史國寵 武抒理 陳永貴

(安徽宏源電力建設(shè)投資有限公司，安徽 合肥 231201)

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紅砂巖地基桿塔基礎(chǔ)抗拔承載特性分析

史國寵 武抒理 陳永貴

(安徽宏源電力建設(shè)投資有限公司，安徽 合肥 231201)

選取軍塘—西二110 kV輸電線路工程紅砂巖層G24桿塔樁基礎(chǔ)為研究對象，基于彈塑性理論，并采用有限差分方法，數(shù)值模擬了桿塔樁基礎(chǔ)在上拔荷載作用下地基巖土體變形破壞過程，獲得桿塔樁基礎(chǔ)地基土體在上拔荷載作用下的變形破壞模式，為紅砂巖地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

輸電線路，桿塔樁基礎(chǔ)，紅砂巖，計(jì)算模型

軍塘—西二110 kV輸電線路工程全長約17.7 km，該工程線路屬皖南山區(qū)，沿線地形起伏較大。工程地質(zhì)主要為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化的(泥質(zhì))砂巖、礫巖。該地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，以混凝土和鋼筋骨架灌注于天然土體內(nèi)，能充分發(fā)揮原狀土的特性，具有良好的抗拔能力。桿塔樁基礎(chǔ)具有施工方便、工藝簡單、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)[1]。國內(nèi)外很多學(xué)者對上拔荷載作用下桿塔樁基礎(chǔ)承載特性、地基土體變形破壞過程開展了研究[2，3]。但上述研究大多數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合理論分析探索上拔荷載作用下土體破壞面的形狀，并且主要針對砂土中的樁基礎(chǔ)，而采用數(shù)值分析計(jì)算紅砂巖中桿塔樁基礎(chǔ)周圍巖土體的變形破壞模式研究較少。鑒于此，本文以軍塘—西二110 kV輸電線路紅砂巖層G24桿塔基礎(chǔ)為例，基于彈塑性理論，采用有限差分方法，對桿塔樁基礎(chǔ)在上拔荷載作用下紅砂巖地基變形破壞過程進(jìn)行模擬，分析得出紅砂巖地基在上拔荷載作用下的變形破壞模式。

1 數(shù)值計(jì)算方法

上拔荷載作用下桿塔樁基礎(chǔ)地基巖土體彈塑性變形破壞計(jì)算采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析方法)方法[4]開展數(shù)值模擬計(jì)算。

2 G24桿塔樁基礎(chǔ)地基巖土體變形破壞分析

2.1 桿塔基礎(chǔ)尺寸及參數(shù)

以軍塘—西二110 kV輸電線路G24桿塔樁基礎(chǔ)為研究對象，G24桿塔樁基礎(chǔ)所在位置巖土體地質(zhì)參數(shù)為：分成三層。第一層0 m～0.7 m的黃褐色，稍濕的填土層；第二層為0.7 m～8 m的褐色、灰褐色，稍濕，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化的礫巖夾砂巖層，風(fēng)化程度隨深度增加而減弱；第三層為8.0 m～15.0 m的灰紅色，稍濕，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化的礫巖夾砂巖。G24桿塔基礎(chǔ)尺寸見圖1。

2.2 三維數(shù)值計(jì)算模型的建立

根據(jù)G24桿塔J10位置基礎(chǔ)的幾何尺寸，選取數(shù)值計(jì)算模型范圍為50 m×50 m×50 m；桿塔基礎(chǔ)與土層單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元進(jìn)行劃分，桿塔基礎(chǔ)與地基巖土體接觸面采用無厚度的接觸面單元進(jìn)行模擬[4,5]；基礎(chǔ)數(shù)值網(wǎng)格模型共劃分657 755個(gè)單元，680 275個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值網(wǎng)格模型具體見圖2。

2.3 材料本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則的選取

由于J10位置基礎(chǔ)的相對埋深(h/d)較淺(<8)，地基巖土體在受荷過程中可認(rèn)為是處于低圍壓的狀態(tài)，因此本次計(jì)算中選擇理想彈塑性模型作為土體的本構(gòu)模型[4,6,7]。由于樁體采用鋼筋混凝土材料，在基礎(chǔ)上拔過程中其始終處于彈性狀態(tài)，故樁體的本構(gòu)模型為彈性本構(gòu)模型。

桿塔基礎(chǔ)在上拔荷載作用下地基巖土體將發(fā)生不同程度的彈塑性變形，并且在上拔過程中地基巖土體可能出現(xiàn)張拉破壞。為了能反映巖土體在開挖過程中張拉和壓剪破壞模式，本次計(jì)算中選擇Mohr-Columb屈服與張拉破壞相結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則，作為地基巖土體的屈服準(zhǔn)則[4,8]。

2.4 邊界條件及加載方式

桿塔基礎(chǔ)數(shù)值計(jì)算模型的邊界條件如圖3所示。模型的4個(gè)側(cè)面及底面約束為法向約束，土體上表面為自由邊界，桿塔基礎(chǔ)上表面施加的荷載垂直向上。上拔荷載采用應(yīng)力加載方式，按靜載荷在基礎(chǔ)頂部施加垂直向上的均布面荷載，進(jìn)行逐級加載，直至基礎(chǔ)從土體中拔出，基礎(chǔ)體系喪失承載能力。

計(jì)算過程中在桿塔基礎(chǔ)頂部中心和基礎(chǔ)周圍巖土體表面設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)(圖3的監(jiān)測點(diǎn)A為桿塔基礎(chǔ)頂部中心點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)B為距基礎(chǔ)0.5 m處的地表點(diǎn))，以監(jiān)測基礎(chǔ)和地基巖土體的位移隨荷載增加的變化情況。

2.5 數(shù)值計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)文獻(xiàn)[4][10]中關(guān)于巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)建議值，并類比其他類似巖土體的物理力學(xué)參數(shù)值，確定上拔荷載作用下G24桿塔J10位置基礎(chǔ)紅砂巖地基及混凝土樁的物理力學(xué)參數(shù)的取值，抗拉強(qiáng)度是以抗壓強(qiáng)度的1/4～1/10確定，具體見表1。

表1 上拔荷載作用下G24桿塔J10位置基礎(chǔ)及地基巖土體的參數(shù)取值

2.6 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]～[7]的地基基礎(chǔ)體系失穩(wěn)破壞的綜合判斷準(zhǔn)則，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)A,B的位移監(jiān)測值，繪制桿塔樁基礎(chǔ)荷載位移Q—S曲線，由曲線可確定桿塔基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的比例極限值為4 500 kN，具體見圖4。

由圖4可以看出，桿塔基礎(chǔ)荷載位移曲線整體表現(xiàn)出“先緩變后陡變”的變化趨勢。曲線分為線性段、陡變段。線性段：加載初期，隨著荷載的增加桿塔基礎(chǔ)上拔位移呈線性增加，二者的荷載位移曲線趨勢基本相同；陡變段：當(dāng)荷載達(dá)到比例極限4 500 kN時(shí)，隨著荷載的繼續(xù)增加，曲線斜率逐漸變大，樁土間相對位移增大，達(dá)到極限荷載時(shí)，基礎(chǔ)位移急劇增加，樁土間相對位移也急劇增加，基礎(chǔ)將從土體中拔出，整個(gè)基礎(chǔ)體系喪失承載能力。

根據(jù)沈珠江[9]對漸進(jìn)破壞理論的研究，綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果分析，可將紅砂巖地基基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的破壞機(jī)理和過程概括為：地基土體壓縮擠密→巖土體塑性區(qū)出現(xiàn)和發(fā)展→巖土體整體剪切破壞。

數(shù)值計(jì)算得到基礎(chǔ)巖土體在軸對稱面(選取圖2的1—1剖面)的上拔荷載作用下處于極限狀態(tài)(荷載為6 000 kN)時(shí)的塑性區(qū)和位移場分布圖，具體見圖5，圖6。

由圖5可知，桿塔基礎(chǔ)土體處于極限狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)周圍土體發(fā)生塑性屈服的區(qū)域主要分布在桿塔基礎(chǔ)兩側(cè)靠近基礎(chǔ)的頂部和中部，塑性區(qū)局部連通。從圖6看出，地基巖土體位移場出現(xiàn)明顯的分界面，在分界面以上位移較大，分界面以下位移非常小。分析得出桿塔基礎(chǔ)地基土體的變形破壞模式為沿著桿塔基礎(chǔ)上邊緣呈軸對稱的曲面破壞。

3 結(jié)語

本文選用軍塘—西二110 kV輸電線路紅砂巖層G24桿塔基礎(chǔ)為研究對象，基于彈塑性理論，采用有限差分方法對桿塔樁基礎(chǔ)在上拔荷載作用下紅砂巖地基變形破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出桿塔基礎(chǔ)紅砂巖地基在上拔荷載作用下的變形破壞模式，主要結(jié)論如下：

1)由荷載位移曲線分析表明，紅砂巖地基上拔破壞過程依次為巖土體壓密階段、巖土體局部剪切階段到樁土界面形成明顯的錯(cuò)動(dòng)位移階段，最終基礎(chǔ)從地基中拔出。2)數(shù)值分析表明，桿塔基礎(chǔ)土體處于極限狀態(tài)時(shí)，樁基礎(chǔ)周圍土體發(fā)生塑性屈服的區(qū)域主要分布在樁基礎(chǔ)兩側(cè)靠近基礎(chǔ)的頂部和中部，塑性區(qū)局部連通。隨著上拔荷載的增加，塑性區(qū)進(jìn)一步向上擴(kuò)展，與樁土界面一起形成完整的滑動(dòng)面。3)本文所獲得的成果可以為紅砂巖地區(qū)輸電線路桿塔地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

[1] 劉文白，劉占江，曹玉生，等.沙漠地區(qū)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(5)：564-568.

[2] NABIL F I. Field tests on bored piles subject to axial and oblique pull[J]. Journal of Geotechnical Engineering，1989，115(11):1588-1598.

[3] 年廷凱，魯志杰，楊 慶.坡頂斜向受荷樁工作性能的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010,43(3):89-94.

[4] 張振華，崔 強(qiáng)，安占禮.上拔與水平荷載綜合作用下某碎石土場地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破裂面形態(tài)分析[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2014(35):41-47.

[5] 鄭穎人，沈珠江，龔曉南.巖土塑性力學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[6] 崔 強(qiáng)，張振華，安占禮，等.組合荷載作用下擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破壞模式及滑動(dòng)面幾何特征分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29(3)：12-18.

[7] 崔 強(qiáng)，張振華，魯先龍，等.擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔土體破壞模式及滑動(dòng)面特征研究[J].金屬礦山，2010(11):161-164.

[8] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.

[9] 沈珠江.理論土力學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[10] 彭柏興，王星華.紅層軟巖工程特性及其大直徑嵌巖樁若干問題研究[D].長沙：中南大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[11] 龔曉南.土塑性力學(xué)[M].第2版.杭州：浙江大學(xué)出版社，1997.

[12] 王芝銀，劉懷恒.粘彈塑性有限元分析及其在巖石力學(xué)與工程中的應(yīng)用[J].西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1985(1):62-73.

Analysis on tower pile foundation anti-pulling properties of red sand stone base

Shi Guochong Wu Shuli Chen Yonggui

(AnhuiHongyuanPowerConstructionInvestmentCo.,Ltd,Hefei231201,China)

The paper selects red sand stone G24 tower pile foundation of Juntang-Xi’er 110 kV transmission line as an example, follows elastic theory, applies finite difference method, numerically simulates foundation geotechnical rock deformation damage process of tower pile foundation under pulling load, and obtains tower pile foundation soil deformation damage mode under up-lifting load, which has provided some guidance for designing transmission line tower pile foundation in red sand stone area.

transmission line, tower pile foundation, red sand stone, calculation model

1009-6825(2017)06-0108-02

2016-12-15

史國寵(1970- )，男，助理工程師； 武抒理(1976- )，男，高級工程師； 陳永貴(1969- )，男，高級工程師

TU473.11

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