呂璽琳，蘇 征，錢建固，劉湘蒞

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450052)

膨脹土地基輸電線桿塔基礎(chǔ)承載力特性數(shù)值模擬

呂璽琳1,2，蘇 征1，錢建固1,2，劉湘蒞3

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450052)

基于河南南陽(yáng)膨脹土不同飽和度條件下的三軸試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)三維彈塑性有限元數(shù)值模擬，研究了大板和臺(tái)階兩種典型的桿塔基礎(chǔ)抗壓和抗拔承載特性及隨著土體飽和的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著膨脹土飽和度的增加，基礎(chǔ)的極限抗壓和抗拔承載力均明顯降低，且降低速率逐漸減小。此外，在相同埋深條件下，大板基礎(chǔ)的極限抗拔承載力要明顯高于臺(tái)階基礎(chǔ)。在不考慮膨脹土膨脹效應(yīng)時(shí)，飽和度增加對(duì)兩種基礎(chǔ)抗壓承載力的影響程度要明顯高于對(duì)其抗拔承載力的影響程度。

膨脹土；桿塔基礎(chǔ)；數(shù)值模擬；地基承載力

膨脹土由強(qiáng)親水礦物(蒙脫石、伊利石)構(gòu)成，是具有吸水膨脹、失水收縮特性的高塑性黏土。我國(guó)膨脹土分布區(qū)域廣泛，從河南、河北到西南部廣西、云南等地，均不同程度分布著膨脹土。工程中膨脹土常具有非飽和、超固結(jié)性、裂隙發(fā)育等特性[1]。膨脹土對(duì)環(huán)境氣候條件異常敏感，浸濕后強(qiáng)度明顯降低，從而對(duì)膨脹土地基上建、構(gòu)筑物造成巨大安全隱患。

當(dāng)前已有一些針對(duì)膨脹土力學(xué)特性方面的研究，包承綱等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究了南陽(yáng)膨脹土的強(qiáng)度、長(zhǎng)期強(qiáng)度等特性。徐永福等[3]利用可測(cè)吸力的三軸儀研究了含水率對(duì)寧夏膨脹土強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律。盧再華等[4]通過(guò)對(duì)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行了4種不同應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)，詳細(xì)研究了其在不同應(yīng)力路徑條件下的強(qiáng)度和變形特性。馬少坤等[5]建立了飽和土與非飽和土之間強(qiáng)度擬合公式，建立了不同飽和度條件下非飽和土強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)化為飽和土強(qiáng)度參數(shù)的擬合公式。邱雪蓮等[6]利用十八烷基三甲基氯化銨與KCl作用來(lái)改善膨脹土，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改善后的膨脹土膨脹性明顯降低，水穩(wěn)定性增強(qiáng)。賈文聰[7]通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了安康膨脹土和漢中膨潤(rùn)土的強(qiáng)度和變形特性，得到了含水率、膨脹潛勢(shì)強(qiáng)弱以及干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)于膨脹土強(qiáng)度的影響規(guī)律。曾召田等[8]基于室內(nèi)試驗(yàn)，研究了干濕循環(huán)條件下膨脹土的變形規(guī)律，分析了體變參數(shù)、初始切線模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。陳偉樂(lè)[9]通過(guò)對(duì)成都黏土和云南呈貢膨脹土研究，得到了初始含水率、初始干密度對(duì)膨脹力、膨脹率的影響規(guī)律。張旭東[10]基于GeoStudio軟件中的非飽和土滲流模型以及非飽和土抗剪強(qiáng)度的GLE法，研究了不同水位高度、不同填筑高度、持續(xù)蒸發(fā)及蒸發(fā)后持續(xù)降雨條件下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。袁明月等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比了膨脹土、素土、及不同鋼渣微粉摻量的改良土，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼渣微粉的摻入可以明顯提高膨脹土的強(qiáng)度特性，并對(duì)于膨脹土干濕循環(huán)后強(qiáng)度降低的特性也有明顯的改善效果。

與普通工、民用建筑相比，輸電線路桿塔基礎(chǔ)所受荷載復(fù)雜。一般而言，桿塔基礎(chǔ)往往承受下壓、上拔、水平等組合荷載作用。當(dāng)前有關(guān)壓荷載和上拔荷載條件下的承載特性開(kāi)展過(guò)一些研究。如魯先龍等[12]根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)原理，推導(dǎo)了輸電線路原狀土基礎(chǔ)土體滑裂面抗拔極限承載力理論計(jì)算公式。楊劍等[13]通過(guò)數(shù)值模擬，研究了豎向和傾斜掏挖基礎(chǔ)在不同傾斜荷載作用下的承載力特性。蘇榮臻等[14]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)于微型樁單樁、群樁抗拔承載力特性進(jìn)行了相關(guān)研究。魯先龍等[15]根據(jù)甘肅黃土地區(qū)掏挖基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)結(jié)果，研究了其抗拔承載力特性并提出雙曲線模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。然而，有關(guān)膨脹土地基輸電線塔基礎(chǔ)的承載力特性研究還不夠系統(tǒng)。

本文基于膨脹土強(qiáng)度特性，通過(guò)彈塑性有限元數(shù)值模擬，對(duì)受壓和拔荷載下輸電線桿塔大板基礎(chǔ)和臺(tái)階基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行了研究，獲得其破壞模式和極限承載力，并與規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，指出現(xiàn)有規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果偏保守。

1 膨脹土強(qiáng)度特性

絕大部分地區(qū)的膨脹土均呈非飽和狀態(tài)，現(xiàn)階段對(duì)于非飽和土的理論研究，大多基于Bishop和Fredlund提出的非飽和理論公式開(kāi)展。Bishop[16]提出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式為：

τf=c′+[(σ-ua)+χ(ua-uw)]tanφ′

(1)

Fredlund D G等[17]提出的雙變量抗剪強(qiáng)度公式：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(2)

盧肇均等[3]提出基于膨脹土強(qiáng)度公式：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+mpstanφ′

(3)

對(duì)于飽和土，Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則簡(jiǎn)單實(shí)用，工程上采用廣泛。非飽和膨脹土強(qiáng)度可分為四部分：與c′和φ′相關(guān)的部分、吸力相關(guān)部分及與膨脹力相關(guān)部分，而由膨脹力和吸力部分引起的強(qiáng)度又可包含在黏聚力中，作為總黏聚力的一部分，亦即：

ctotal=c′+τs+τps

(4)

式中：τs為吸力引起的強(qiáng)度；τps為膨脹力引起的強(qiáng)度。

同樣地，內(nèi)摩擦角也可轉(zhuǎn)換為等效內(nèi)摩擦角,故非飽和膨脹土強(qiáng)度公式可等效為：

τf=ctotal+σtanφtotal

(5)

式中：強(qiáng)度參數(shù)ctotal、φtotal可利用常規(guī)三軸試驗(yàn)確定。

本文基于繆林昌等[18]對(duì)南陽(yáng)膨脹土的三軸試驗(yàn)結(jié)果，利用式(5)得出強(qiáng)度參數(shù)，并據(jù)此開(kāi)展輸電線路桿塔基礎(chǔ)下壓和上拔極限承載力數(shù)值模擬研究。

2 桿塔基礎(chǔ)承載力數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型建立

針對(duì)遠(yuǎn)距離輸電線路桿塔基礎(chǔ)的特點(diǎn)，本文選取混凝土大板基礎(chǔ)和混凝土臺(tái)階基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比分析，分別其抗壓和抗拔承載力。具體模型尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 大板基礎(chǔ)模型及網(wǎng)格劃分

圖2臺(tái)階基礎(chǔ)模型及網(wǎng)格劃分

為簡(jiǎn)化分析，模型假設(shè)：(1) 假設(shè)模型中土層為膨脹土且均勻分布，不存在分層情況；(2) 假設(shè)膨脹土服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則；(3) 假設(shè)模型中土體飽和度均勻分布；(4) 假設(shè)混凝土基礎(chǔ)為剛性體，不考慮其屈服破壞情況。

土體和基礎(chǔ)單元類型選取三維八節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元C3D8R，并將基礎(chǔ)接觸土體位置加密網(wǎng)格。設(shè)置基礎(chǔ)與土體間的切向摩擦系數(shù)為0.32，法向?yàn)橛步佑|?；诳娏植萚18]南陽(yáng)膨脹土三軸試驗(yàn)結(jié)果，得到不同含水率和不同飽和度條件下膨脹土等效強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。土體重度取γ=18.5 kN/m3，彈性模量E=60 MPa，泊松比μ=0.26，混凝土基礎(chǔ)重度γ=23.0 kN/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.33。

表1 膨脹土三軸試驗(yàn)得到的強(qiáng)度參數(shù)[18]

2.2 抗壓承載力

為較好地模擬膨脹土地基在重力荷載下的承載力，通過(guò)位移加載形式進(jìn)行模擬，通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出膨脹土地基的荷載位移曲線。

臺(tái)階基礎(chǔ)抗壓承載力的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，臺(tái)階基礎(chǔ)在受壓時(shí)主要是對(duì)基礎(chǔ)底部土體產(chǎn)生影響，土體中的應(yīng)力集中區(qū)和塑性區(qū)主要產(chǎn)生在基礎(chǔ)底部土體，對(duì)基礎(chǔ)中間部位土體影響程度明顯較小。

圖3臺(tái)階基礎(chǔ)抗壓計(jì)算結(jié)果(Sr=92.1%)

2.3 抗拔承載力

除重力荷載外，輸電線塔在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)承受水平向風(fēng)荷載或由于桿塔兩端線路不均引起的側(cè)向荷載，引起桿塔基礎(chǔ)中產(chǎn)生上拔力。桿塔基礎(chǔ)抗拔承載力對(duì)于輸電線塔安全平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。本文通過(guò)位移加載的形式，對(duì)基礎(chǔ)頂部施加豎直向上的位移來(lái)模擬基礎(chǔ)的上拔作用，從而得到膨脹土地基的抗拔承載力特征值。兩種基礎(chǔ)抗拔計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示，大板基礎(chǔ)在上拔過(guò)程中對(duì)地基土體的影響程度和范圍遠(yuǎn)高于臺(tái)階基礎(chǔ)，但臺(tái)階基礎(chǔ)由于體型小，更容易在土體中引起局部應(yīng)力集中。

3 承載力特性及破壞模式

3.1 抗壓承載力及其破壞模式

臺(tái)階基礎(chǔ)計(jì)算所得的荷載-位移曲線如圖6所示，曲線表示基礎(chǔ)中心點(diǎn)下部土體應(yīng)力和位移關(guān)系。結(jié)果表明，臺(tái)階基礎(chǔ)荷載位移曲線具有明顯拐點(diǎn)，當(dāng)基礎(chǔ)底部土體屈服破壞后，基礎(chǔ)位移明顯增大而承載力不再增長(zhǎng)。

圖4 大板基礎(chǔ)抗拔計(jì)算結(jié)果(Sr=92.1%)

圖5臺(tái)階基礎(chǔ)抗拔計(jì)算結(jié)果(Sr=92.1%)

不同飽和度地基土情況下臺(tái)階基礎(chǔ)的極限承載力如表2所示，其關(guān)系曲線如圖7所示。通過(guò)曲線可明顯看出，隨著飽和度增加，基礎(chǔ)承載力明顯降低，且降低程度隨著飽和度增大而減小。當(dāng)飽和度從59.2%增加到92.1%時(shí)，極限承載力均降低60%以上。

臺(tái)階基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力時(shí)的位移矢量圖如圖8所示，呈現(xiàn)刺入剪切破壞模式，僅在基礎(chǔ)下部局部區(qū)域發(fā)生破壞，且土體位移以豎向位移為主，地表無(wú)明顯隆起。

圖6 不同飽和度下臺(tái)階基礎(chǔ)抗壓承載力荷載-位移曲線

圖7 臺(tái)階基礎(chǔ)極限承載力與飽和度之間的關(guān)系曲線

圖8臺(tái)階基礎(chǔ)位移矢量圖(Sr=92.1%)

3.2 抗拔承載力

兩種基礎(chǔ)抗拔時(shí)荷載-位移曲線如圖9所示，對(duì)比兩種基礎(chǔ)結(jié)果可明顯看出，大板基礎(chǔ)抗拔時(shí)，隨位移增大，其承載力迅速增大，直到破壞后其承載力基本不變；而臺(tái)階基礎(chǔ)在抗拔時(shí)，其承載力發(fā)揮需較大位移，并且在土體破壞后，其承載力仍有較小程度提高。

圖9不同飽和度情況下基礎(chǔ)的荷載位-移曲線

不同飽和度下兩種基礎(chǔ)極限抗拔承載力如表3所示，其關(guān)系曲線如圖10所示。在相同飽和度且不考慮膨脹土膨脹條件下，臺(tái)階基礎(chǔ)極限抗拔承載力為大板基礎(chǔ)的20%左右。隨著飽和度增加，兩種基礎(chǔ)抗拔承載力均降低，且降低趨勢(shì)基本一致。當(dāng)土體飽和度從59.2%增加至92.1%時(shí)，其承載力均降低60%左右。

表3 不同飽和度條件下地基土體的極限承載力

圖10兩種基礎(chǔ)極限承載力與飽和度之間的關(guān)系曲線

兩種基礎(chǔ)抗拔破壞時(shí)土體位移矢量如圖11所示。大板基礎(chǔ)在抗拔過(guò)程中主要引起其上部土體豎向位移，導(dǎo)致地基土體產(chǎn)生整體剪切破壞。臺(tái)階基礎(chǔ)則主要使基礎(chǔ)周圍土體向上部和四周移動(dòng)，地表基礎(chǔ)周圍土體隆起。

3.3 臺(tái)階基礎(chǔ)地基承載力特性

不同飽和度條件下臺(tái)階基礎(chǔ)地基極限承載力如圖12所示。相對(duì)于極限抗拔承載力而言，飽和度增加對(duì)地基抗壓極限承載力影響程度更高，隨著飽和度增加，基礎(chǔ)抗壓承載力急劇降低，最大降幅可達(dá)84.10%，而抗拔極限承載力最大降幅為60.60%。另一方面，相同飽和度條件下，基礎(chǔ)抗壓承載力明顯高于其抗拔承載力，不過(guò)兩者之間的差距隨著土體飽和度增加而減小。

圖11 兩種基礎(chǔ)抗壓承載力位移矢量圖

圖12不同飽和度下臺(tái)階基礎(chǔ)極限承載力曲線

4 結(jié) 論

基于現(xiàn)有的南陽(yáng)膨脹土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析獲得強(qiáng)度參數(shù)，針對(duì)兩種典型的輸電線塔桿塔基礎(chǔ)抗壓和抗拔承載力進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了不同飽和度對(duì)其承載力的影響規(guī)律。

(1) 在抗壓破壞模式方面，臺(tái)階基礎(chǔ)呈現(xiàn)刺入剪切破壞模式，僅在基礎(chǔ)下部局部區(qū)域土體發(fā)生破壞，且土體位移以豎向位移為主，地表無(wú)明顯隆起現(xiàn)象。

(2) 在抗拔承載力方面，兩種基礎(chǔ)的承載力主要來(lái)源于基礎(chǔ)自重及上覆土體重度。由于大板基礎(chǔ)底面積較大，其抗拔承載力表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，但在破壞模式方面，大板基礎(chǔ)破壞后，其承載力將不再提高，而臺(tái)階基礎(chǔ)的承載力仍會(huì)隨著變形增大而進(jìn)一步增大。

(3) 極限抗壓承載力及抗拔承載力都隨著土體飽和度增加而降低，且降低速率隨飽和度增加而逐漸減小。當(dāng)土體飽和度從59.2%增大到92.1%時(shí)，基礎(chǔ)極限抗壓和抗拔承載力可降低60%左右。

(4) 根據(jù)臺(tái)階基礎(chǔ)抗壓和抗拔承載力計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，膨脹土飽和度增加對(duì)抗壓極限承載力影響程度要明顯高于抗拔承載力，同樣飽和度條件下，抗壓承載力要高于抗拔承載力，但兩者差距隨飽和度增加而逐漸減小。

[1] 譚羅榮，孔令偉.膨脹土的強(qiáng)度特性研究[J].巖土力學(xué),2005，26(7):1009-1013.

[2] 包承綱，劉特洪.河南南陽(yáng)膨脹土的強(qiáng)度特性[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),1990，7(2):1-8.

[3] 徐永福，陳永戰(zhàn)，劉松玉，等.非飽和膨脹土的三軸試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào), 1998,20(3):14-18.

[4] 盧再華，陳正漢，孫樹(shù)國(guó).南陽(yáng)膨脹土變形與強(qiáng)度特性的三軸試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002，21(5):717-723.

[5] 馬少坤，黃茂松，范秋雁.基于飽和土總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的非飽和土強(qiáng)度理論及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009，28(3):635-640.

[6] 邱雪蓮，王保田.膨脹土化學(xué)改良效果及其在邊坡工程中應(yīng)用的試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2013,11(2):190-195.

[7] 賈文聰.非飽和膨脹土強(qiáng)度與變形特性的試驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

[8] 曾召田，劉發(fā)標(biāo)，呂海波，等.干濕交替環(huán)境下膨脹土變形試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015，13(3):72-76.

[9] 陳偉樂(lè)．膨脹土膨脹性與強(qiáng)度衰減關(guān)系的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2016.

[10] 張旭東.不同地下水位下考慮降雨和蒸發(fā)影響的膨脹土路堤穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2016,14(2):212-217.

[11] 袁明月，張福海，陳 翔，等.鋼渣微粉改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2017,15(2):81-85.

[12] 魯先龍，程永鋒，張 宇.輸電線路原狀土基礎(chǔ)抗拔極限承載力計(jì)算[J].電力建設(shè),2006,27(10):28-32.

[13] 楊 劍，高玉峰，程永鋒，等.輸電線路掏挖式基礎(chǔ)在傾斜荷載作用下的特性[J].工業(yè)建筑,2008,38(6):62-66.

[14] 蘇榮臻，陳 培，魯先龍.微型樁桿塔基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2011,27(11):51-54.

[15] 魯先龍，乾增珍，崔 強(qiáng).黃土地基掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2014,35(3):647-652.

[16] W B A, Alpan. I B G E. Factors controlling the shear strength of partly saturated cohesive[Z]. University of Colorado: 1960.

[17] Fredlund D G, Morgenstern N R, Widger R A. The shear strength of unsaturated soils[J]. Can Geotech J, 1978,15(3):313-321.

[18] 繆林昌，殷宗澤，劉松玉.非飽和膨脹土強(qiáng)度特性的常規(guī)三軸試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,30(1):121-125.

SimulationsoftheBearingCapacityoftheTransmissionTowerFoundationConstructedinExpansiveSoilLayer

LV Xilin1,2, SU Zheng1, Qian Jiangu1,2, LIU Xiangli3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China；3.StateGridHe'nanEconomicResearchInstitute,Zhengzhou,He'nan450052,China)

Based on the results of triaxial tests of the expansive soil with different saturations in NanYang, Henan province, China. Relationship between the saturation and compression and uplift bearing capacity of plate foundation and footing foundation is studied based on three-dimensional FEM simulations. It is concluded that the compressive and uplift bearing capacity decreases obviously with saturation increases and then tend to be stable. Besides, the ultimate uplift capacity of plate foundation is much greater than that of footing foundation obviously with the same cover depth. What's more, influence of the increase of saturation on compressive bearing capacity is more visible than uplift capacity without consideration of dilatability of the soil.

foundationoftransmissiontower;expansivesoil;FEM;bearingcapacityoffoundation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.010

2017-04-20

2017-05-24

國(guó)網(wǎng)河南電網(wǎng)項(xiàng)目(5217L0160001)

呂璽琳(1981—)，男，重慶人，博士，副教授，博導(dǎo)，主要從事巖土力學(xué)與工程方面研究工作。E-mail: xilinlu@#edu.cn。

TU443

A

1672—1144(2017)05—0057—06