承台底面和顶面深度；γ为土的重度；B为承台宽度。

(10)

式中：N为竖向荷载；A为承台底与土接触面积；λ为土体的分担系数；r为截面抵抗距的塑性系数；Rf为混凝土抗裂前度表标准值。

由式(7)—(10)计算群桩水平承载力[12]。

d.液化土侧向刚度的折减

我国目前地震液化土层承载力取值为零，造成桩基埋深较大，成本过高。本文参照日本公路桥设计规范方法，对液化土的承载力根据液化土层深度及液化安全系数的不同取相应的折减系数。具体做法为进行桩内力计算时将液化土的变形模量及地基反力系数乘以0～1的折减系数。

3 工程应用

3.1 工程概述

新建500 kV兰陵变220 kV架构-220 kV马陵变电站，约44.7 km双回路线路。本工程地处山东临沂市，线路所经地区全部为平地，地貌成因类型为冲洪积平原，地貌类型为平地、河漫滩。上覆地层主要为第四系冲洪积形成的黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中粗砂及碎石，粉土承载力为100～120 kPa。本工程位于地震烈度8度区，且跨越邳苍分洪道和沂河，杆塔塔位均位于分洪道和沂河中，根据可研地质报告、水文报告和现场踏勘情况，分洪道和沂河地基中存在8～15 m的液化土层。分洪道和沂河的地基较软，不适宜大型机械施工，基础施工应减少对原状土扰动，降低土体液化的可能。

3.2 微型钢管群桩应用

针对以上问题，设计了抗液化微型钢管群桩基础，由钢筋混凝土高主柱承台、钢筋混凝土连梁和Φ150 mm钢管(钢管内灌注水泥浆)组成。钢管外壁采用卷制焊接；内壁可焊接加劲板件，以提高桩体局部稳定性能；桩端采用子弹头型(便于压入桩体)；桩顶可焊接连接件体(承台桩需预留与承台连接装置)。每个钢筋混凝土高主柱承台下布置9根等间距的Φ150 mm管，钢管间距为750 mm，如图3所示。

图3 抗液化微型钢管群桩

3.3 经济效益分析

抗液化微型钢管群桩与普通单桩对比如表1所示。

表1 抗液化微型钢管群桩与普通单桩对比

由表1可知,抗液化微型钢管群桩具有较好的经济效益，同时可以有效防止地震液化时土体有效应力瞬间降低，提高土体承载力，保证输电线路安全运行。

4 结论

a.地震液化时将土体承载力考虑为零是一种非常保守的设计，建议输电线路基础设计采用液化土侧向刚度的折减系数法。

b.微型钢管群桩对土体有加固和提高抗液化剪应力的作用。

c.微型钢管群桩用于地震液化地区具有明显的经济效益。

d.虽然微型钢管群桩已在实践中得到应用，并取得较好的效果，但是微型钢管群桩在液化土体中的受力机理还需要进一步研究，并通过试验进行验证。